FR2860102A1 - Procede de fabrication d'une liaison de fil d'or resistant a une temperature elevee pour un composant electronique - Google Patents

Procede de fabrication d'une liaison de fil d'or resistant a une temperature elevee pour un composant electronique Download PDF

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Abstract

Procédé de fabrication d'une liaison de fil d'or résistant à une température élevée pour des composants semi-conducteurs.On dépose une couche de catalyseur (6) sur des points de liaison (2) d'une pastille (1), on dépose une barrière de diffusion métallique (7) sur la couche de catalyseur (6) et ensuite on applique une couche d'or (8) et on relie le fil d'or (9) à la couche d'or (8) par un procédé d'assemblage par une liaison par matière.

Description

Domaine de l'invention
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une liaison de fil d'or résistant à une température élevée pour des composants semiconducteurs.
Pour réaliser le contact électrique de composants semi-conducteurs on soude le point de liaison aluminium du composant semi-conducteur à un fil d'or. A la jonction entre le point de liaison aluminium et le fil d'or, du fait des températures d'utilisation élevées, à cause de l'augmentation de la température ambiante, notamment dans le domaine de la technologie automobile et des composants semi-conducteurs plus puissants, avec des puissances dégagées de plus en plus élevées, les conditions de fiabilité mécanique et électrique des composants augmentent de plus en plus.
Etat de la technique En reliant directement le point de liaison aluminium du composant semi-conducteur au fil d'or, notamment à des températures du composant semi-conducteur supérieures à environ 140 C, le développe-ment de phase intermétallique des partenaires de la liaison or et aluminium se fait de façon accélérée. L'origine du développement des phases intermétalliques est un procédé de diffusion entre les partenaires de la liaison. La vitesse de diffusion différente de l'or et de l'aluminium se traduit par le développement de pores dits de Kirkendall au niveau des points de liaison. Ces pores se traduisent par la défaillance mécanique et électrique de la liaison.
Selon le document A.J.G. Strandjord Interconnecting to aluminium- and copper-based semiconductors (electroless-nickel/gold for solder bumping and wire bonding), Microelectronics Reliability 42 (2002), pages 265 à 283, il est connu d'appliquer par un dépôt non électrique, du nickel et de l'or sur le point de liaison aluminium. Les points de liaison ainsi revêtus ont été mis en contact avec de l'or par Strandjord et ont été caractérisés selon le type de liaison et selon le développement de la température. La raison en a été l'application de revêtements nickel/or sur des composants semi-conducteurs avec des points de liaison de cuivre pour permettre la mise en contact de ces composants avec un fil d'or. On se reportera aux travaux de Strandjord pour les applications et les avantages du revêtement nickel/or dans le domaine de l'électronique à haute température.
Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu' on dépose une couche de catalyseur sur des points de liaison d'une 5 pastille, on dépose une barrière de diffusion métallique sur la couche de catalyseur ensuite on applique une couche d'or, et on relie le fil d'or à la couche d'or par un procédé d'assemblage par une liaison par matière. Dans d'autres termes, le procédé consiste à appli- quer le revêtement nickel/or chimiquement et sans utiliser de masque.
L'expression tenue à température élevée ou résistance à température élevée selon la présente invention signifie que la liaison de fil d'or résistant à température élevée pour la mise en contact du compo- sant semi-conducteur correspond à des températures de fonctionnement permanent comprises entre 140 C et 400 C, de préférence entre 150 C et 220 C, sans que le fonctionnement ne soit détérioré.
La réalisation du revêtement du point de liaison se fait sur la pastille dont le procédé de fabrication est terminé. Cela signifie que la pastille est déjà munie de points de liaison aluminium et qu'en dehors des points de contact elle porte une couche de passivation. Les points de liai-son aluminium sont réalisés en AISi(x%)Cu(y%). A l'aluminium on peut ainsi ajouter des teneurs en Si ou Cu avec des valeurs x et y comprises entre 0 % et 2 %. Comme couche de passivation on utilise de préférence une couche d'oxyde de silicium, de nitrure de silicium ou d'oxynitrure de silicium et/ou un polymère. La couche de passivation appliquée sur la pastille est obtenue par un dépôt chimique non électrique de métaux de revêtement pour former une couche exclusivement sur des métaux non passivés (de préférence des points de liaison).
Pour réaliser le revêtement nécessaire des points de liaison pour la liaison de fil d'or résistant à haute température on couvre tout d'abord le côté arrière de la pastille munie des points de liaison aluminium et de la couche de passivation. Le recouvrement utilisé à cet effet est choisi pour assurer l'isolation électrique et éviter un revêtement avec du métal. On utilise du vernis ou un film pour leurs propriétés isolantes électriques.
Selon une seconde étape, on enlève, à l'aide d'un mélange d'acides, les impuretés et les formations d'oxyde et d'hydroxyde des points de liaison aluminium au cours d'une seconde étape opératoire. Puis on applique une lessive de zincate pour déposer du zinc comme couche de catalyseur sur le dépôt de nickel, de manière sélective sur l'aluminium. La couche de zinc ainsi déposée a une épaisseur de préférence comprise en- tre 10 et 100 nm et en particulier une épaisseur d'environ 50 nm. Dans l'étape suivante, on applique du nickel sur le point de liaison aluminium revêtu de zinc par un dépôt non électrique dans un bain de nickel. La couche de nickel ainsi obtenue a une épaisseur de préférence de 0,5 à 10 m et notamment de 0,8 à 5 m. La couche de nickel peut contenir comme composant principal d'alliage du bore ou du phosphore. Comme dernière couche on applique une couche d'or obtenue par dépôt et/ou une couche d'or obtenue par réduction dans un bain d'or pour avoir la couche d'or sur les points de liaison aluminium. Le dépôt non électrique de l'or donne une couche ayant une épaisseur de préférence de 10 à 1000 nm et en particulier comprise entre 30 et 500 nm.
Comme dernière étape du revêtement des points de liaison, on a l'enlèvement du revêtement de la face arrière de la pastille sans détruire l'éventuelle couche de passivation organique de la face avant.
A côté du revêtement des points de liaison aluminium, le procédé décrit permet également de revêtir des points de liaison cuivre pour réaliser des liaisons résistantes à des températures élevées avec des fils d'or. A la différence du revêtement des points de liaison aluminium, dans le cas des points de liaison cuivre, on utilise toutefois du palladium comme couche de catalyseur à la place du zinc. La couche de palladium ainsi obtenue a de préférence une épaisseur de 10 à 100 nm et d'une manière préférentielle une épaisseur d'environ 50 nm.
Après l'application des revêtements sur la pastille et enlèvement du recouvrement du côté arrière, on découpe la pastille en différents composants semi-conducteurs et on applique ceux-ci sur des supports. La connexion des composants électroniques avec le support de circuit se fait à l'aide d'un fil d'or. Pour cela on relie le fil d'or une fois mis en forme (fusion de l'extrémité du fil pour former une bille d'or) par un procédé d'assemblage par la matière sans addition de matière complémentaire avec la couche d'or du point de liaison revètu. Comme procédé d'assemblage par la matière on utilise par exemple des procédés de soudage aux ultrasons et de manière très préférentielle un procédé de liaison thermosonique.
Les partenaires de liaison Au/Au se caractérisent par une excellente caractéristique de liaison. Du fait de la connexion par liaison monométallique, ce type de liaison ne subit aucun phénomène de vieillissement. La couche Ni fonctionne comme barrière de diffusion entre le point de liaison Al et le fil Au. On évite le développement de phases inter-métalliques Al/Au de sorte que l'on ne risque pas la formation de pores de Kirkendall même à des températures de circuit intégré dépassant 140 C, en particulier dans une plage de températures comprises entre 140 C et 400 C. Cela garantit la tenue en température des liaisons de fil d'or pro- posées selon l'invention même à des températures supérieures à 140 C.
De façon avantageuse, dans le cas du revêtement d'or de points de liaison, il apparaît que du fait de l'excellente caractéristique de liaison on a une fenêtre très large pour le procédé de liaison. Il en résulte un rendement plus élevé lorsqu'on relie les points de liaison au fil d'or. A la différence du point de liaison revêtu avec de l'or, dans le cas du point de liaison aluminium, on réduit le travail de liaison parce que le point de liai-son est occupé par des éléments d'oxyde ou d'hydroxyde. Du fait des meilleures caractéristiques de liaison par comparaison avec les points de liaison aluminium, le point de liaison revêtu avec de l'or permet de réduire la durée de soudage pour le soudage aux ultrasons des points de liaison au fil d'or. Cela permet d'augmenter le rendement. Un autre avantage des points de liaison revêtus par de l'or est que le soudage du fil d'or avec le point de liaison revêtu d'or se fait avec le même équipement que jusqu'à présent la liaison d'un fil d'or à un point de liaison aluminium. Cette corn- patibilité permet de réaliser des circuits hybrides et des modules à pas- tilles multiples sous la forme de pièces mixtes sans entraîner la mise en oeuvre de moyens supplémentaires. Le développement des points de liai-son dépend toujours des températures d'utilisation auxquelles sont exposés les composants semi-conducteurs liés selon l'invention à des fils d'or.
Ainsi, par exemple sur un circuit à composants semi-conducteurs avec des points de liaison aluminium et à des températures plus élevées avec des points de liaison aluminium métallisé nickel/or, on peut également utiliser des composants semi-conducteurs avec des points de liaison cuivre métallisé nickel/or et avec l'équipement de liaison existant, pour être reliés au support du circuit.
De façon analogue aux points de liaison aluminium, revêtus, dans le cas des points de liaison cuivre, par la couche de blocage de diffusion nickel on évite le développement de phases intermétalliques entre le cuivre et l'or et ainsi la formation de pores de Kirkendall.
Les liaisons de fil d'or ainsi réalisées à l'aide du procédé selon l'invention peuvent être exposées à des températures de 140 C et plus sans que leur fonctionnement ne risque d'être mis en cause. Ainsi, en particulier, pour la technique automobile, pour les générations futures d'appareils de commande exposés à des températures ambiantes élevées et/ou des puissances perdues importantes, on aura une possibilité de connexion électrique résistant en températures élevées réalisable de ma- nière économique grâce au développement sans nécessiter de masque pour le revêtement des points de liaison.
Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels: la figure 1 montre un détail d'une pastille avec un point de liaison d'aluminium et revêtement d'oxyde ainsi qu'une face arrière couverte, - la figure 2 montre un détail de la pastille de la figure 1 avec une couche de catalyseur sur le point de liaison d'aluminium, - la figure 3 montre un détail de la pastille des figures 1 et 2 avec une 20 barrière de diffusion et une couche d'or, - la figure 4 montre un détail de la pastille de la figure 3 avec un fil d'or à contact direct, la figure 5 montre un détail de la pastille de la figure 3 avec une bille d'or et mise en contact du fil d'or.
Description de modes de réalisation
La figure 1 montre un détail d'une pastille avec un point de liaison d'aluminium et une couche de passivation. Pour réaliser le contact de la pastille 1 en général constituée par un monocristal de silicium, on munit la pastille 1 d'un point de liaison d'aluminium 2. En dehors du point de liaison 2, la pastille 1 est couverte d'une couche de passivation 3 pour la protéger contre les dommages mécaniques et l'influence de l'environnement. Comme couche de passivation 3 on utilise par exemple des couches d'oxyde de silicium, de nitrure de silicium ou d'oxynitrure de silicium ou encore d'un polymère, par exemple un polyimide. Du fait de la forte réactivité de l'aluminium il se forme sur le point de liaison d'aluminium 2, une couche d'oxyde 5 au contact de l'oxygène de l'atmosphère ambiante.
Pour réaliser le revêtement d'or du point de liaison d'aluminium selon l'invention, pour une liaison par bonding résistant aux températures élevées, on applique tout d'abord un revêtement arrière 4 sur le dos de la pastille 1. Le revêtement arrière 4 utilise de la matière sta- ble chimiquement vis-à-vis des acides et des bases et servant à l'isolation électrique de la face arrière de la pastille. On évite également de déposer des métaux sur la face arrière. Comme matière de revêtement de la face arrière 4 on utilise par exemple des films ou des vernis.
Après application du revêtement de la face arrière 4, dans une seconde étape on enlève le dépôt d'oxyde 5 sur le point de liaison d'aluminium 2. Pour cette étape encore appelée étape d'activation, on utilise un mélange d'acides non organiques. La figure 2 montre le détail de la pastille de la figure 1 avec une couche de catalyseur appliquée sur le point de liaison d'aluminium.
Après enlèvement des parties oxydées 5 du point de liaison d'aluminium 2 on applique une lessive de zincate à la pastille 1 munie de son revêtement de la face arrière 4. La lessive de zincate dépose du zinc sur le point de liaison d'aluminium 2 dont on a enlevé les parties oxydées 5. La couche de zinc ainsi formée sert de couche de catalyseur 6 pour le dépôt de nickel; cette couche a de préférence une épaisseur de 10 à 100 nm et de manière préférentielle une épaisseur de 50 nm.
Si la pastille 1 est munie de points de liaison de cuivre à la place de points de liaison d'aluminium 2, on applique sur le point de liai-son une couche de palladium à la place de la couche de zinc pour former la couche de catalyseur 6. Pour appliquer la couche de palladium on utilise de préférence un complexe de palladium qui catalyse le dépôt de nickel sur le point de liaison de cuivre. L'application de la couche de palladium se fait sous la forme d'un dépôt sans courant électrique. La couche de palladium ainsi appliquée a de préférence une épaisseur de 10 à 100 nm et de manière préférentielle une épaisseur d'environ 50 nm.
La figure 3 montre le détail de la pastille des figures 1 et 2 munie d'une barrière de diffusion et d'une couche d'or sur le point de liai-son d'aluminium.
Après le dépôt du zinc à partir de la lessive de zincate sur le point de liaison d'aluminium 2, on applique par un dépôt non électrique de nickel, une barrière de diffusion 7 sur la couche de catalyseur 6. La couche formant barrière de diffusion 7 peut comporter comme compo- sants principaux d'alliage du bore ou du phosphore. La couche formant barrière de diffusion 7 a de préférence une épaisseur de 0,5 à 10 gm et d'une manière particulièrement préférentielle une épaisseur de 0,8 à 5 m. Après dépôt du nickel on peut en option faire un dépôt non électrique de palladium.
Le dépôt de nickel et le cas échéant de palladium sur le point de liaison aluminium 2 se poursuit par le dépôt non électrique d'or pour former une couche d'or 8. Le revêtement avec de l'or se fait de préférence sous la forme d'or de dépôt et/ou de réduction. La couche d'or 8 obtenue par dépôt non électrique présente une épaisseur de 10 à 1000 nm et de façon préférentielle une épaisseur de 30 à 500 nm.
Après application de la couche d'or 8 sur le point de liaison aluminium 2 on enlève le revêtement du côté arrière 4 de la pastille 1. Puis on scie la pastille 1 en composants semi-conducteurs distincts et on les installe sur des supports de circuit appropriés.
La figure 4 montre un détail de la pastille de la figure 3 dont le revêtement du côté arrière a été enlevé ; le fil d'or est mis directement en contact.
La liaison entre le point de liaison revêtu de l'élément semi-conducteur et du support de circuit se fait avec un fil d'or 9. Pour cela on effectue la liaison par un procédé thermosonique pour relier l'extrémité du fil d'or 9 en foi iue de bille 10 à la couche d'or du point de liaison 2. Le procédé de liaison thermosonique est un procédé de soudage aux ultra-sons. La bille 10 à l'extrémité du fil d'or est transformée par le procédé d'assemblage pour prendre la forme représentée à la figure 4.
En variante, comme le montre la figure 5, on peut appliquer sur le point de liaison 2 tout d'abord par un procédé thermosonique, une bille d'or sans le fil de branchement sous la forme d'une boule d'or 11. Cette boule d'or est alors transformée par le procédé d'assemblage en une bosse d'or 11. Ensuite on met le fil d'or 9 en contact avec la bosse d'or 11 par soudage aux ultrasons.
La liaison ainsi réalisée entre le fil d'or 9 et la couche d'or 8 du point de liaison d'aluminium 2 se caractérise en ce que la liaison ne subit aucun mécanisme de vieillissement. La couche de blocage de diffusion 7 interdit tout développement de phases intermétalliques entre l'aluminium et l'or. Ainsi, on ne rencontre pas l'image de la formation de pores de Kirkendall à des températures du composant semi-conducteur supérieures à 140 C. s
NOMENCLATURE
1 pastille 2 point de liaison aluminium/point de liaison cuivre 3 couche de passivation 4 revêtement de la face arrière formation d'oxyde 6 couche de catalyseur 7 couche de blocage de diffusion 8 couche d'or 9 fil d'or bille d'or transformée par le procédé d'assemblage 11 bosse d'or

Claims (12)

REVENDICATIONS
1 ) Procédé de fabrication d'une liaison de fil d'or résistant à une température élevée pour des composants semi-conducteurs, caractérisé en ce qu' on dépose une couche de catalyseur (6) sur des points de liaison (2) d'une pastille (1), on dépose une barrière de diffusion métallique (7) sur la couche de catalyseur (6) ensuite on applique une couche d'or (8), et on relie le fil d'or (9) à la couche d'or (8) par un procédé d'assemblage par une liaison par matière.
2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé d'assemblage est un procédé de soudage aux ultrasons.
3 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on réalise le point de liaison (2) en aluminium, la couche de catalyseur (6) 20 en zinc et la barrière de diffusion (7) en nickel.
4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on réalise le point de liaison (2) en cuivre, la couche de catalyseur (6) en 25 palladium et la barrière de diffusion (7) en nickel.
5 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on applique une couche supplémentaire de palladium entre la couche 30 formant barrière de diffusion (7) et la couche d'or (8).
6 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on effectue le revêtement du point de liaison (2) sans utiliser de masque.
7 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on applique la couche de catalyseur (6), la couche formant barrière de diffusion métallique (7) et la couche d'or (8) sans utiliser de courant électrique, par dépôt chimique sur le point de liaison (2).
8 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' on applique la couche de palladium sans utiliser de courant, par dépôt chimique sur la couche formant barrière de diffusion (7).
9 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on relie le fil d'or (9) directement à la couche d'or (8) du point de liaison (2) après mise en foi correspondante.
10 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on applique tout d'abord une bosse d'or (11) sur la couche d'or (8) par un procédé d'assemblage et ensuite on réalise une mise en contact du fil d'or sur la bosse d'or (11).
11 ) Liaison de fil d'or pour des composants semi-conducteurs obtenue selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu' on l'utilise dans une plage de température comprise entre 140 C et 400 C.
12 ) Liaison de fil d'or selon la revendication 11, caractérisée en ce qu' on l'utilise dans une plage de température comprise entre 150 C et 220 C.
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