CN105810652A - 接合线 - Google Patents

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许�永
许永一
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Abstract

本发明涉及一种接合线，其包含：线芯，其含有作为主要组分的银(Ag)和至少一种选自铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、锇(Os)、金(Au)和镍(Ni)中的元素，和在线芯的外表面上形成的金(Au)材料的涂层。

Description

接合线
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年1月19日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2015-0008759的权利，该韩国专利申请的公开内容通过引用以其全部结合在此。
技术领域
一个或多个示例性实施方案涉及接合线及其接合方法，并且更具体地，涉及接合线，所述接合线具有出色的高湿可靠性及改进的当在大气中形成无空气焊球(freeairball,FAB)时的焊球形状均匀性和在线的尖端上形成的形状，以及其接合方法。
背景技术
用于安装半导体器件的封装包括各种类型的结构。仍然广泛使用接合线将基板与半导体器件连接或者将数个半导体器件连接。金接合线已经广泛用作接合线。然而，因为金是昂贵的材料并且近来其价格已经飞涨，所以已经存在对于可以代替金接合线的接合线的需求。已经作为用于金线的替代材料突出的铜线具有以下缺点：经常发生焊点裂纹(padcrack)现象即芯片在球焊期间由于铜的固有的高刚性而开裂，以及对于高集成封装来说所需的凸点上针脚(stitch-on-bump,SOB)接合由于铜的高刚性和强氧化而未得到解决。作为对此的解决方案，已经积极进行了对于含有价格比较低的银(Ag)作为主要组分的接合线的研究。尽管已经通过将银和其他金属元素合金化而努力开发显示优秀性能的接合线，但仍有很大的改进空间。
发明内容
一个或多个示例性实施方案包括一种接合线，其具有出色的高湿可靠性及改进的当在大气中形成无空气焊球(FAB)时的焊球形状均匀性和在线的尖端上形成的形状。
一个或多个示例性实施方案包括包括一种接合线的接合方法，所述接合线具有出色的高湿可靠性及改进的当在大气中形成FAB时焊球形状均匀性和在线的尖端上形成的形状。
另外的方面部分将在后续的描述中陈述，并且部分将由描述变得显而易见或可以通过本发明的示例性实施方案的实践习得。
根据一个或多个示例性实施方案，接合线包含：线芯，所述线芯含有作为主要组分的银(Ag)和至少一种选自铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、锇(Os)、金(Au)和镍(Ni)的元素，以及在所述线芯的外表面上形成的金(Au)材料的涂层。
涂层的厚度可以为30至200nm。
涂层的厚度可以为40至170nm。
金(Au)的纯度可以等于或大于99％。
当在大气中在接合线的尖端形成无空气焊球时，在无空气焊球的外表面上的金(Au)含量可以为约5至35重量％。
根据一个或多个示例性实施方案，线接合方法包括：准备接合线，在大气中在接合线的尖端形成无空气焊球，以及将无空气焊球附接至半导体芯片的焊点(pad)，其中所述接合线包含：线芯，所述线芯含有作为主要组分的银(Ag)和至少一种选自铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、锇(Os)、金(Au)和镍(Ni)的元素，以及在所述线芯的外表面上形成的金(Au)材料的涂层。
涂层的厚度可以为约30至200nm。
涂层的厚度可以为约40至170nm。
在无空气焊球的外表面上的金(Au)含量可以为约5至35重量％。
涂层可以通过镀敷形成。
附图说明
根据以下与附图结合的示例性实施方案的描述，这些和/或其他方面将变得明显或更容易理解，在附图中：
图1是根据一个示例性实施方案的接合线的透视图；
图2是沿着图1的接合线的线A-A取得的横截面图；
图3A和3B是根据一个示例性实施方案制造接合线的方法的框图；
图4图示了表1中的比较例1和2及实验例10的SEM图像；
图5图示了表1中的比较例2和10的EDX分析图像；
图6图示了表1中的比较例2和实验例10的硫化测试之前和之后的图像；并且
图7图示了显示表1中的实验例20和24中的金涂层的流挂(sagging)现象的图像。
具体实施方案
参照附图详细地描述本发明构思的示例性实施方案。不过，本发明构思不限于此，并且将要理解的是，可以在不脱离后附权利要求的精神和范围的情况下在其中进行各种形式和细节上的变化。也就是说，可以仅仅为了解释本发明构思的示例性实施方案而给出对具体结构或功能的描述。相似的附图标记在全文中指的是相似的要素。此外，图中的各种要素和区域是示意性地图示的。因此，本发明构思不限于在图中图示的相对尺寸或间隔。在以下示例性实施方案中，单位“wt％(重量％)”表示合金总重量中某种组分的重量。
术语如“第一”和“第二”在本文中仅仅用于描述多个组成要素，但这些组成要素不受这些术语限制。这样的术语仅仅用于将一个组成要素与另一个组成要素区分开来的目的。例如，在不脱离本发明构思的权利范围的情况下，可以将第一组成要素称为第二组成要素，并且反之亦然。
在本说明书中使用的术语用于解释具体的示例性实施方案，而不用于限制本发明构思。因此，除非在上下文中另外明确地规定，在本说明书中以单数形式使用的表达也包括其复数形式的表达。而且，术语如“包括”或“包含”可以解释为表示某个特性、数字、步骤、操作、组成要素或它们的组合，但是不可以解释为排除增加一个或多个其他特性、数字、步骤、操作、组成要素或它们的组合的存在或可能性。
除非另外定义，本文所使用的全部术语，包括技术或科学术语，都具有与本发明构思可能所属的技术领域的普通技术人员通常理解的那些相同的含义。将如常用的字典中所定义的那些术语解释为具有与在相关技术的上下文中的含义相匹配的含义，并且除非另外清楚地定义，不将它们解释为理想形式的或过度形式的。
本发明构思公开了一种银合金接合线，其含有作为主要组分的银(Ag)，和非常少量的其他组分。主要组分表示一种元素对于总组分的浓度超过50％。换言之，作为主要组分的银(Ag)表示银对于银和其他元素的总量的浓度超过50％。浓度表示基于原子的摩尔数的浓度。
图1是根据一个示例性实施方案的接合线的透视图。图2是沿着图1的接合线的线A-A取得的横截面图。
如图1和2中图示的，接合线100可以包含内部线芯120和外部涂层140。内部线芯120具有直径恒定的圆柱棒形状，并且由含有银作为主要组分的合金制成。
外部涂层140具有管形状，具有恒定厚度的环形截面，包围内部线芯120的外表面，并且由纯度超过约99％的金(Au)形成。
这样，因为接合线100具有其中用高纯度金包围银合金的结构，所以接合线100就线的外表面而言可以保持与其中接合线仅使用金形成的现有情况相同的刚性和强度。因此，和金的接合线制造类似，即使当对半导体芯片焊点和基板在接合过程中施加冲击时，也可以在不损坏半导体芯片焊点和基板的情况下进行该过程，并且可以通过用高纯度金包围银合金的形状防止银合金的氧化。而且，类似于仅由金形成的现有接合线，具有其中用高纯度金包围银合金的结构的根据本示例性实施方案的接合线100可以保持优秀的性能如抗腐蚀性、延性、弹性和导电性。
此外，因为根据本示例性实施方案的接合线100具有其中仅在合金的外侧涂布高纯度金的结构，所以与仅由金形成的现有接合线相比，可以显著降低制造成本。
然而，尽管根据相关技术的接合线通过仅仅包含由银合金形成的线芯或者在由银合金形成的线芯上涂布金防止了氧化，但是，为了产生无空气焊球(FAB)以将接合线接合到半导体芯片焊点上而使用在其中仅使用氮气或使用氮和氢的混合气的氮气气氛仍然是个问题。在FAB形成过程期间，当通过场发射将线熔融时形成FAB。在根据相关技术的接合线中，在大气中形成FAB期间，由于快速氧化，不稳定地形成焊球。
因此，尽管在根据相关技术的接合线中FAB的形状在氮气氛中是稳定的，但需要气体成套设备和气体消耗费用以制造氮气氛。而且，因为在FAB的形状条件中根据气流速率多样地产生变形条件，所以需要大量时间和努力以对接合线施加变形条件。
然而，在根据本示例性实施方案的接合线100中，金持续地涂布在银合金芯的外表面上，即，用高纯度金的外部涂层140将银合金的内部线芯120涂布至约30至200nm特别是约40至170nm的厚度。因此，在大气状态下，FAB的形状稳定地形成为球形，并且因此，接合线100可以容易地接合至半导体芯片焊点和基板，并且其高湿可靠性可以等于或好于根据相关技术的银合金接合线的高湿可靠性。
高湿可靠性可以由根据FAB的形状和氧化的程度变化的接合线的接合性所导致。与根据其中在大气中不稳定形成FAB形状的相关技术的接合线不同，当金的外部涂层140具有上述厚度时，形成最佳的FAB形状。在接合至半导体芯片焊点的接合线的尖端处的FAB的表面的金涂层与半导体芯片焊点之间形成金属间化合物(IMC)，使得可以改善高湿可靠性。
1.样品的制备
图3A是根据一个示例性实施方案制造接合线100的方法的框图。
操作S200：通过使用高纯度银(Ag)或使用银(Ag)作为主要组分，将铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、锇(Os)、金(Au)和镍(Ni)中的至少一种以约1至20重量％熔融并连续铸造以制造合金化的铸件材料。可以经过连续拉拔过程的多个步骤将高纯度银(Ag)或合金化的铸件材料加工成直径为200μm以下的第一线。
详细地参照图3B，为了获得想要的组成，将含有银(Ag)作为主要组分的金属材料在熔融炉中熔融并铸造，从而制造金属材料的合金溶液(S210)。在此状态下，可以加入除了银(Ag)之外的性能控制组分。
随后，将该金属材料的合金溶液冷却并固化，并且随后可以通过锻造和轧制获得合金片(S220)。随后，可以将合金片首先细化至直径为约6mm至约9mm(S230)。
对该细化至直径为6mm至约9mm的第一细化线进行拉拔和热处理(S240)。拉拔和热处理过程可以包括逐渐细化并对第一细化线进行热处理的过程。为了细化第一细化线，第一细化线通过多级模口(dice)以减小细化线的截面。
该方法可以包括当细化线的直径为约0.5mm至约5mm时进行第一热处理的过程。第一热处理可以例如在约550℃至约700℃的温度进行约0.5秒至约5秒。特别地，第一热处理可以在约600℃至约650℃的温度进行约2秒至约4秒。
备选地，该方法可以包括当细化线的直径为约0.05mm至约0.4mm进行第二热处理的过程。第二热处理可以例如在约550℃至约700℃的温度进行约0.5秒至约5秒。特别地，第二热处理可以在约600℃至约650℃的温度进行约2秒至约4秒。
本领域普通技术人员可以理解，细化线的直径随着它依次通过多个模口而减小。换言之，随着细化线依次通过多次排列为具有逐渐降低的孔尺寸的模口，细化线的直径减小。
当细化线的直径处于一定范围时，以上热处理可以在模口之间进行。换言之，当细化线的直径为约0.5mm至约5mm时，可以在某两个模口之间进行第一热处理。当细化线的直径为约0.1mm至约0.5mm时，可以在某两个模口之间进行第二热处理。
将细化线依次拉拔，直至通过拉拔过程制成具有想要的直径的接合线，从而减小线的截面。在此状态下，在通过模口之前和之后，接合线的面积可以调整减小约7％至约15％。换言之，该过程可以配置为，使得当受拉拔的线通过一个模口时，通过模口之后的接合线的截面与通过模口之前的接合线的截面相比，接合线的面积减小为减小约7％至约15％。尤其是，在将线拉拔以具有在约50μm以下的范围内的直径的过程中，接合线的面积可以调整减小约7％至约15％。
当接合线的面积减小过高时，接合线中晶粒的分布可能过度增加。而且，当接合线的面积减小过低时，获得具有想要的直径的接合线的拉拔过程的数量过度增加，这在经济上可能是不利的。
备选地，在拉拔完成后，可以进行附加的退火，以调节伸长(S250)。用于调节伸长的退火条件可以根据细化线的组成、面积的减小或热处理条件而变化。然而，退火可以在约400℃至约600℃的温度进行约1秒至约20分钟。本领域普通技术人员可以适当地选择详细的退火条件。
当退火温度过低时，可能不保证接合所需的延性和展性。反之，当退火温度过高时，晶粒尺寸可能过度增加并且可能产生缺陷如在接合期间回线(loop)的流挂。
而且，当退火时间过短时，可能不保证加工所需的延性和展性。反之，当退火时间过长时，晶粒尺寸可能过度增加，这在经济上是不利的。
可以例如通过将接合线以合适的速度通过炉，进行上述退火过程。而且，将接合线通过炉所用的时间可以由退火时间和炉的尺寸决定。
操作S300：可以通过如在表1中所示围绕第一线形成一定厚度的金层，来制备第二线。形成金层的方法可以通过电解液镀敷、无电镀或溅射方法进行。当通过镀敷形成金层时，在镀敷过程期间，镀敷溶液的pH可以设置到约5(弱酸)至约7(中性)，并且镀敷溶液的温度可以保持在约50℃。而且，通过添加无机添加剂铊(Tl)、硒(Se)和锗(Ge)中的一种，可以防止与线芯的边界扩散并可以增加覆盖力(throwingpower)。
操作S400：对第二线进行电解清洁和活化加工作为预处理。在各个过程后，可以进行水清洁和吹气。在对第二线进行预处理之后，完成表1中所示的接合线。
2.测试方法
尽管在以下描述中，用比较例和实验例详细描述了本发明构思的结构和效果，但实验例用于清楚地说明本发明构思，而不用于限制本发明构思的范围。在比较例和实验例中，通过以下方法评价物理性质。
(1)焊球形状均匀性
将直径为约20μm的接合线100的尖端形成为直径为约42μm的焊球，并且接合至半导体芯片焊点。在此状态下，测量纬向长度和经向长度的比率，并且观察：比率是否接近1，接合线100是否位于球的中央，球的边缘是否像正圆形一样光滑还是存在像花瓣形一样的弯曲部分。
当确定焊球的纬向长度和经向长度的比率等于或大于0.99、接合线100位于球的中央并且边缘是没有花瓣形的正圆形时，将焊球形状均匀性评价为◎。当确定焊球的纬向长度和经向长度的比率等于或大于0.96且小于0.99、接合线100位于球的中央并且边缘是没有花瓣形的正圆形时，将焊球形状均匀性评价为O。当确定焊球的纬向长度和经向长度的比率等于或大于0.9、边缘不具有花瓣形并且焊球形状均匀性不属于◎或O时，将焊球形状均匀性评价为△。否则，将焊球形状均匀性评价为X。
(2)金涂层的稳定性
在制造根据本示例性实施方案的接合线100之后，在FAB在接合线的尖端上形成之后，通过能量色散X射线(EDX)分析在FAB的外部涂层中存在的金。根据在FAB的外部涂层中的金的含量，检查FAB的形成是否稳定。在EDX分析期间，当根据外部涂层中的金的含量的金的重量％大于9且等于或小于30时，将金涂层的稳定性评价为◎。当根据外部涂层中的金的含量的金的重量％大于5且等于或小于9或者大于30且等于或小于35时，将金涂层的稳定性评价为△。当根据外部涂层中的金的含量的金的重量％等于或小于3或大于35时，将金涂层的稳定性评价为X。
(3)在线表面上的硫化现象
制备两个各自具有200根接合至芯片焊点的线的样品，并且由主要从回线上方通过显微镜观察的线表面的颜色变化评价硫化现象。在包含约3ppm的硫化氢(H2S)气体的气氛中，将样品暴露在最差的应力(stress)条件下，即在室温下、在约80％的湿度下并且持续48小时。当认定的线在线表面上受到硫化的数量等于或小于1时，将线表面硫化评价为◎，其是出色的。当认定的线在线表面上受到硫化的数量在2至5之间时，将线表面硫化评价为O，其是实用上可接受的。当认定的线在线表面上受到硫化的数量在6至19之间时，将线表面硫化评价为△，其需要改善。当认定的线在线表面上受到硫化的数量大于20时，将线表面硫化评价为X。
(4)高湿可靠性
制备两个各自具有200根接合至芯片焊点的线的样品，并用环氧模制树脂通过密封封装。将封装置于约121℃的温度且约85％的湿度下各96小时、144小时和192小时。在此状态下，按百分比测量在接合表面上具有短路的线的缺陷率，并且评价高湿可靠性。
3.测试结果
通过以上测试方法测量的测试结果示于表1中。
图4图示了表1中的比较例1和2及实验例10的SEM图像。图5图示了表1中的比较例2和10的EDX分析图像。
在本测试中，第一线即内部线芯120，具有其中以1重量％含有钯(Pd)并且其余部分由银形成的合金比率。通过改变在接合线100的外部涂层140中的金的厚度，进行测试。当金涂层140的厚度增加时，EDX的数据与之成比例地增加。
[表1]
在比较例1中，FAB在氮气氛中形成在接合线上，所述接合线具有以1重量％含有钯(Pd)并且剩余部分由银钯(Pd)形成的合金比率，并且不具有金涂层。
在比较例2中，FAB在大气中形成在接合线上，所述接合线具有以1重量％含有钯(Pd)并且剩余部分由银钯(Pd)形成的合金比率，并且不具有金涂层。
在其中在银合金接合线上没有形成金涂层的比较例1和2中，在氮气氛过程中制造的FAB显示出色的焊球形状和高湿可靠性，而在大气中制造的FAB与上述情况相反显示不良的焊球形状和不良的高湿可靠性。
在实验例1至25中，通过在接合线上形成FAB，所述接合线具有以1重量％含有钯(Pd)并且剩余部分由银形成的合金比率，通过将金涂层的厚度从约2nm增加至350nm，测量数据。随着金涂层厚度的增加，EDX的数据成比例地增加。
在实验例1至7中，可以看到，焊球形状是不良的或者可接受的，且高湿可靠性的评价与比较例1相比不好。
在实验例8、17和18中，焊球形状、线表面硫化以及高湿可靠性都非常良好，而金涂层稳定性看来良好。因此，具有实验例8、17和18中的金涂层厚度的接合线看来具有良好的性能。
在实验例9至16中，焊球形状、金涂层稳定性、线表面硫化和高湿可靠性看来都非常良好。因此，具有实验例9至16中的金涂层厚度的接合线看来具有非常良好的性能，并且确定它们在整个本测试中处于具有最出色性能的金涂层的厚度范围内。而且，在实验例9至16中，EDX分析结果显示涂层的金含量为约5至35重量％。
在实验例19至25中，尽管焊球形状良好，但金涂层稳定性看来不良并且高湿可靠性看来是差的。换言之，当金涂层的厚度高于特定厚度，确定除了线表面硫化之外的其他性能劣化。
4.根据金涂层的厚度的改进效果
如在测试结果中所示，当在接合线100上形成厚度为约30至200nm的金的外部涂层140时，可以看到，与于氮气氛中FAB的形成相比，即使在于大气中FAB的形成的情况中，焊球形状、金涂层稳定性、线表面硫化和高湿可靠性也是类似的或更好的。
尤其是，在实验例9至16中，换言之，当金涂层140的厚度为约40至170nm时，所有性能看来是出色的。当金涂层140的厚度过薄时，焊球形状、金涂层稳定性和高湿可靠性看来不良。当金涂层140的厚度过厚时，金涂层稳定性和高湿可靠性看来不良。
如在图6中所示，当未形成金涂层或者金涂层的厚度过薄时，可以看到，线表面硫化的性能看来不良。在图6中，(a)是在比较例2的硫化测试之前的扫描电子显微镜(SEM)图像，(b)是比较例2的硫化测试之后的SEM图像，(c)是实验例10的硫化测试之前的SEM图像，且(d)是实验例10的硫化测试之后的SEM图像。
相比起来，如在图7中所示，当金涂层的厚度过厚时，在FAB中可能发生不稳定现象如金涂层的流挂现象。因此，金涂层的厚度可以形成为等于或小于约200nm。图7图示了显示在表1中的实验例20和24中的金涂层的流挂现象。
5.结论
在如在比较例1中的根据相关技术的银合金接合线的情况下，尽管FAB的形成在氮气氛中是稳定的，但为了制造氮气氛，产生了气体成套设备和气体消耗费用。而且，因为在FAB的形状条件中根据气流速率多样地产生变形条件，所以需要大量时间和努力以对接合线施加变形条件。
根据本发明构思，即使当FAB在不形成氮气氛的情况下在大气中在接合线的尖端形成时，性能如焊球形状和高湿可靠性也是良好的，从而可以降低制造费用。
应当理解，应当认为本文所述的示例性实施方案仅是描述性的并且不用于限制的目的。通常应当认为在各示例性实施方案中的特征或方面的描述可以用于在其他示例性实施方案中的类似的特征或方面。
尽管已经参照附图描述了一个或多个示例性实施方案，本领域普通技术人员将理解的是，可以在不脱离由后附权利要求所限定的精神和范围的情况下在其中可以进行各种形式和细节上的变化。

Claims (10)

1.一种接合线，所述接合线包含：
线芯，所述线芯含有作为主要组分的银(Ag)，和至少一种选自铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、锇(Os)、金(Au)和镍(Ni)的元素；以及
在所述线芯的外表面上形成的金(Au)材料的涂层。
2.根据权利要求1所述的接合线，其中所述涂层的厚度为约30至200nm。
3.根据权利要求1所述的接合线，其中所述涂层的厚度为约40至170nm。
4.根据权利要求1所述的接合线，其中所述金(Au)的纯度等于或大于99％。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的接合线，其中，当在大气中在所述接合线的尖端形成无空气焊球时，在所述无空气焊球的外表面上的金(Au)含量为约5至35重量％。
6.一种线接合方法，所述线接合方法包括：
准备接合线；
在大气中在所述接合线的尖端形成无空气焊球；以及
将所述无空气焊球附接至半导体芯片的焊点，
其中所述接合线包含：
线芯，所述线芯含有作为主要组分的银(Ag)，和至少一种选自铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、锇(Os)、金(Au)和镍(Ni)的元素；以及
在所述线芯的外表面上形成的金(Au)材料的涂层。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述涂层的厚度为约30至200nm。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述涂层的厚度为约40至170nm。
9.根据权利要求6所述的方法，其中在所述无空气焊球的外表面上的金(Au)含量为约5至35重量％。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述涂层通过镀敷形成。
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