CN105296789B - 一种高可靠性银合金键合丝及其制造方法 - Google Patents

一种高可靠性银合金键合丝及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于BBOS、BSOB打线方式的高可靠性银合金键合丝及其制造方法，该线材中含有重量比为2‑4.0％的Pd、6.5‑11％的Au、85％‑90％的Ag，还含有浓度在5‑55ppm之间、用以改进线材机械性能的Ca、Fe、Cu、Si等添加元素中的一种或多种的组合；存在长轴晶区并且其位于以线材中心轴线为对称线，半径为1/3R‑1/2R范围内的圆柱体内。长轴晶的面积比率占60％以上。线材在制造过程中在0.0633～0.0384mm时进行一次中间退火，退火温度为500～610℃，退火速率为80～120m/min；最后退火温度为450～550℃，退火速率为90～130m/min；退火过程中的张力设定保持在0.2～0.7g之间。

Description

一种高可靠性银合金键合丝及其制造方法
技术领域
本发明涉及LED和IC封装用的键合丝，具体涉及一种适合于BBOS、BSOB打线封装用银合金键合丝及其制造方法。
背景技术
键合丝(bonding wire，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，从产品方向上，主要是线径细微化、高车间寿命(floor life)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。
早期银合金的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。
在IC行业，由于近期多芯片模式(Multi Chip Module)和芯片堆栈(Diestacking)的广泛应用，对Die to Die(芯片到芯片)的打线性能提出了更高的要求，这其中最重要的打线模式就是BSOB(bonding Stich on ball，球焊点上打线)。在LED行业除了BSOB外，BBOS(Bonding ball on stitch，在二焊点上种球)也有广泛应用。
在BSOB的die to die打线中，为了减少二焊(stitch bonding)过程中对芯片Pad的冲击，通常采用在芯片A的Pad位置先种上一个焊球，然后再对另外一个相邻芯片B上完成球焊、拉弧线、在芯片A已种球位置上完成第二焊点的打线，从而结束整个BSOB过程。在LED行业中，由于没有象IC那样由于半导体尺寸下降而导致的芯片机械性能变弱的情况(多孔的低K的介电材料的应用所导致的结果)，但硅胶的应用及其高透气、透水性 使得二焊点的可靠性需要加强，所以在完成LED的正常打线后，会在二焊点上种球，以提高稳定性，完成BBOS的打线模式。
在银合金线材的早期使用过程中，短尾(SHTL)和断线本就是最常见的问题。短尾的成因是在第二焊点打线中，由于打线参数太大或者线材强度性能发生变化，Tailbonding提前断裂导致留出的线尾不够长。随着银合金线材技术的进步，这一问题得到了很大改观，而随着银合金在高级封装形式，多芯片模式(Multi Chip Module)和芯片堆栈(Diestacking)中的广泛应用，BSOB、BBOS的大量应用对线材的结构稳定性提出了更高的要求，为了满足这种要求，需要找到一种实际可行的线材结构和线材配方，将线材的结构和机械性能变动性降低到更低的水平，从而提高银合金键合丝在BBOS和BSOB中的键合稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种IC和LED封装BBOS、BSOB用高可靠性银合金键合丝及其制造方法，这种银合金键合丝用于上述打线模式时，能通过有效的组分和结构调整而获得重现性、稳定性更高的结构特征。
本发明发现，当线材具有以下的特质时，其机械性能BL/EL能保持在一个恰当窄的范围内，并使得线材在整个打线，尤其是切球的scrub过程中保持稳定(不断线)。具体地，本发明提供的一个技术方案如下：
一种用于BBOS、BSOB打线方式的高可靠性银合金键合丝，含有重量比为：
2-4.0％的Pd，
6.5-11％的Au，
85％-90％的Ag，以及
含量在5-55ppm之间、用以改进线材机械性能的Ca、Fe、Cu、Si中的一种或一种以上的掺杂元素。
在线材结构上，线材中存在长轴晶区，其存在于以线材中心轴线为对称线，半径为1/3R-1/2R(R为线材的半径)范围内的圆柱体内；长轴晶区 内以长轴晶为主，也可以含有非长轴晶，长轴晶的面积比率占60％以上。长轴晶体的定义为晶体的纵横比(即晶体拟合椭圆的长轴长度与短轴长度之比)大于2.5。
目前的键合丝都是多晶体结构，一般键合丝在最终退火后其内部的每个晶体的取向是随机的并均匀地指向不同方向，整体上呈现出各向同性。但对于本发明的线材，其线材内部的晶体的[100]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60％以上。
在长轴晶区内，annealing twin(退火挛晶)的密度小于20％，线材整体退火挛晶密度小于30％。其中退火挛晶的密度定义为：在EBSD图中测得挛晶长度与晶体之间晶界长度以及挛晶长度之和的比值。
整个线材中的长轴晶和非长轴晶区域内的晶体大小并没有明显的区别，其平均晶体粒径的大小为0.65-0.76微米之间，晶体粒径分布的相对标准方差(RSD)为85％-90％之间。
本发明还提供上述用于BBOS、BSOB打线方式的高可靠性银合金键合丝的制造方法，其特征在于包括下述步骤：
熔铸：在银原料中按上述比例加入Au、Pd和其它掺杂元素，经过定向连续拉工艺，获得直径为6～8mm(毫米)的线材；
拉丝：对熔铸步骤得到的线材进行拉丝，获得直径为18～50um的银合金键合丝粗品；
最后退火：拉丝完成后，对银合金键合丝粗品进行最后退火处理，退火过程采用N2或惰性气体来做为退火气氛，退火炉有效长度为600～800mm，退火温度为450～550℃，退火速率为90～130m/min；退火过程中的张力设定保持在0.2～0.7g之间；
冷却：退火后的银合金键合丝经过冷却到20～30℃，即得到用于BBOS、BSOB打线方式的高可靠性银合金键合丝。
在拉丝步骤中，还可以对线材进行一次中间退火，中间退火在将线材拉丝至直径为0.0633～0.0384mm时进行，退火过程采用N2或惰性气体做为退火气氛，退火炉有效长度为600～800mm，退火温度为500～610℃，退火速率为80～120m/min。
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。
本发明发现，在线材含钯(Pd)量在2～4.0％时能有效地改善封装产品在老化试验中键合丝与芯片铝Pad界面IMC的腐蚀问题，尤其当金的含量保持在6.5～11％范围之内时，可靠性获得明显的提高。本发明发现，添加量Ca、Fe、Cu、Si添加元素中的一种和多种的组合。能有效地控制晶粒大小，更具体的是当某些掺杂元素富集于晶界中时，会阻止晶界的移动和生成，抑制了再结晶的发生，提高了再结晶温度，有效控制晶体的过渡长大；另一方面Au、Pd都能与Ag完全互容，形成固体溶液，它们在晶体内的存在，增加了Ag的stackingfault(纯银的stacking fault很小，其应力释放多通过再结晶的方式完成)，从而有利于在退火中银合金线材应力松弛多一些按恢复(recovery)的机理发生的几率，有利于线材中间长轴晶体的保留和形成，最后退火过程中，尤其是最后退火工艺中张力的控制对线材中心区晶体的高度取向性是必要的。
本发明发现在拉丝退火工艺设计上，相对于一般退火工艺对中间退火强度(退火温度更低和退火时间更短)做适当的降低，同时中间退火点也采用在0.0633～0.0384mm时(相对一般拉线工艺更细的线径)进行；在最终退火过程参数的设计包括更低的退火强度(退火温度在420～480℃之间和退火时间更短90～130m/min)和严格的最终退火期间的张力管控(0.2～0.7g)。有利于形成具有特殊结构组合的银线材，极大地提高线材在BBOS和BSOB打线过程中的稳定性。
本发明银合金键合丝与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)通过上述金属掺杂和拉丝退火工艺的设计，本发明得到的银合金线材同时具有优秀的封装可靠性和BBOS和BSOB打线的顺畅性；
(2)线材结构可控性强，其中中间长轴晶区占线材总体体积比率适中，晶体长轴化程度高，退火挛晶密度低，以及晶体粒径分布合理；
(3)本发明得到的线材其EL、BL分布更窄，线材结构和机械性能一致性高；
(4)本发明提出了一套掺杂元素配方和与之相配合的特殊退火工艺和关键退火张力的控制来确保线材特殊结构的实现。
上述应用上的优势主要来自于巧妙的掺杂和合金元素设计技术，不仅 抑制了晶体过渡生长，也调试了退火过程中晶体应力释放的机理，使晶体内应力部分更多通过Recovery的模式在退火过程中得以释放，配合退火张力的控制和退火条件的优化使得中间长轴晶区域的体积比率，晶体长轴化程度，退火挛晶密度，以及晶体粒径分布方面的调控性强。中间长轴晶的存以及高的晶体取向性使得本发明的线材的机械性能(例如杨式模量)在理论上会呈现各向异性，当线材内的晶体方向与线材的轴向取向一致时，BBOS、BSOB打线时的切线过程中，瓷嘴切的方向正好垂直于方向，线材在此方向的杨式模量是最低的，所以切线容易，尤其是中间长轴晶富集区，而周围的等轴晶区域则缺少这种各项异性而提供必要的延展性和强度，有利于在瓷嘴在上升到指定线尾高度之前线材不提前断裂而造成断线或者小球。退火挛晶密度大小和分布特点也是有利于切线动作的，退火挛晶在中心长轴区少，有利于降低该区的机械强度，在切线时容易断裂，使切线顺畅，同时周围的等轴晶区则具有一定的强度(较高退火挛晶密度)和较大的延展性(各向同性的原因)。
附图说明
图1a是本发明实施例1制得的银合金键合丝的EBSD图；
图1b是市场现有同类产品的EBSD图；
图2a是本发明实施例1银合金键合丝的剖面EBSD-挛晶密度图，该图显示銮晶密度为29.8％；
图2b是市场现有同类产品的剖面EBSD-挛晶密度图；该图显示銮晶密度为51.7％。
具体实施方式
实施例1
本实施例的BBOS、BSOB打线用银合金键合丝按重量计含有：钯3.4％，金6.8％，钙40ppm，铁50ppm，Cu 35ppm，Si 8ppm，余量为银。
本实施例中，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、钙、铁，铜和硅经过 定向连续拉工艺，获得直径为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23um(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0.0633时进行，在退火过程中采用N2来做为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为610℃，退火速率为90m/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N2来做为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为500℃，退火速率为120m/min；线材最后退火段的张力设定为0.5克。
最后退火结束后，银合金键合丝经过冷却到25℃，得到所需的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BSOB，BBOS打线用银合金键合丝按重量计含有：钯3％，金10.5％，钙29ppm，铁26ppm，Cu 30ppm，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、钙和铁，经过定向连续拉工艺，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23um(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0.0456mm时进行，在退火过程中采用N2来做为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为600℃，退火速率为100m/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N2来做为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为480℃，退火速率为100m/min；线材最后退火段的张力设定为0.4克
最后退火结束后，银合金键合丝经过冷却到20℃，得到所需的封装用 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BSOB，BBOS打线用银合金键合丝按重量计含有：钯2.3％，金3％，钙15ppm，铁10ppm，铜26ppm，余量为银。
本实施例中，BSOB、BBOS打线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、铜、钙和铁，经过定向连续拉工艺，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23um(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0.0384mm时进行，在退火过程中采用N2来做为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为580℃，退火速率为80m/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N2来做为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为460℃，退火速率为90m/min；线材最后退火段的张力设定为0.3克
最后退火结束后，银合金键合丝经过冷却到20℃，得到所需的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。
对比试验
以上实施例得到的线材都有优良的BSOB、BBOS的打线性能，现以实例1对比市场同类产品做对比。对比项目包括：BSOB打线性能、EBSD测的的晶体形状、大小、晶体取向性、挛晶密度，EL/BL数据。
BSOB打线性能对比如表1所示。
样品 线径 平均断线次数/小时
实例1 0.9MIL 0
市场同类对比产品年 0.9MIL 8
表1.BSOB打线断线频率比较
对实施例1的银合金键合丝的BSOB打线性能、EBSD测的的晶体形状、大小、晶体取向性、挛晶密度等进行检测。
从图1a、1b可以看出，本发明银合金键合丝的内部中心区1/3-1/2R的区域内存在长轴晶，在EBSD的测量方法中，对于任何形状的晶体，它的软件都会把此晶体拟合为一个椭圆，在本发明中，椭圆的长轴和短轴之比大于2.5时被认为是长轴晶。在本实例中以中心线为轴心，半径1/2R范围内长轴晶面积占总选定面积(1/2R)的比率是64％。
晶体的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60％以上，为63.3％。
整个线材中的长轴晶和非长轴晶区域内的晶体大小并没有明显的区别，其平均晶体粒径的大小分别为0.762um(中心区，1/2R以内区域)和0.75um。
参考图2a、2b，两种线材中的挛晶密度(在EBSD图中，测得的挛晶的长度与晶体之间晶界长度以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(为挛晶长度占所有界面长度和挛晶长度之比)。图中浅色的线条是挛晶体在EBSD上的表现。本发明线材实例1的挛晶密度为29.8％，同类市场产品为51.7％。
实例1与市场同类产品的EL、BL数据的分布差距，很显然本发明的产品其EL是可以控制在一个更窄的范围内的。
市场同类产品 实例1
BL(gf) EL BL(gf) EL
1 9.83 9 10.16 10.5
2 10 11.78 10.33 10.9
3 9.58 9.78 10.18 10
4 9.92 10.43 10.19 10.33
5 10.33 10.85 10.14 9.85
6 10.36 10.55 10.13 10.69
7 10.38 9.81 10.01 10.43
8 10.29 11.5 10.13 10.96
9 10.47 9.06 10.13 10.06
10 10.36 9.62 10.19 10.73
Avg. 10.152 10.238 10.16 10.45
SDEV 0.30 0.95 0.08 0.38
表2
无金对比例
本对比例银合金键合丝配方按重量计含有：钯3.0％，8ppm的Ca，余量为银(未添加Au)。
本对比例中，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、钙，经过定向连续拉工艺，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23um(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0.0877时进行，在退火过程中采用N2来做为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为600℃，退火速率为90m/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N2来做为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为450℃，退火速率为100m/min；线材最后退火段的张力设定为0.3克。
最后退火结束后，银合金键合丝经过冷却到25℃，得到所需的封装用银合金键合丝。
实施例1和无金对比例在可靠性的差别，主要区别热冲击部分。具体老化试验条件如表3。试验封装形式是LED封装中的SMD2835，BSOB打线，封装硅胶采用道康宁OE6650。
表3.冷热冲击试验方法
老化结果如表4所示
表4.冷热冲击试验结果
试验表明本发明实例1产品相对于无金对比例1，可靠性得到很大提升。在热冲击试验中实施例1在150cycle完全没有失效情况，而无金产品的失效率达到了17.5％。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种用于BBOS、BSOB打线方式的高可靠性银合金键合丝，其特征在于含有重量比为：
2-4.0％的Pd，
6.5-11％的Au，
85％-90％的Ag，以及
含量在5-55ppm之间、用以改进线材机械性能的Ca、Fe、Cu、Si中的一种或一种以上的掺杂元素；
所述银合金键合丝具有长轴晶区，所述长轴晶区位于以线材中心轴线为对称线，半径为1/3R～1/2R范围内的圆柱体内，其中R为线材的半径；所述长轴晶区内长轴晶的面积比率占60％以上；所述银合金键合丝是多晶体结构，这些晶体的[100]方向与银合金键合丝轴心方向的夹角小于20度的晶体占总晶体数目的60％以上；
在长轴晶区内，退火挛晶的密度小于20％，线材整体退火挛晶密度小于30％。
2.权利要求1所述的银合金键合丝的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：
熔铸：在银原料中按事先确定的材料用料比例加入Au、Pd和掺杂元素，经过定向连续拉工艺，获得直径为6～8mm的线材；
拉丝：对熔铸步骤得到的线材进行拉丝，获得直径为18～50um的银合金键合丝粗品；
最后退火：拉丝完成后，对银合金键合丝粗品进行最后退火处理，退火过程采用N2或惰性气体来做为退火气氛，退火炉有效长度为600～800mm，退火温度为450～550℃，退火速率为90～130m/min；退火过程中的张力设定保持在0.2～0.7g之间；
冷却：退火后的银合金键合丝经过冷却到20～30℃，即得到用于BBOS、BSOB打线方式的高可靠性银合金键合丝。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，还包括在拉丝步骤中对线材进行一次中间退火，中间退火在将线材拉丝至直径为0.0633～0.0384mm时进行，退火过程采用N2或惰性气体做为退火气氛，退火炉有效长度为600～800mm，退火温度为500～610℃，退火速率为80～120m/min。
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