一種金合金鍵合絲及其制造方法
【專利摘要】一種金合金鍵合絲，其特征在于按重量計含有：鈀1－1.5%，銀20－24%，鈣、鈹和鈰中的一種和其中多種的組合2－200 ppm，余量為金。本發(fā)明還提供上述金合金鍵合絲的一種制造方法。本發(fā)明的金合金鍵合絲可用于IC、LED封裝中，綜合打線性能優(yōu)異，具體體現(xiàn)在：熱影響區(qū)長度?。蛇_到53－60 um），極大地降低了打線的弧高；燒球性能好，在FAB燒球后得到數(shù)目適中的對稱柱狀晶，變形球真圓度高；封裝后產(chǎn)品熱沖擊性能好，可靠性高。
【專利說明】
一種金合金鍵合絲及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及IC、LED封裝用的鍵合絲，具體涉及一種適合于低弧度打線封裝用的金 合金鍵合絲及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鍵合絲(bonding wire，又稱鍵合線)是連接芯片與外部封裝基板(substrate)和/ 或多層線路板(PCB)的主要連接方式。鍵合絲的發(fā)展趨勢，從產(chǎn)品方向上，主要是線徑細微 化、高車間壽命(floor life)以及高線軸長度;從化學成分上，銅線（包括裸銅線、鍍鈀銅 線、閃金鍍鈀銅線)在半導(dǎo)體領(lǐng)域大幅度取代金線，而銀線和銀合金線在LED以及部分1C的 封裝應(yīng)用上取代金線，另外一個重要發(fā)展方向是發(fā)展金合金線來進一步降低成本，并且保 持或提高鍵合過程的各項性能要求。
[0003] 由于市場上電子產(chǎn)品小型化和細西場D薄化的發(fā)展要求，半導(dǎo)體行業(yè)通過芯片厚 度減薄(Wafer thinning)，封裝采用芯片堆棧(Die stacking)、倒裝芯片(flip chip)、晶 圓級封裝(wafer level packaging)、2.5D和3D封裝等方法來應(yīng)對。然而，傳統(tǒng)的鍵合封裝 (wire bonding)仍然是主流封裝形式，在芯片堆棧中得到大量的應(yīng)用，其中如何獲得低弧 高的打線仍然是獲得低厚度封裝的重要方式;在LED行業(yè)對于封裝體的低高度也是重要的 訴求，封裝高度越低，則出光率越高，價值越高。以往這方面主要通過反向打線（SSB， standoff stitch bond)的方法來實現(xiàn)，但是該方法會降低生產(chǎn)效率，因為同正常的打線相 比，SSB整個焊接過程多了一個球焊的過程(SSB需要先在正常第一焊點位置種上一個球，在 原來的第二焊點位置進行球焊后，經(jīng)過拉弧線到第一焊點種球上進行第二焊點的打線）。另 外一種常見的做法是利用摻雜技術(shù)(Doping)來降低熱影響區(qū)（heat affected zone，簡稱 HAZ)的長度，并通過正常鍵合過程來降低弧高。正常打線的拉弧線初始階段，瓷嘴通常需要 向拉弧線的相反方向移動一段距離，再轉(zhuǎn)向正常的拉弧線方向，這種反向移動的一個重要 作用就是要對熱影響區(qū)進行冷加工，使得熱影響區(qū)變硬而增加其直立性。顯然，熱影響區(qū)長 度對最后的弧高有決定性的作用，而這種冷加工的硬化作用，使得線材在初始彎曲點的位 置更加偏離到熱影響區(qū)的上部甚至超出熱影響區(qū)范圍（當熱影響區(qū)為60um時，弧高通常為 70 -80um)。
[0004] 金線的合金化以降低成本，也是線材發(fā)展的一個方向。中國發(fā)明專利申請 CN103155129提出了當合金元素 Cu、Ag、Pd、Pt的含量在0.5 - 30%之間變化時，線材的伸長 率(EL)在450 - 650 °C的熱處理范圍內(nèi)隨溫度的變化率會變得平緩，但沒有提及如何降低弧 高，而且也沒有描述是否能滿足鍵合的其它基本性能要求(例如變形球的真圓度以及可靠 性)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種金合金鍵合絲以及這種金合金鍵合絲的 制造方法，這種金合金鍵合絲可用于IC、LED封裝中，熱影響區(qū)長度小，打線的弧高較低，變 形球真圓度高，可靠性高，綜合打線性能優(yōu)異。采用的技術(shù)方案如下： 一種金合金鍵合絲，其特征在于按重量計含有:鈀1 一 1.5%，銀20 - 24%，鈣、鈹和鈰中的 一種和其中多種的組合2 - 200 ppm，余量為金。
[0006] 上述金合金鍵合絲在線材結(jié)構(gòu)上存在長軸晶區(qū)，其存在于以金合金鍵合絲中心軸 線為對稱線、半徑為1/6R - 1/4R的圓柱體內(nèi)，其中R為金合金鍵合絲的半徑(也就是說，長軸 晶區(qū)存在于以金合金鍵合絲中心軸線為對稱線、半徑為金合金鍵合絲的半徑的1/6 -1/4的 圓柱體內(nèi)）；長軸晶區(qū)內(nèi)以長軸晶為主，長軸晶在金合金鍵合絲剖面的FIB-SEM圖（FIB-SEM 圖是指通過聚焦離子束沿線軸方向切割線材所得剖面在掃描電子顯微鏡下的放大圖像)上 的面積比率占80%以上。長軸晶的定義為晶體的縱橫比（即晶體擬合橢圓的長度與短軸長度 之比）大于2.5。
[0007] 上述鈣(Ca)、鈹(Be)、鈰(Ce)用以改進鍵合絲的機械性能。
[0008] 本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，在金合金鍵合絲中銀(Ag)含量在20 - 24%范圍時，僅僅添加含量在 2 - 200 ppm之間的鈣(Ca)、鈹(Be)和鈰(Ce)中的一種和其中多種的組合時，得不到打線性 能優(yōu)秀(具體指標是偏心球率、變形球真圓度合格率)的金合金鍵合絲，但在此基礎(chǔ)上加入 含量在1 一 1.5%之間的鈀(Pd)時，能有效地提升打線性能，并改善封裝產(chǎn)品在熱沖擊試驗中 的可靠性。本發(fā)明還發(fā)現(xiàn)，當金合金鍵合絲中含有一定寬度、連續(xù)的中間長軸晶時，能將HAZ 的長度減小l〇um左右，從而能有效地降低打線弧高。本發(fā)明認為當金合金鍵合絲中存在長 軸晶時，HAZ的形成機理發(fā)生了變化。
[0009] -般情況下，HAZ是指在燒球過程中，電弧產(chǎn)生的熱能融化鍵合絲線頭，F(xiàn)AB (free air ball，自由空氣球)逐漸長大，燒球產(chǎn)生的大量熱能通過熱傳導(dǎo)經(jīng)過FAB球脖頸以上一 段金合金鍵合絲時，會將該部分的鍵合絲溫度升高，并促使該區(qū)內(nèi)的晶體不斷長大，相對于 其它未受影響的區(qū)域來講，HAZ區(qū)域的晶體會更大，鍵合絲更軟，通常將這個區(qū)域稱為熱影 響區(qū)（HAZ, Heat Affected Area)。當鍵合絲中存在Dopant元素（摻雜劑元素）時，Dopant元 素主要是存在于晶體界面中，從而阻止晶體界面的移動，抑制再結(jié)晶的發(fā)生和晶體的生長， 導(dǎo)致再結(jié)晶溫度的提高和HAZ的長度變??；當鍵合絲中存在長軸晶時，說明在鍵合絲制造過 程中，長軸晶部分并沒有充分退火，仍然含有比較高的能量，存在較大應(yīng)力。燒球時大量熱 能從FAB通過HAZ傳導(dǎo)到鍵合絲其它部位的極短時間內(nèi)（HAZ也在這個時間段形成），原本的 長軸晶會占用這個時段及其部分流過的熱能來完成其在鍵合絲最后退火過程中沒有完成 的應(yīng)力釋放過程，由于這一部分被占用的能量和時間，使得同沒有中間長軸晶的鍵合絲相 比，其HAZ的長度會變小。顯然上述的機理表明長軸晶在整個鍵合絲中的體積占比是重要 的，占比越大，則HAZ的長度縮小的比例越大，但占比太大，對鍵合絲的機械性能影響也太大 (向BL增加、EL降低的方向變化），所以長軸晶體的體積占比也需要優(yōu)化。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，以金 合金鍵合絲中心軸線為對稱線，長軸晶出現(xiàn)在半徑為1/6R - 1/4R(即金合金鍵合絲的半徑 的1/6 -1/4)的圓柱體內(nèi)時是合適的。
[0010] 本發(fā)明還提供上述金合金鍵合絲的一種制造方法，其特征在于包括下述步驟： (1) 熔鑄:在金原料中按上述比例加入鈀、銀、鈣、鈰、鈹，經(jīng)過定向連續(xù)拉工藝，獲得直 徑為6 - 8mm(毫米)的線材； (2) 拉絲:對步驟（1)得到的線材進行拉絲，獲得直徑為20 - 50um(微米）的金合金鍵合 絲； (3)最后退火:拉絲完成后，對金合金鍵合絲進行最后退火，在退火過程中采用N2做為 退火氣氛，退火爐有效長度為600 - 800mm，退火溫度為500 - 800 °C，退火速率為70 - 110m/ min(米/分鐘）； 最后退火結(jié)束后，金合金鍵合絲經(jīng)過冷卻到20 - 30°C，得到所需的金合金鍵合絲。隨后 進行機械檢測和繞線。
[0011] 上述步驟(2)，在拉絲過程中，對線材進行若干次中間退火，在退火過程中采用N2 做為退火氣氛，退火爐有效長度為600 - 800 mm，退火溫度為550 - 800°C，退火速率為10 - 50 m/min〇
[0012] 采用上述制造方法，特別是通過控制最后退火、中間退火的強度，有助于使長軸晶 區(qū)范圍、以及長軸晶區(qū)內(nèi)長軸晶在金合金鍵合絲剖面的FIB-SEM圖上的面積比率處在所需 范圍內(nèi)（即長軸晶區(qū)存在于以金合金鍵合絲中心軸線為對稱線、半徑為1/6R - 1/4R的圓柱 體內(nèi)；長軸晶區(qū)內(nèi)長軸晶在金合金鍵合絲剖面的FIB-SEM圖上的面積比率占80%以上）。
[0013] 本發(fā)明的金合金鍵合絲可用于IC、LED封裝中，綜合打線性能優(yōu)異，具體體現(xiàn)在： 熱影響區(qū)長度小(可達到53 - 60 um)，極大地降低了打線的弧高;燒球性能好，在FAB燒球后 得到數(shù)目適中的對稱柱狀晶，變形球真圓度高;封裝后產(chǎn)品熱沖擊性能好，可靠性高。此外， 本發(fā)明的金合金鍵合絲成本較低。
【附圖說明】
[0014] 圖1為實施例1金合金鍵合絲的HAZ形貌和長度示意圖； 圖2為對比例金合金鍵合絲HAZ形貌和長度示意圖； 圖3為不同壓縮球的形貌示意圖； 圖4為實施例1的FAB剖面的FIB-SEM圖。
【具體實施方式】
[0015] 實施例1 本實施例的金合金鍵合絲按重量計含有:鈀(Pd) 1.0%，銀(Ag) 24%，鈣(Ca) 1 OOppm，鈰 (Ce) 80 ppm,鈹(Be) 5 ppm,余量為金。
[0016] 本實施例中，金合金鍵合絲的制造方法包括下述步驟： (1) 熔鑄:在金原料中按上述比例加入鈀、銀、鈣、鈰、鈹，經(jīng)過定向連續(xù)拉工藝，獲得直 徑為6mm(毫米)的線材； (2) 拉絲:對步驟（1)得到的線材進行拉絲，獲得直徑為20um(微米)的金合金鍵合絲； 本步驟(2)，在拉絲過程中，對線材被拉到0.0990mm時，進行一次中間退火，在退火過程 中采用N2做為退火氣氛，退火爐有效長度為600 mm，退火溫度為600 °C，退火速率為30m/ min； (3) 最后退火:拉絲完成后，對金合金鍵合絲進行最后退火，在退火過程中采用N2做為 退火氣氛，退火爐有效長度為600mm，退火溫度為580°C，退火速率為100m/min(米/分鐘）； 最后退火結(jié)束后，金合金鍵合絲經(jīng)過冷卻到25°C，得到所需的金合金鍵合絲。隨后進行 機械檢測和繞線。
[0017] 本實施例1的金合金鍵合絲在線材結(jié)構(gòu)上存在長軸晶區(qū)，其存在于以金合金鍵合 絲中心軸線為對稱線、半徑為1/5R的圓柱體內(nèi)，其中R為金合金鍵合絲的半徑;長軸晶區(qū)內(nèi) 以長軸晶為主，長軸晶在金合金鍵合絲剖面的FIB-SEM圖上的面積比率占91%。
[0018] 實施例2 本實施例金合金鍵合絲按重量計含有:鈀(Pd) 1.5%，銀(Ag) 20%，鈣(Ca)lOppm，鈹(Be) 5 ppm，余量為金。
[0019] 本實施例中，金合金鍵合絲的制造方法包括下述步驟： (1) 熔鑄:在金原料中按上述比例加入鈀、銀、鈣、鈹，經(jīng)過定向連續(xù)拉工藝，獲得直徑為 6mm(毫米)的線材； (2) 拉絲:對步驟（1)得到的線材進行拉絲，獲得直徑為20um(微米)的金合金鍵合絲； 本步驟(2)，在拉絲過程中，對線材被拉到0.0990mm時，進行一次中間退火，在退火過程 中采用N2做為退火氣氛，退火爐有效長度為600 mm，退火溫度為550°C，退火速率為35m/ min； (3) 最后退火:拉絲完成后，對金合金鍵合絲進行最后退火，在退火過程中采用N2做為 退火氣氛，退火爐有效長度為600mm，退火溫度為550°C，退火速率為110m/min(米/分鐘）； 最后退火結(jié)束后，金合金鍵合絲經(jīng)過冷卻到25°C，得到所需的金合金鍵合絲。隨后進行 機械檢測和繞線。
[0020] 本實施例2的金合金鍵合絲在線材結(jié)構(gòu)上存在長軸晶區(qū)，其存在于以金合金鍵合 絲中心軸線為對稱線、半徑為1/4R的圓柱體內(nèi)，其中R為金合金鍵合絲的半徑;長軸晶區(qū)內(nèi) 以長軸晶為主，長軸晶在金合金鍵合絲剖面的FIB-SEM圖上的面積比率占95%。
[0021] 實施例3 本實施例的金合金鍵合絲按重量計含有：鈀(Pd)1.2%，銀(Ag) 22%，鈣(Ca)50ppm，鈰 (Ce)50 ppm,鈹(Be)20 ppm,余量為金。
[0022] 本實施例中，金合金鍵合絲的制造方法包括下述步驟： (1) 熔鑄:在金原料中按上述比例加入鈀、銀、鈣、鈰、鈹，經(jīng)過定向連續(xù)拉工藝，獲得直 徑為8mm(毫米)的線材； (2) 拉絲:對步驟（1)得到的線材進行拉絲，獲得直徑為20um(微米)的金合金鍵合絲； 本步驟(2)，在拉絲過程中，對線材被拉到0.0990mm時，進行一次中間退火，在退火過程 中采用N2做為退火氣氛，退火爐有效長度為600 mm，退火溫度為750 °C，退火速率為10m/ min； (3) 最后退火:拉絲完成后，對金合金鍵合絲進行最后退火，在退火過程中采用N2做為 退火氣氛，退火爐有效長度為800mm，退火溫度為750°C，退火速率為100m/min(米/分鐘）； 最后退火結(jié)束后，金合金鍵合絲經(jīng)過冷卻到20°C，得到所需的金合金鍵合絲。隨后進行 機械檢測和繞線。
[0023] 本實施例3的金合金鍵合絲在線材結(jié)構(gòu)上存在長軸晶區(qū)，其存在于以金合金鍵合 絲中心軸線為對稱線、半徑為1/6R的圓柱體內(nèi)，其中R為金合金鍵合絲的半徑;長軸晶區(qū)內(nèi) 以長軸晶為主，長軸晶在金合金鍵合絲剖面的FIB-SEM圖上的面積比率占81%。
[0024] 對比例 本對比例中，金合金鍵合絲按重量計含有:銀(Ag) 20%，鈣(Ca)lOppm，鈹(Be) 5 ppm, 鋪(Ce) 80 ppm，余量為金。
[0025]本實施例中，金合金鍵合絲的制造方法包括下述步驟： (1)熔鑄:在金原料中按上述比例加入銀、鈣、鈹和鈰，經(jīng)過定向連續(xù)拉工藝，獲得直徑 為6mm(毫米)的線材。
[0026] 本步驟(2)，在拉絲過程中，對線材被拉到0.0990mm時，進行一次中間退火，在退火 過程中采用N2做為退火氣氛，退火爐有效長度為600 mm，退火溫度為750 °C，退火速率為 10m/min； (3)最后退火:拉絲完成后，對金合金鍵合絲進行最后退火，在退火過程中采用N2做為 退火氣氛，退火爐有效長度為600mm，退火溫度為700°C，退火速率為80m/min(米/分鐘）； 最后退火結(jié)束后，金合金鍵合絲經(jīng)過冷卻到20°C，得到所需的金合金鍵合絲。隨后進行 機械檢測和繞線。
[0027] 本對比例的金合金鍵合絲在線材結(jié)構(gòu)上不存在長軸晶區(qū)。
[0028] 對各實施例、對比例所得到金合金鍵合絲的檢測結(jié)果如下： 一、HAZ長度比較 將各實施例與對比例的金合金鍵合絲進行燒球，在無保護氣體的情況下進行燒球，具 體參數(shù)如表1所示： 表1燒球參數(shù)
對燒完球的FAB及與其相連的線材（包括HAZ和沒有受熱影響的線材）進行FIB (Focused Ion beam)聚焦離子束切割，利用SEM (scanning electron microscopy)掃描電 鏡進行觀察。通過比較不同線材位置的晶體大小的變化，可以容易地得到HAZ的長度信息， 總結(jié)如下表2。實施例1的金合金鍵合絲的HAZ形貌和長度如圖1所示，對比例的金合金鍵合 絲的HAZ形貌和長度如圖2所示。
[0029]與對比例金合金鍵合絲相比，實施例1的金合金鍵合絲得到的HAZ只有53微米，遠 遠低于對比例金合金鍵合絲的63微米。對比例金合金鍵合絲的線材部分是沒有明顯的中間 長軸晶的，而實施例1 一3的金合金鍵合絲中間長軸晶明顯且長軸晶區(qū)域的寬度達到或超過 了金合金鍵合絲直徑的1/3。
[0030] 表2本發(fā)明各實施例金合金鍵合絲的HAZ與對比例金合金鍵合絲的HAZ比較_
實施例1 一 3的金合金鍵合絲得到的HAZ長度小，主要是因為實施例1 一 3的金合金鍵合 絲能夠確保穩(wěn)定的燒球性能(包括FAB的居中性以防止偏心球，以及FAB內(nèi)所生成的對稱和 數(shù)目合適的柱狀晶）。實施例1的金合金鍵合絲所燒出的FAB的剖面的FIB-SEM圖如圖4所示。
[0031] 二、打線性能比較 實施例1 一 3和對比例所得到金合金鍵合絲的打線性能對比(變形球真圓度)如下表3所 示。參考圖3，正常變形壓縮球(Deformed FAB)的形貌如圖3中3A所示，真圓度不良的變形壓 縮球的形貌如圖3中3B所示，偏心球的形貌如圖3中3C所示。
[0032] 表3實施例1、實施例2和對比例的打線性能差異比較
本發(fā)明的金合金鍵合絲優(yōu)異的打線性能，主要是因為該金合金鍵合絲能夠確保穩(wěn)定的 燒球性能（包括FAB的居中性以防止偏心球，以及FAB內(nèi)所生成的對稱和數(shù)目合適的柱狀 晶）。
[0033]三、可靠性熱沖擊性能比較 實施例1 一 3和對比例所得到鍵合絲在可靠性的差別主要在熱沖擊部分。具體冷熱沖擊 試驗條件如表4。試驗封裝形式是LED封裝中的SMD2835，BS0B打線，封裝硅膠采用道康寧 0E6650，封裝好的樣品在每次完成50個循環(huán)的熱沖擊后，觀察是否還能點亮，記錄失效死燈 的個數(shù)，冷熱沖擊試驗結(jié)果如表5所示。
[0034]表4冷熱沖擊試驗方法
表5冷熱沖擊試驗結(jié)果
試驗表明，本發(fā)明實施例1、實施例2、實施例3相對于對比例，可靠性得到很大提升。在 熱沖擊試驗中，實施例1、實施例2、實施例3在400個循環(huán)時，沒有失效情況，而對比例已經(jīng)出 現(xiàn)失效死燈。在500個循環(huán)時，實施例1、實施例2、實施例3的失效死燈率分別為2.5%、7.5%， 2.5%，而對比樣卻高達15%。說明本發(fā)明技術(shù)金合金鍵合絲的可靠性能更高。
【主權(quán)項】
1. 一種金合金鍵合絲，其特征在于按重量計含有:鈀1 一 1.5%，銀20 - 24%，鈣、鈹和鈰中 的一種和其中多種的組合2 - 200 ppm，余量為金。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金合金鍵合絲，其特征在于:所述金合金鍵合絲在線材結(jié)構(gòu)上 存在長軸晶區(qū)，其存在于以金合金鍵合絲中心軸線為對稱線、半徑為1/6R - 1/4R的圓柱體 內(nèi)，其中R為金合金鍵合絲的半徑;長軸晶區(qū)內(nèi)以長軸晶為主，長軸晶在金合金鍵合絲剖面 的FIB-SEM圖上的面積比率占80%以上。3. 權(quán)利要求1所述的金合金鍵合絲的制造方法，其特征在于包括下述步驟： (1)熔鑄:在金原料中按上述比例加入鈀、銀、鈣、鈰、鈹，經(jīng)過定向連續(xù)拉工藝，獲得直 徑為6 - 8mm的線材； (2 )拉絲:對步驟（1)得到的線材進行拉絲，獲得直徑為20 - 50um的金合金鍵合絲； (3)最后退火:拉絲完成后，對金合金鍵合絲進行最后退火，在退火過程中采用N2做為 退火氣氛，退火爐有效長度為600 - 800mm，退火溫度為500 - 800°C，退火速率為70 - I IOm/ min； 最后退火結(jié)束后，金合金鍵合絲經(jīng)過冷卻到20 - 30°C，得到所需的金合金鍵合絲。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的金合金鍵合絲的制造方法，其特征在于:步驟(2)，在拉絲過程 中，對線材進行若干次中間退火，在退火過程中采用N2做為退火氣氛，退火爐有效長度為 600 - 800 mm，退火溫度為550 - 800°C，退火速率為 10 - 50 m/min。
【文檔編號】C22F1/02GK105908002SQ201610254657
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】周振基, 周博軒, 彭政展
【申請人】汕頭市駿碼凱撒有限公司