铜合金接合线技术领域
本发明关于一种铜合金接合线，其适合将用于半导体装置的IC晶片电极与外部
引线架等的基板连接。
背景技术
一般而言，在铜接合线与电极的第一接合之中，是使用称为球焊的方式；在铜接
合线与半导体用电路配线基板上的配线的楔形接合之中，是使用称为楔焊的方式。第
一接合，是以放电结球(EFO，electronic frame off)方式从炬电极(torch electrode)对
线材的前端施加热电弧，以使线材的前端形成被称为焊球(FAB)的正球。接着，一边
以焊针(capillary)将该FAB按压于经在150-300℃的温度范围内加热的铝垫上，一
边施加超音波(超声波)，以使接合线与铝垫接合。
接着，一边抽出接合线一边使焊针上升，并一边朝向引线架绘制回路一边将焊针
移动至楔焊处。若以图示进行说明，以焊针进行的楔焊则如图1所示，可将接合线1
楔焊于引线架3。此时，经楔焊的接合线1的端部被焊针2的前端部压扁，如图2所
示，接合处的线材面积变为最小。再者，之后切除接合线1。若以位于焊针2上部的
线材夹持器4夹住接合线1并将其向上拉起，则如图3所示，在残留的接合线1的前
端部分，线材可简单地被切断。
接着，将焊针移动至第一接合处，此步骤在图示中省略。接着，在放电炬(discharge
torch)的位置进行火花放电，在接合线的前端形成熔融焊球(FAB)，以使接合线与铝垫
进行第一接合。重复这样的接合循环，通过接合线1依序将垫片与引线架3之间连接。
接合线1被图1左侧的焊针2的前端部压扁，故被切断的接合线1依照既定的杨
氏系数而变形。该变形形状在金(Au)的情况与铜(Cu)的情况会不同。金接合线的情况
下，虽为软质但细微结构牢固，故不会产生下述变形为J字形的形状的问题。
具有双重芯结构的贵金属接合线的情况，同样不会产生问题。再者，有人提出一
种接合线，其是应用容易形成剖面结构为双重芯的线材的性质。例如，日本特开昭
59-48948号公报的请求项4中揭示了一种金接合线，其构成纤维组织(111)存在于线
材芯部之中且纤维组织(100)存在于线材表层之中的形式。
另一方面，由铜(Cu)的纯金属或铜(Cu)合金所构成的线材，若在连续铸造后进行
连续拉线，则会取决于总剖面减少率在外围部与中心部形成不同的纤维组织，而容易
形成剖面结构为双重芯的线材。若总剖面减少率为96-99％，则优先方向变成<111>
与<100>(1990年日本塑性加工学会编《拉伸加工》85页)。迭差能(stacking fault energy)
对此发挥重要的作用(N.Brown Trans.Met.Soc.AIME，221卷(1961)236页)。因此，
由纯铜或铜合金所构成的线材，一般将其进行中间退火。中间退火的时期很重要，一
般认为1次拉线加工的容许界限大概为95％附近，且为了避免2次加工中在加工初期
阶段产生{hkl}<111>方向，插入中间退火步骤十分重要。(稻数直次等，日本金属学
会杂志第47卷第3号(1983年)266页)。
又，日本特开2013-139635号公报的请求项1中揭示了一种合金线材，其是由选
自包含银-金合金、银-钯合金及银-金-钯合金的群组中任一种的材料所构成，该合金
线材具有面心立方晶格的多晶结构，且包含多个晶粒，该合金线材的中心部包含细长
的晶粒或等轴晶粒，该合金线材的其他部分由等轴晶粒所构成，包含退火双晶的该晶
粒的数量为该合金线材的该晶粒总量的20％以上。
又，日本再公表专利2013/111642号公报的请求项1中亦揭示了一种接合线，其
具有以铜为主要成分的芯材及钯延伸层的接合线，其中：该芯材的中心具有铜在轴向
上延伸的纤维状组织。
又，日本特开2004-31469号公报的请求项1中揭示了一种半导体装置用金接合
线，其中：在接合线的长边方向剖面的晶粒组织中，将线材的半径作为R、将从该线
材中心到R/2的部分作为中心部、将其外侧作为外围部时，针对“中心部中线材长边
方向的结晶方向之中，具有[111]方向的晶粒的面积相对于具有[100]方向的晶粒的面
积的比例Rc”，及“外围部中线材长边方向的结晶方向之中，具有[111]方向的晶粒的
面积相对于具有[100]方向的晶粒的面积的比例Rs”，两者的差分(difference)比例的绝
对值|1-Rc/Rs|×100(％)为30％以上。
再者，日本特开2009-140942号公报的请求项1中提出了一种半导体装置用接合
线，其包含由导电性金属所构成的芯材及该芯材上以与芯材不同的金属为主要成分的
薄延伸层的半导体装置用接合线，其中：该薄延伸层的金属为面心立方晶体，该薄延
伸层表面的结晶面中长边方向的结晶方向<hkl>之中，<111>与<100>的占有比例皆小
于50％；日本特开2009-158931号公报的请求项1中提出了一种半导体装置用接合线，
其包含由导电性金属所构成的芯材及该芯材上以与该芯材不同的金属为主要成分的
薄延伸层的半导体装置用接合线，其中：该薄延伸层的金属为面心立方晶体，该薄延
伸层表面的结晶面中长边方向的结晶方向<hkl>之中，<111>的占有比例为50％以上。
然而，若在将铜(Cu)接合线进行楔焊后将线材切断，则如图4所示，具有稍微弯
曲成J字形的问题。
此外，铜接合线中，线径粗至25μm的情况下，亦几乎很少看到变形成这种J字
形的线材。然而若使接合线的线径低至20μm，而使其变细且接合速度变快，则变形
成J字形的线材开始出现。若接合线存在这样的前端部分，则在绘制回路时会导致回
路形状歪斜。又，其具有“火花电流无法顺利击中接合线的前端，而成为使FAB变
成扁平之异形焊球的原因”的情况。又，若J字形的变形太严重，则变成如以往所发
现的Z字形的变形，而成为焊针阻塞的原因。
又，由10-500ppm的磷(P)及剩余部份为纯度99.9％以上的铜(Cu)等所构成的铜合
金接合线，磷(P)的浓化层容易在接合线表面偏析，而难以得到均质的机械特性，此
为另一课题(日本特开平7-122564号公报)。
为了解决这些课题，以往是通过改进接合装置应对，但这些做法并不顺利。亦即，
以往是先在楔焊后闭合线材夹持器并将接合线往上方稍微拉伸。在使接合线上形成缩
颈部分的状态下，暂时松开线材夹持器。接着，闭合线材夹持器再次强力拉扯线材，
以将接合线从该缩颈部分切断(日本特开2007-66991号公报)。以往是通过这种线材夹
持器的操作来解决接合线的机械性质的缺陷。
然而，以往的接合装置所进行的改进，多余的线材夹持器操作会延长一次接合循
环的时间，因此特别在20μm以下的细径接合线的情况下，接合的作业效率极差。
发明内容
为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种通过统一结晶粒径、使
其为无方向性，而使切断端部不会从接合线的剖面积内伸出的铜合金接合线。
本发明是用以解决下述技术问题：在楔焊后将铜合金接合线直接向上拉起以在最
短时间内切断这样的第二接合的楔焊步骤中，线材前端变形成J字形。本发明的目的
在于提供一种通过统一结晶粒径、使其无方向性，而使切断端部不会变形成J字形的
铜合金接合线。
以往变形成J字形的原因，可参照图1理解如下。在将接合线1楔焊于引线架3
后，使焊针2上升。如此，可在焊针2的前端抽出接合线1。在成为使既定长度的接
合线1延伸出焊针2前端的状态后，将位于焊针2上方的线材夹持器4闭合以保持接
合线1，使线材夹持器4与焊针2一起上升。
如此，接合线1依照杨氏系数拉伸，通过进一步上升，接合线1被扯断。接合线
1的弹性能因该切断而释放。此时若在线材夹持器4与切断处之间的接合线1具有机
械强度较弱的地方，则具有能量集中于该较弱的地方而使线材稍微弯曲成J字形的情
况(回弹)。本案发明人等发现这是接合线1稍微弯曲成J字形的原因。
用以解决本发明技术问题的铜合金接合线，其单位剖面积的铜合金的晶粒为
50-250个，其最大粒径为接合线直径的1/3以下，且为<111>或<100>等的特定方向皆
在40％以下的无方向性。此处，本发明中的特定方向，是指相对某个方向的配向在±20°
的容许角度内的情况。
本发明的一实施方式中，该铜合金是由下述成分所构成：金(Au)为100质量ppm
以上3000质量ppm以下、银(Ag)为10质量ppm以上1000质量ppm以下、磷(P)为
5质量ppm以上500质量ppm以下、其他杂质元素的总量为100质量ppm以下及剩
余部份为铜(Cu)。
又，本发明的另一实施方式中，该铜合金是由下述成分所构成：镍(Ni)、钯(Pd)
或铂(Pt)为0.02质量％以上1质量％以下、磷(P)为5质量ppm以上500质量ppm以
下、其他杂质元素的总量为100质量ppm以下及剩余部份为铜(Cu)。
又，本发明的另一实施方式中，该铜合金的芯材被钯(Pd)延伸层所被覆。
又，本发明之另一实施方式中，该铜合金的芯材被钯(Pd)延伸层及金(Au)薄延伸
层所被覆。
又，本发明的另一实施方式中，该晶粒为80-200个。
又，本发明的另一实施方式中，该最大粒径为接合线直径的1/5以下。
又，本发明的另一实施方式中，其为该特定方向皆在38％以下的无方向性。
本发明提供了一种铜合金接合线，其单位剖面积的铜合金的晶粒为50-250个，
其最大粒径为接合线直径的1/3以下，且为特定方向皆在40％以下的无方向性。
根据本发明所述的铜合金接合线，优选地，该铜合金是由下述成分所构成：金(Au)
为100质量ppm以上3000质量ppm以下、银(Ag)为10质量ppm以上1000质量ppm
以下和/或磷(P)为5质量ppm以上500质量ppm以下；其他杂质元素的总量为100
质量ppm以下；及剩余部份为铜(Cu)。
根据本发明所述的铜合金接合线，优选地，该铜合金是由下述成分所构成：镍
(Ni)、钯(Pd)或铂(Pt)为0.02质量％以上1质量％以下；磷(P)为5质量ppm以上500
质量ppm以下；其他杂质元素的总量为100质量ppm以下；及剩余部份为铜(Cu)。
根据本发明所述的铜合金接合线，优选地，该铜合金的芯材被钯(Pd)延伸层所被
覆。
根据本发明所述的铜合金接合线，优选地，该铜合金的芯材被钯(Pd)延伸层及金
(Au)薄延伸层所被覆。
根据本发明所述的铜合金接合线，优选地，该晶粒为80-200个。
根据本发明所述的铜合金接合线，优选地，该最大粒径为接合线直径的1/5以下。
根据本发明所述的铜合金接合线，优选地，所述的特定方向皆在38％以下的无方
向性。
在本发明中，使单位剖面积的铜合金的晶粒为50-250个，是因为即使在接合线
的长边方向形成双重芯结构的组织，在楔焊后接合线亦容易沿着晶粒边界被扯断。若
晶粒小于50个，则在最终的调质热处理中，容易在接合线中形成粗大的晶粒。又，
若晶粒超过250个，则接合线变硬，回路形状不稳定。晶粒较佳为80-240个。晶粒
更佳为100-220个。
在本发明中，使晶粒的最大粒径为接合线直径的1/3以下，是因为若具有巨大的
晶粒，则线材容易在该处弯曲。接合线的弯曲成为倾斜不良、回路形成不良、或线材
变形(wire deformation)的原因。最大粒径较佳为接合线直径的1/5以下。更佳为1/8
以下。
在本发明中，成为特定方向皆在40％以下的无方向性，是为了避免接合线形成双
重芯结构。因为若<100>等在0°到小于20°的范围的特定方向超过40％，则接合线的
扯断方式因有无特定方向而不同。特定方向较佳为38％以下。更佳为37％以下。此
外，设定20°而非15°，是为了从细微的接合线尽量收集更多资讯量。
本发明中的铜合金较佳为由下述成分所构成：金(Au)为100质量ppm以上3000
质量ppm以下、银(Ag)为10质量ppm以上1000质量ppm以下或磷(P)为5质量ppm
以上500质量ppm以下、其他杂质元素的总量为100质量ppm以下及剩余部份为铜
(Cu)。磷(P)的含量更佳为200质量ppm以下。通过金(Au)与银(Ag)的加乘效果将铜合
金原料金属中所包含的氧固定，且亦可防止磷(P)的表面偏析，故最佳为使3种元素
共存。又，既定量的金(Au)，可提高铜合金的杨氏系数。
又，本发明中的铜合金较佳为由下述成分所构成：镍(Ni)、钯(Pd)或铂(Pt)为0.02
质量％以上1质量％以下、磷(P)为5质量ppm以上500质量ppm以下、其他杂质元
素的总量为100质量ppm以下及剩余部份为铜(Cu)。磷(P)的含量更佳为200质量ppm
以下。因为镍(Ni)将铜合金原料金属中所包含的氧固定，且亦可防止磷(P)的表面偏析。
铜合金基质中的既定量的镍(Ni)细微地分散，而将氧固定。又，既定量的镍(Ni)，可
提高铜合金的杨氏系数。
此处，使其他杂质元素的总量为100质量ppm以下，是为了防止在铜合金基质
中形成卑金属元素的氧化物。因为若在铜的晶粒边界形成卑金属元素的氧化物，则回
弹的接合线容易变形。其他杂质元素的总量较佳为50质量ppm以下，若忽略原料金
属价格，更佳为5质量ppm以下。例如，若使用公称6N(99.9999质量％)以上的纯度
的铜原料金属，则其他金属元素的总量小于1质量ppm。此外，“其他杂质元素”是
指硫(S)、氧(O)等。因为若存在超过10质量ppm的硫(S)，则具有FAB变硬而在第一
接合时发生晶片断裂的情况。然而，一般的接合线用的铜合金中，不会包含超过10
质量ppm的硫(S)。
此外，本发明的铜合金，可使用6N至4N的高纯度铜合金母材。该母材中，一
般含有0.2质量ppm以上50质量ppm以下的氧。该等氧量，即使将铜合金母材进行
再溶解、铸造、一次拉线、中间热处理、二次拉线、最终热处理、保管等，本发明的
铜合金组成亦几乎不会变化。若铜(Cu)基质中含有氧，则卑金属元素容易形成氧化物，
故较佳为尽量减少氧含量。此外，一般高纯度铜合金中会除去气体成分的铜合金(青
木庄司等，铜与铜合金杂志，2003年1月，第42卷第1号21页)。
又，在本发明中，较佳为于铜合金的芯材被覆钯(Pd)延伸层。再者，更佳为于铜
合金的芯材被覆钯(Pd)延伸层及金(Au)薄延伸层。这是因为在楔焊后接合线容易被扯
断。此处，“延伸层”及“薄延伸层”的表达，虽未必能正确地表达实际的表面形态，
但其是将从接合线的表面检测出钯(Pd)及金(Au)的微粒子在深度方向的范围作为理论
上的膜厚，方便上以存在厚度的“层”来表达。本发明的接合线的膜厚极薄，故只要
可通过高频感应耦合电浆原子发射光谱法(ICP-AES)从接合线的表面检测出微粒子，
则判定为存在“延伸层”及“薄延伸层”。
此外，在本发明的铜合金接合线中，即使其被覆钯(Pd)延伸层、或是钯(Pd)延伸
层及金(Au)薄延伸层，因该等延伸层极薄，故几乎不影响铜合金芯材的杨氏系数。钯
(Pd)延伸层具有延迟铜合金细线的氧化的效果。又，在被覆金(Au)薄延伸层的情况下，
具有下述效果：使从铜合金中表面析出的硫(S)等元素固定化，同时使电流流通过不
佳的钯(Pd)延伸层的火花放电稳定化。
在本发明中，为了得到单位剖面积的铜合金的晶粒为50-250个、其最大粒径为
细线直径的1/3以下、<111>或<100>等的特定方向皆在40％以下的无方向性的细线，
可使用现有技术中的制造技术。例如，昭和60年(西元1985年)7月1日近代编辑社
股份有限公司发行的稻数直次著《金属拉伸》第9章“再结晶纤维集合组织与二次加
工中”的“9.3二次加工性与纤维组织”中详细叙述了高纯度铜的一次、二次拉线加
工与中间退火的关系。接合线的拉线加工，此书中的最终缩面率为99％以上，于此施
加调质热处理。本发明中，只要使一次拉线加工率为95-99.99％以下并进行适当的中
间退火，即可制造本发明的铜合金接合线。
本发明铜合金结合线的有益技术效果：
根据本发明的铜合金接合线，其楔焊时从变得最细的接合线处被切断，故具有可
提供一种接合线的前端不会弯曲成J字形、切断端部不会从接合线的剖面积内伸出的
铜合金接合线的效果。又，若接合线的形状稳定，则亦具有第一接合时的FAB不会
变成异形焊球的效果。再者，由于仅通过将接合线往上拉起即可简单地将接合线切断，
故具有缩短接合步骤时间的效果。又，从20μm至15μm，线材径越小越能发挥本发
明的效果。
又，根据本发明的实施方式所提供的铜合金接合线，铜基质中未分散卑金属氧化
物，故线材本身柔软。又，第一接合时的火花放电的位置亦为稳定，故即使钯(Pd)延
伸层、或是钯(Pd)延伸层及金(Au)薄延伸层的被覆比以往薄，亦具有第一接合时的FAB
稳定的效果。
再者，本发明的实施方式所提供的铜合金接合线，于线材最表面设置金(Au)延伸
层的情况下，即使线材彼此多重卷绕而卷绕1万公尺，线材彼此亦不会粘着。结果，
线材的解卷性变佳。又，作为附加效果，线材表面对焊针的滑动性变佳。又，根据本
发明的铜合金接合线，线材最表面的金(Au)微粒子不会从钯(Pd)的延伸层剥离。因此，
即使重复多次接合，铜(Cu)的氧化物亦不会附着于焊针，故焊针不会脏污。
附图说明
图1为由本发明的铜合金细线的楔焊所得到的接合线的剖面图；
图2为显示铜合金细线的楔焊步骤的立体图；
图3为由铜合金细线的楔焊所得到的接合状态的剖面图；
图4为弯曲成J字形的接合线的剖面图。
主要附图标号说明：
1、接合线；
2、焊针；
3、引线架；
4、线材夹持器。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体
实施例及说明书附图对本发明的技术方案进行以下详细说明，然而，可轻易了解本发
明实施例提供许多合适的发明概念而可实施于广泛的各种特定背景。所揭示的特定实
施例仅用于说明以特定方法制作及使用本发明，并非用以局限本发明的范围。再者，
在本发明实施例的图式及说明内容中使用相同的标号来表示相同或相似的部件。
实施例
芯材使用纯度为99.9998质量％(5N)的铜(Cu)，并将磷(P)及镍(Ni)、再者钯(Pd)、
铂(Pt)、金(Au)及银(Ag)作为添加元素。作为卑金属元素，选择高纯度铜一般含有的
元素。亦即，适当选择铋(Bi)、硒(Se)、碲(Te)、锌(Zn)、铁(Fe)、镍(Ni)及锡(Sn)。将
在既定范围内掺合这些金属的实施方式分别作为实施例1-实施例5。
接着，将其溶解并进行连续铸造，之后，在使剖面减少率为95-99.99％以下的范
围内进行第一次拉线，得到被覆延伸材料前的粗线(直径1.0mm)。接着，进行中间热
处理(300-600℃处理0.5-3小时)(实施例4、实施例5)或不进行中间热处理(实施例1-
实施例3)。之后，因应需求设置金(Au)的薄延伸层(实施例4、实施例5)及钯(Pd)的延
伸层(实施例3-实施例5)。通过钻石拉线模以湿式将这些半成品线材连续进行剖面减
少率99％以上的第二次拉线，并在480℃下进行1秒的调质热处理，最终得到直径为
15μm的铜合金接合线。此外，平均缩径率为6-20％，最终线速为100-1000m/分钟。
又，金(Au)的纯度为99.9999质量％以上，钯(Pd)的纯度为99.999质量％以上。
晶粒测定
接合线的单位剖面积的晶粒测定是以如下方式进行。亦即，使用离子铣装置(型
号：Hitachi High-Technologies公司制IM4000)将实施例1的接合线切断。接着，使
用FE-SEM(日本电子公司制JSM-7800F)观察其剖面。又，使用EBSD装置(TSL公
司制OIM Data Collection System)计算单位剖面积的晶粒个数。该测定结果显示于表1
右栏。
方向测定
接合线的方向测定，是使用FE-SEM(日本电子公司制JSM-7800F)、及EBSD装
置(TSL公司制OIM Data Collection System)而进行。该测定结果显示于表1右栏。
接合线的弯曲试验
接合线的弯曲试验是以如下方式进行的。亦即，使用引线接合机(新川公司制
UTC-3000)，以超音波(超声波)输出100mA、接合载重90gf的条件，在周围温度
为25℃的镀银(Ag)铜(Cu)板上进行100条楔焊。接着，该楔焊结束后，如图1所示，
使焊针2上升并从焊针2的前端抽出接合线1，之后闭合线材夹持器4后，使焊针2
与线材夹持器4一起上升，在使既定长度的接合线1延伸出焊针2前端的状态下切断
线材。进行一千次此试验，并以放大投影机检查接合线的弯曲条数。该测定结果显示
于表1右栏。
比较例
将表1所显示的组成的接合线作为比较例1及2。该等比较例1及比较例2的线
材，晶粒的个数偏离范围，且分别具有固有的优先方向。亦即，比较例1的线材，其
中间热处理温度高于实施例5的线材，故其晶粒的个数为较少的13个，<100>的优
先方向为整体的57％。又，比较例2的线材，其一次拉线加工的剖面减少率高于实施
例3的线材，故未发现晶粒而标示为无数。又，<111>的优先方向为整体的45％，<100>
的优先方向为整体的10％。
与实施例相同地，对该等比较例1及2的接合线进行晶粒测定、方向测定、接合
线的弯曲试验及伸出试验，得到表1右栏的结果。
由该等试验结果明显可知，本发明的全部实施例，其具有适当的晶粒，且无优先
方向，故接合线的前端不会弯曲成J字形。另一方面，比较例1及2的线材，接合线
前端弯曲成J字形的条数分别为8条及14条。因此可知比较例的线材亦对FAB造成
影响。
产业上的可利用性
本发明的铜合金接合线，可取代以往的金合金线材，除了通用于IC、离散式积
体电路(Discrete IC)、记忆体IC以外，亦具有用于高温高湿且要求低成本的LED用
的IC封装、汽车半导体用IC封装等的半导体用途。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术
领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可更动与组合上述各种实施例。