CN105063407A - 一种led封装用银合金键合丝及其制造方法 - Google Patents

一种led封装用银合金键合丝及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种LED封装用银合金键合丝，其特征在于按重量计含有2－3.5%的第一添加成分，10－30ppm的第二添加成分，余量为银；第一添加成分为钯，第二添加成分为金、铂、钙、镁和铁中的一种或其中多种的组合。本发明还提供上述LED封装用银合金键合丝的制造方法，包括下述步骤：（1）熔铸获得线材；（2）拉丝：对线材进行拉丝，获得直径为18－50um的银合金键合丝；在拉丝过程中，在拉丝至直径为0.9100－0.0384mm时进行对线材进行中间退火；（3）最后退火：拉丝完成后，对银合金键合丝进行最后退火，冷却后得到LED封装用银合金键合丝。本发明的银合金键合丝用于LED封装，在球焊时能够增强FAB与LED焊盘之间的结合度，残金量多，提高LED封装产品的可靠性。

Description

一种LED封装用银合金键合丝及其制造方法
技术领域
本发明涉及LED封装用的键合丝，具体涉及一种LED封装用银合金键合丝及其制造方法。
背景技术
键合丝（bondingwire，又称键合线）是连接芯片与外部封装基板（substrate）和/或多层线路板（PCB）的主要连接方式。键合丝的发展趋势，从应用方向上，主要是线径细微化、高车间寿命（floorlife）以及高线轴长度；从化学成分上，主要有铜线（包括裸铜线、镀钯铜线、闪金镀钯铜线）在半导体领域大幅度取代金线，而银线和银合金线在LED以及部分IC封装应用上取代金线。
LED行业中银合金线的大量采用主要是基于银合金线折光率的原因，得到的封装产品的出光率高于其它类别材料键合的产品；银合金线其它的优势是产品成本低，线材软度与金线类同。银合金线存在的主要问题是线材表面容易硫化、氧化从而影响打线性能，以及高温高湿可靠性（PCT,HAST）问题，而这些问题都可以通过向银线中引入钯（Pd）而得到改善，尤其是其高温高湿可靠性（PCT,HAST）问题。
虽然在银合金线中引入适量的钯（Pd）能够降低银在界面的离子迁移而提高封装的可靠性，但前提是银合金线在球焊时应该和焊盘（Pad）表面形成足够大的结合面。目前，银合金线的成球过程需要采用Forminggas（5%H2+95%N2）或者纯N2（氮气）做保护。在球焊过程中，FAB（自由空气球）底部和ICpad之间并不是所有重合面积内都能发生预期的焊接作用，焊接结合面比率（即焊接结合区域的面积与总体重合面积之比）通常要大于80%才合格。焊接结合面比率越低，则净界面电阻率越高，降低了线材的导电性能，增加了可靠性风险。焊接结合面比率与许多因素相关，最主要的是线材本身的特性，表面氧化度，FAB表面和LED芯片Pad表面的清洁度。
相对于IC行业来讲，LED封装的成本敏感性使得很多厂家在球焊后，采用一种相对简单、准确的残金测定方法来评价产品的可靠性，而不是象IC行业那样会对产品进行高温烘烤以利于长出足够厚度的IMC（Intermetalliccompound，即介面合金共化物），然后对球焊界面进行腐蚀，来观察IMC的覆盖率。残金测试的具体测试步骤为：（1）在LED正负极Pad上进行球焊作业；（2）利用Dage-4000推力机，在球高1/3－1/2间处，在100gf的作用力下，以100um/s－600um/s的速度，进行推球动作；（3）通过专业软件对显微镜下的推力照片中的残金面积比率进行分析。残金越多，表明球焊中FAB对焊盘的结合力越紧密，界面电阻越小，在器件服务的过程中稳定可靠性越高。
现有的银合金线应用于LED封装，在球焊时与焊盘（Pad）表面之间形成的结合面不够大，残金量较少，封装可靠性不够高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种LED封装用银合金键合丝及其制造方法，这种银合金键合丝用于LED封装，在球焊时能够增强FAB与LED焊盘之间的结合度，残金量多，提高LED封装产品的可靠性。采用的技术方案如下：
一种LED封装用银合金键合丝，其特征在于按重量计含有2－3.5%的第一添加成分，10－30ppm的第二添加成分，余量为银；所述第一添加成分为钯，第二添加成分为金、铂、钙、镁和铁中的一种或其中多种的组合。
优选上述LED封装用银合金键合丝中的晶体平均粒径在0.7－1um之间，晶体粒径分布呈现变形正态分布，粒径大于1.2um的晶体占到总晶体数目的22%以上。
优选上述LED封装用银合金键合丝内的挛晶密度为小于20%。
优选上述LED封装用银合金键合丝中，晶体的纵横比（即晶体拟合椭圆的长轴长度与短轴长度之比）小于2.3（更优选晶体的纵横比小于2.2）。晶体的形状更接近于球形。
优选上述LED封装用银合金键合丝中，晶体的[001]方向与银合金键合丝轴心方向上的夹角小于20度的晶体占总晶体数目的75%以上。
本发明还提供上述LED封装用银合金键合丝的一种制造方法，其特征在于包括下述步骤：
（1）熔铸：在银原料中按上述比例加入第一添加成分和第二添加成分，经过预合金、母合金和定向连续拉工艺，获得直径为6－8mm（毫米）的线材；
（2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为18－50um（微米）的银合金键合丝；
在拉丝过程中，对线材进行一次中间退火，中间退火在拉丝至直径为0.9100－0.0384mm时进行，在退火过程中采用Forminggas来做为退火气氛，退火炉有效长度为600－800mm，退火温度为400－500℃，退火速率为50－110m/min；
（3）最后退火：拉丝完成后，对银合金键合丝进行最后退火，在退火过程中采用Forminggas来做为退火气氛，退火炉有效长度为600－800mm，退火温度为420－480℃，退火速率为80－120m/min；
最后退火结束后，银合金键合丝经过冷却到20－30℃，得到所需的LED封装用银合金键合丝。
随后可对得到的LED封装用银合金键合丝进行机械检测和绕线。
上述步骤（2）的拉丝包括多次拉丝操作。为配合得到结构特殊的内部晶体构造，优选步骤（2）拉丝过程中，在进行到中间退火之前，每次拉丝操作的减面率由16－20%逐渐降低到6－8%，以免减面率过大而造成在达到中间退火之前发生断线；完成中间退火后，每次拉丝操作的减面率为6－8%。
上述Forminggas是氮氢混合气，由5%(体积)的H2和95%(体积)的N2组成。
上述预合金、母合金、定向连续拉工艺、拉丝等可采用现有常规技术。
本发明发现，在线材含钯（Pd）量在2－3.5%时，按照上述的拉丝过程能够稳定地生产出所需要的结构的LED封装用银合金键合丝，同时钯（Pd）的含量在此范围内也能有效地阻止封装产品在老化试验中界面的腐蚀问题。本发明发现，添加量在10－30ppm之间的金（Au）、铂（Pt）、钙（Ca）、镁（Mg）和铁（Fe）中的一种和其中多种的组合，能有效地细化晶粒，改善相应的机械性能，确保中间退火前的拉丝顺畅，进一步改善线材的拉丝能力和LED封装用银合金键合丝在打线过程中的表现。
通过上述金属掺杂和拉丝退火工艺的设计，线材在LED的残金试验中的表现得到了大幅度提升，从而能满足LED行业对线材封装产品可靠性的需求。残金试验中，本发明的LED封装用银合金键合丝的残金量为50%以上，远高于现有同类产品的23%，其主要的原因是线材内部结构优化，具体地讲，本发明的LED封装用银合金键合丝，其内部晶体大小比现有同类产品要大，其中的挛晶密度小，晶体的形状跟接近于球状，晶体的取向性[001]方向更高。而这种结构的LED封装用银合金键合丝获得的残金效果相比现有同类线材有大幅度的提升，其中的作用机理复杂，大致上有以下作用途径：银合金键合丝的内部结构与电弧放电过程中所形成的焊球FAB(freeairball，自由空气球)的内部结构有密切的联系，对于晶体大、球形度高、挛晶少、晶体取向度高的银合金键合丝，可能获得的FAB内部的晶体也较大、对称性好、挛晶也少，因此该FAB在球焊过程中，在同等的焊接条件（超声功率，焊接压力以及焊接时间）下，FAB变形球的变形是更均匀的，特别是其FAB在超声的作用下，其整体的变形均一性和更高的变形度的另外一个重要体现是FAB底部在和Pad接触的界面上的那些众多的微观凸起上，这些凸起在超声的作用更容易变形而与Pad的凹凸表面形成密切的、紧密的咬合接触，增加实际有效接触面积，从而加快了FAB(含Pd的Ag合金)材料与Pad（Au）材料金属分子之间的扩散融合（Pd、Ag、Au彼此之间是互相以任何比例形成分子级的溶解的），加大了焊接的强度和结合面积，从而增加了残金试验中的残金量和提高了产品的可靠性。
本发明的银合金键合丝与现有技术相比，具有以下有益效果：
（1）本发明通过添加2－3.5%的钯（Pd），不仅能增加LED封装用银合金键合丝键合后的可靠性，更兼顾线材的拉丝能力，使得线材能够在只进行一次中间退火的条件下获得所需结构的LED封装用银合金键合丝，提高了生产效率；
（2）线材中含有添加量在10－30ppm之间的金（Au）、铂（Pt）、钙（Ca）、镁（Mg）和铁（Fe）中的一种和其中多种的组合，能有效地细化晶粒，改善相应的机械性能，确保中间退火前的拉丝顺畅，进一步改善线材的拉丝能力，优化了LED封装用银合金键合丝的打线特性；
（3）本发明的LED封装用银合金键合丝内的晶体具有相对于现有同类产品较大的平均粒径、低的挛晶密度、更接近球形的晶体形状以及银合金键合丝内晶体更一致的取向性，从而确保了更大的残金面积和更高的封装可靠性表现。
附图说明
图1是本发明优选实施例1－3的银合金键合丝及一种现有同类产品的残金显微图和读数（其中1a、1b、1c、1d分别为实施例1、实施例2、实施例3、现有同类产品的残金显微图和读数）；
图2是本发明实施例1的银合金键合丝与现有同类产品的线材结构对比（其中2a是本发明实施例1银合金键合丝沿线轴方向剖面EBSD图，2b是现有同类产品沿线轴方向剖面EBSD图）；
图3是本发明实施例1的银合金键合丝与现有同类产品的晶体晶粒尺寸分布图（前者蓝色柱为现有同类产品，后者红色柱为本发明实施例1的银合金键合丝）；
图4是本发明实施例1的银合金键合丝与现有同类产品的挛晶密度对比（其中4a为本发明实施例1银合金键合丝的剖面EBSD-挛晶密度图，4b为现有同类产品的剖面EBSD-挛晶密度图）。
具体实施方式
实施例1
本实施例的LED封装用银合金键合丝按重量计含有：钯2%，金2ppm，铂1ppm，钙8ppm，镁1.6ppm，铁5ppm，余量为银。
本实施例中，LED封装用银合金键合丝的制造方法包括下述步骤：
（1）熔铸：在银原料中按上述比例加入钯、金、铂、钙、镁和铁，经过预合金、母合金和定向连续拉工艺，获得直径为8mm（毫米）的线材；
上述银原料采用纯度为99.99%的银；
（2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为25um（微米）的银合金键合丝；
在拉丝过程中，对线材进行一次中间退火，中间退火在拉丝至直径为0.9011mm时进行，在退火过程中采用Forminggas来做为退火气氛，退火炉有效长度为700mm，退火温度为450℃，退火速率为80m/min；
本步骤（2）拉丝过程中，在进行到中间退火之前，每次拉丝操作的减面率由20%逐渐降低到8%。中间退火之前的拉丝分四个阶段，每个阶段分别进行多次拉丝操作，其中：第一拉丝阶段每次拉丝操作的减面率为20%，第二拉丝阶段每次拉丝操作的减面率为12%，第三拉丝阶段每次拉丝操作的减面率为10%，第四拉丝阶段每次拉丝操作的减面率为8%。完成中间退火后进行多次拉丝操作，每次拉丝操作的减面率为8%。
（3）最后退火：拉丝完成后，对银合金键合丝进行最后退火，在退火过程中采用Forminggas来做为退火气氛，退火炉有效长度为700mm，退火温度为450℃，退火速率为100m/min；
最后退火结束后，银合金键合丝经过冷却到25℃，得到所需的LED封装用银合金键合丝。
随后可对得到的LED封装用银合金键合丝进行机械检测和绕线。
实施例2
本实施例的LED封装用银合金键合丝按重量计含有：钯2.8%，金2.6ppm，铂2ppm，钙9ppm，镁1.8ppm，铁6ppm，余量为银。
本实施例中，LED封装用银合金键合丝的制造方法包括下述步骤：
（1）熔铸：在银原料中按上述比例加入钯、金、铂、钙、镁和铁，经过预合金、母合金和定向连续拉工艺，获得直径为7mm（毫米）的线材；
上述银原料采用纯度为99.99%的银；
（2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为50um（微米）的银合金键合丝；
在拉丝过程中，对线材进行一次中间退火，中间退火在拉丝至直径为0.1107mm时进行，在退火过程中采用Forminggas来做为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为400℃，退火速率为50m/min；
本步骤（2）拉丝过程中，在进行到中间退火之前，每次拉丝操作的减面率由18%逐渐降低到8%。中间退火之前的拉丝分四个阶段，每个阶段分别进行多次拉丝操作，其中：第一拉丝阶段每次拉丝操作的减面率为18%，第二拉丝阶段每次拉丝操作的减面率为12%，第三拉丝阶段每次拉丝操作的减面率为10%，第四拉丝阶段每次拉丝操作的减面率为8%。完成中间退火后进行多次拉丝操作，每次拉丝操作的减面率为8%。
（3）最后退火：拉丝完成后，对银合金键合丝进行最后退火，在退火过程中采用Forminggas来做为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为420℃，退火速率为80m/min；
最后退火结束后，银合金键合丝经过冷却到20℃，得到所需的LED封装用银合金键合丝。
随后可对得到的LED封装用银合金键合丝进行机械检测和绕线。
实施例3
本实施例的LED封装用银合金键合丝按重量计含有：钯3.5%，金3.2ppm，铂3ppm，钙10ppm，镁2ppm，铁7ppm，余量为银。
本实施例中，LED封装用银合金键合丝的制造方法包括下述步骤：
（1）熔铸：在银原料中按上述比例加入钯、金、铂、钙、镁和铁，经过预合金、母合金和定向连续拉工艺，获得直径为6mm（毫米）的线材；
上述银原料采用纯度为99.99%的银；
（2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为18um（微米）的银合金键合丝；
在拉丝过程中，对线材进行一次中间退火，中间退火在拉丝至直径为0.0810mm时进行，在退火过程中采用Forminggas来做为退火气氛，退火炉有效长度为800mm，退火温度为500℃，退火速率为110m/min；
本步骤（2）拉丝过程中，在进行到中间退火之前，每次拉丝操作的减面率由16%逐渐降低到6%。中间退火之前的拉丝分四个阶段，每个阶段分别进行多次拉丝操作，其中：第一拉丝阶段每次拉丝操作的减面率为16%，第二拉丝阶段每次拉丝操作的减面率为10%，第三拉丝阶段每次拉丝操作的减面率为8%，第四拉丝阶段每次拉丝操作的减面率为6%。完成中间退火后进行多次拉丝操作，每次拉丝操作的减面率为6%。
（3）最后退火：拉丝完成后，对银合金键合丝进行最后退火，在退火过程中采用Forminggas来做为退火气氛，退火炉有效长度为800mm，退火温度为480℃，退火速率为120m/min；
最后退火结束后，银合金键合丝经过冷却到30℃，得到所需的LED封装用银合金键合丝。
随后可对得到的LED封装用银合金键合丝进行机械检测和绕线。
对实施例1－3的LED封装用银合金键合丝的残金量、晶体粒径分布、晶体形状、晶体取向性、挛晶密度等进行检测，其检测结果参考图1－图4。
从图1可以看出，实施例1－3的LED封装用银合金键合丝的残金量分别为50.24％、53.09％、74.97％，而现有同类产品的残金量仅为23.45％，可见，本发明LED封装用银合金键合丝的残金量远远多于现有同类产品。
参考图3，本发明实施例1的银合金键合丝的晶体平均粒径为0.88微米，现有同类产品的晶体平均粒径为0.6微米，本发明实施例1的LED封装用银合金键合丝中粒径大于1.2微米的晶体占比达到25%。本发明实施例2的银合金键合丝的晶体平均粒径为0.95微米，粒径大于1.2微米的晶体占比达到27%；本发明实施例3的银合金键合丝的晶体平均粒径为0.75微米，粒径大于1.2微米的晶体占比达到22%。可见，本发明LED封装用银合金键合丝的大粒径晶体的数目要高于市面上的现有同类产品。
从图2可以看出，本发明实施例1的银合金键合丝的纵横比为2.18（纵横比为晶体球性度表征参数，纵横比越接近于1就越接近于球形，纵横比越大则球性度越差），现有同类产品的纵横比为2.43。本发明实施例2的银合金键合丝的纵横比为2.25；本发明实施例3的银合金键合丝的纵横比为2.15。两种线材的晶体取向性表征参数，晶体取向[001]方向与线材轴向角度在20度之内的晶体数目占全部测试晶体的总数比例，本发明实施例1的银合金键合丝为80.7%，本发明实施例2的银合金键合丝为78.5％，本发明实施例3的银合金键合丝为79.6％，而现有同类产品为30.2%，说明本发明产品拥有很强的晶体取向性。
参考图4，两种线材中的挛晶密度（在EBSD图中，测得的挛晶长度与晶体之间晶界长度及挛晶长度之和的比值），由于挛晶是一种二维上的面缺陷，准确的表征是单位体积内的挛晶面积，但只是具有理论意义，很难实际测量，在二维的EBSD图上，晶界和挛晶都变现为线条长度，本发明的挛晶密度采用为a/(a+b),其中a为挛晶长度，b为晶界长度，a/(a+b)是一个更适合的实用参数（为挛晶长度占所有晶界长度和挛晶长度之比）。图中红色的线条是挛晶体在EBSD上的表现。本发明实施例1的银合金键合丝的挛晶密度为14%，现有同类产品为51.7%。本发明实施例2的银合金键合丝的挛晶密度为18%，本发明实施例3的银合金键合丝的挛晶密度为16.5%。可见，本发明的银合金键合丝的挛晶密度远低于现有同类产品。

Claims (8)

1.一种LED封装用银合金键合丝，其特征在于按重量计含有2－3.5%的第一添加成分，10－30ppm的第二添加成分，余量为银；所述第一添加成分为钯，第二添加成分为金、铂、钙、镁和铁中的一种或其中多种的组合。
2.根据权利要求1所述的LED封装用银合金键合丝，其特征是：所述LED封装用银合金键合丝中的晶体平均粒径在0.7－1um之间，晶体粒径分布呈现变形正态分布，粒径大于1.2um的晶体占到总晶体数目的22%以上。
3.根据权利要求1所述的LED封装用银合金键合丝，其特征是：所述LED封装用银合金键合丝内的挛晶密度为小于20%。
4.根据权利要求1所述的LED封装用银合金键合丝，其特征是：所述LED封装用银合金键合丝中，晶体的纵横比小于2.3。
5.根据权利要求4所述的LED封装用银合金键合丝，其特征是：所述LED封装用银合金键合丝中，晶体的纵横比小于2.2。
6.根据权利要求1所述的LED封装用银合金键合丝，其特征是：所述LED封装用银合金键合丝中，晶体的[001]方向与银合金键合丝轴心方向上的夹角小于20度的晶体占总晶体数目的75%以上。
7.权利要求1－6任一项所述的LED封装用银合金键合丝的制造方法，其特征在于包括下述步骤：
（1）熔铸：在银原料中按上述比例加入第一添加成分和第二添加成分，经过预合金、母合金和定向连续拉工艺，获得直径为6－8mm的线材；
（2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为18－50um的银合金键合丝；
在拉丝过程中，对线材进行一次中间退火，中间退火在拉丝至直径为0.9100－0.0384mm之间进行，在退火过程中采用Forminggas来做为退火气氛，退火炉有效长度为600－800mm，退火温度为400－500℃，退火速率为50－110m/min；
（3）最后退火：拉丝完成后，对银合金键合丝进行最后退火，在退火过程中采用Forminggas来做为退火气氛，退火炉有效长度为600－800mm，退火温度为420－480℃，退火速率为80－120m/min；
最后退火结束后，银合金键合丝经过冷却到20－30℃，得到所需的LED封装用银合金键合丝。
8.根据权利要求7所述的LED封装用银合金键合丝的制造方法，其特征在于：所述步骤（2）的拉丝包括多次拉丝操作；
步骤（2）拉丝过程中，在进行到中间退火之前，每次拉丝操作的减面率由16－20%逐渐降低到6－8%；完成中间退火后，每次拉丝操作的减面率为6－8%。
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