CN108062991B - 银合金线材 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种银合金线材，其含有银、钯、金及镍，以银、钯、金及镍的总重为基准，钯的含量为1.0重量百分比至5.0重量百分比，金的含量为0.01重量百分比至1.0重量百分比，镍的含量为0.03重量百分比至2.0重量百分比。通过控制银合金线材的组成，本发明能具体避免银合金线材在热影响区发生晶粒成长的问题，因而能有利于提升银合金线材的机械强度以及银合金线材和焊垫之间的接合强度，使其得以通过冷热冲击和拉线弧高等试验。

Description

银合金线材
技术领域
本发明涉及一种金属线材，尤指一种应用于打线封装制造方法的银合金线材。
背景技术
常见的银合金线材主要由银、金及钯成分所组成，在打线封装制造方法中，通常会先采用电弧加热的方式，使银合金线材的末端受热熔融成球形的FAB(free air ball)后，再将FAB经由瓷嘴焊针下压而与一焊垫接合形成第一焊点，而银合金线材的另一端则会被牵拉至另一导电焊垫处，并与另一导电焊垫接合，形成第二焊点，由此构成一电路的导通。
因应用于不同电路设计与封装形式等需求，当第一焊点形成之后，往往需要将银合金线材通过不同程度的转折而与另一导电焊垫接合，以实现电路连接的目的。
然而，受到电弧热量的影响，邻近FAB的线材晶粒会受热而成长，此晶粒大量成长的区域即称为“热影响区”(heat affected zone，HAZ)。由于热影响区的线材晶粒通常比一般中间区域的线材晶粒还要粗大，因而热影响区的线材也有机械强度不足的问题。
因此，对于热影响区长度较长的银合金线材而言，当其在打线封装制造方法中正好面临转折角度非常大或线弧高度非常低的需求时，易使转折点刚好落在热影响区的位置，致使银合金线材容易在转折点发生线材断裂的情形，而影响接合的品质。
发明内容
有鉴于现有技术存在的缺点，本发明的目的在于抑制银合金线材中热影响区的晶粒成长，以避免银合金线材容易在转折点发生线材断裂的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种银合金线材，其含有银、钯、金及镍，以银、钯、金及镍的总重为基准，钯的含量为1.0重量百分比至5.0重量百分比，金的含量为0.01重量百分比至1.0重量百分比，镍的含量为0.03重量百分比至2.0重量百分比，其余为银。
通过控制银合金线材的组成，本发明的银合金线材能在轴心区域获得细长的连续长轴晶晶粒，因而当其进行烧球制造方法之后，能确保邻近FAB的热影响区的晶粒仍是呈现出类似于线材中心的细小条状长轴晶晶粒，抑制热影响区发生晶粒成长的现象，使本发明银合金线材中连续长轴晶晶粒占银合金线材的长轴断面的比例大于9％，银合金线材的热影响区的晶粒尺寸相对于线材中间区域的晶粒尺寸的比值小于1.1。
于此，本发明银合金线材中连续长轴晶晶粒占银合金线材的长轴断面的比例越高，银合金线材受高热的影响越不明显，因此在烧球制造方法之后，银合金线材的热影响区的晶粒尺寸相对于线材中间区域的晶粒尺寸的比值越低，即银合金线材的热影响区不会有明显晶粒成长的现象。
在其中一实施例中，镍的含量优选为0.05重量百分比至1.0重量百分比；在另一实施例中，钯的含量为2.0重量百分比至4.0重量百分比；在又一实施例中，金的含量为0.2重量百分比至0.8重量百分比。
更优选的，在前述银合金线材的组成中，镍的含量为0.05重量百分比至1.0重量百分比，钯的含量为2.0重量百分比至4.0重量百分比，金的含量为0.2重量百分比至0.8重量百分比。因此，本发明的技术手段能进一步抑制因高热影响而在其热影响区发生晶粒成长的现象，银合金线材的热影响区的晶粒尺寸相对于线材中间区域的晶粒尺寸的比值小于或等于1.03。
优选的，镍的含量为0.4重量百分比至0.6重量百分比，钯的含量为1.0重量百分比至3.0重量百分比，金的含量为0.4重量百分比至0.6重量百分比。因此，本发明的银合金线材中连续长轴晶晶粒占银合金线材的长轴断面的比例大于20％。
本发明的技术手段通过控制银合金线材的组成，能具体抑制银合金线材受到高热影响而在其热影响区发生晶粒成长的问题；因此，本发明的技术手段能同时提升银合金线材的机械强度以及银合金线材和焊垫之间的接合强度，确保银合金线材能顺利通过冷热冲击试验和拉线弧高试验，而不会有失效的问题。
附图说明
图1A为利用聚焦式离子束显微镜观察实施例1的银合金线材在烧球前的影像图，其中白色实线线条所圈选的区域为整体银合金线材的观察区域，此观察区域中包含白色虚线线条所圈选的轴心区域以及未被白色虚线线条所圈选的轴心外侧两旁的区域。
图1B为利用聚焦式离子束显微镜观察实施例2的银合金线材在烧球前的影像图，其中白色实线线条所圈选的区域为整体银合金线材的观察区域，此观察区域中包含白色虚线线条所圈选的轴心区域以及未被白色虚线线条所圈选的轴心外侧两旁的区域。
图1C为利用聚焦式离子束显微镜观察实施例3的银合金线材在烧球前的影像图，其中白色实线线条所圈选的区域为整体银合金线材的观察区域，此观察区域中包含白色虚线线条所圈选的轴心区域以及未被白色虚线线条所圈选的轴心外侧两旁的区域。
图2A为利用聚焦式离子束显微镜观察比较例1的银合金线材在烧球前的影像图。
图2B为利用聚焦式离子束显微镜观察比较例2的银合金线材在烧球前的影像图。
图2C为利用聚焦式离子束显微镜观察比较例3的银合金线材在烧球前的影像图。
图2D为利用聚焦式离子束显微镜观察比较例6的银合金线材在烧球前的影像图。
图3A为利用聚焦式离子束显微镜观察实施例1的银合金线材在烧球后的影像图。
图3B为利用聚焦式离子束显微镜观察实施例2的银合金线材在烧球后的影像图。
图3C为利用聚焦式离子束显微镜观察实施例3的银合金线材在烧球后的影像图。
图4A为利用聚焦式离子束显微镜观察比较例1的银合金线材在烧球后的影像图。
图4B为利用聚焦式离子束显微镜观察比较例2的银合金线材在烧球后的影像图。
图4C为利用聚焦式离子束显微镜观察比较例3的银合金线材在烧球后的影像图。
图4D为利用聚焦式离子束显微镜观察比较例6的银合金线材在烧球后的影像图。
具体实施方式
以下，将通过具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可经由本说明书的内容轻易地了解本发明所能达成的优点与功效，并且在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更，以施行或应用本发明的内容。
银合金线材的制备
实施例1至8、比较例1至6的银合金线材大致上采用如下述的方法所制得：
首先，将铜坩埚内部抽真空至4.0torr以下后，再通入氩气至1大气压，依此步骤连续进行三次，再使用450安培电流，将银(Ag)、钯(Pd)、金(Au)、镍(Ni)等纯原料利用电弧加热方式熔融成预合金铸锭。在此步骤中，所添加银的重量百分比为钯的重量百分比的4倍。
接着，经真空感应熔炼(vacuum induction melting，VIM)制造方法，在氩气的保护气氛下，将前述预合金铸锭与适当比例的纯银利用高周波熔融方式，设定于1200℃的温度连续铸造熔炼10分钟，以获得线径为10mm的银合金母棒。
在前述真空感应熔炼制造方法中，所制得的银合金母棒的组成如下表1所示；在真空感应熔炼制造方法中，将余量的纯银与预合金铸锭连铸熔炼成银合金母棒。以实施例1的Ag-Pd-Au-Ni合金母棒的组成为例，先将2.0wt％的纯钯、0.5wt％的纯金、0.05wt％的纯镍和8.0wt％的纯银混合熔融成Ag-Pd-Au-Ni预合金铸锭；再在真空感应熔炼制造方法中将前述的Ag-Pd-Au-Ni预合金铸锭与89.45wt％的纯银熔炼成如表1所示的组成的Ag-Pd-Au-Ni合金母棒。此外，以比较例1的Ag-Pd-Au合金母棒的组成为例，先将2.0wt％的纯钯、0.5wt％的纯金和8.0wt％的纯银混合熔融成Ag-Pd-Au预合金铸锭；再在真空感应熔炼制造方法中将前述的Ag-Pd-Au预合金铸锭与89.5wt％的纯银熔炼成如表1所示的组成的Ag-Pd-Au合金母棒。
表1：各实施例与比较例中银合金母棒的组成，各成份的含量以重量百分比(wt％)表示，此银合金母棒的组成相当于经多次伸线及退火制造方法之后所制得的银合金线材的组成。
银 钯 金 镍
实施例1 97.45wt％ 2.0wt％ 0.5wt％ 0.05wt％
实施例2 97wt％ 2.0wt％ 0.5wt％ 0.5wt％
实施例3 95.5wt％ 2.0wt％ 0.5wt％ 2.0wt％
实施例4 98wt％ 1.0wt％ 0.5wt％ 0.5wt％
实施例5 96wt％ 3.0wt％ 0.5wt％ 0.5wt％
实施例6 94wt％ 5.0wt％ 0.5wt％ 0.5wt％
实施例7 97.45wt％ 2.0wt％ 0.05wt％ 0.5wt％
实施例8 96.5wt％ 2.0wt％ 1.0wt％ 0.5wt％
比较例1 97.5wt％ 2.0wt％ 0.5wt％ 0wt％
比较例2 97.48wt％ 2.0wt％ 0.5wt％ 0.02wt％
比较例3 95wt％ 2.0wt％ 0.5wt％ 2.5wt％
比较例4 93.5wt％ 5.5wt％ 0.5wt％ 0.5wt％
比较例5 91.5wt％ 5.5wt％ 2.5wt％ 0.5wt％
比较例6 89.5wt％ 5.5wt％ 2.5wt％ 2.5wt％
接着，将前述银合金母棒放入高温烘箱中，以850℃均质化热处理时间2小时；再将经均质化热处理的银合金母棒依序进行粗抽伸线及中抽伸线制造方法，直至线径伸线为小于0.3mm。线材伸长率(elongation，EL％)控制在6％。
之后，经伸线制造方法的线材先于300℃下进行退火热处理，再进行第三道细拉抽线制造方法，将线材抽线至线径为23μm，再在580℃下进行第二次退火热处理，得到各实施例与比较例的银合金线材。于此，各实施例与比较例中经过多次伸线制造方法和退火制造方法所得的银合金线材的组成与前述银合金母棒大致雷同，因而表1所示的组成也可视为是各实施例与比较例的银合金线材的组成。
根据上表1所示的组成，实施例1至8的银合金线材中，其钯的含量皆落在1.0wt％至5.0wt％的范围内，金的含量皆落在0.01wt％至1.0wt％的范围内，镍的含量皆落在0.03wt％至2.0wt％的范围内，其余为银；但比较例2至6的银合金线材的组成中则至少有一成份未落在前述范围内，且比较例1的银合金线材中更未存在有镍的成份。
试验例1：烧球前银合金线材的晶粒分析
本试验例选用前述实施例1至8、比较例1至6的银合金线材为待测样品，即未经烧球制造方法之前的银合金线材，利用聚焦式离子束显微镜(focused ion beammicroscopy，FIB microscopy)观察银合金线材中是否存在再结晶晶粒成长的情形，另由观察结果计算位于轴心区域的连续长轴晶晶粒占整体观察区域的面积比例，其结果整理如下表2所示。于此，所述整体观察区域也可称为“银合金线材的长轴断面”。
表2：利用聚焦式离子束显微镜观察实施例1至8、比较例1至6的银合金线材是否存在再结晶晶粒以及线材的轴心区域的连续长轴晶晶粒占整体观察区域的面积比例。
Figure BDA0001147477260000061
为进一步说明实验中利用聚焦式离子束显微镜观察银合金线材的晶粒成长情形，在本说明书中进一步以观察实施例1至3、比较例1至6的银合金线材所得的结果做示范性的说明。请参阅图1A、图1B、图1C所示，实施例1至3的银合金线材位于轴心区域的结构为细长的连续长轴晶晶粒，而其位于轴心外侧两旁的结构则是细小的等轴晶晶粒；反观图2A至2D所示，比较例1至3及6的银合金线材位于轴心以及轴心外侧两旁的区域则可观察到在退火之后生成的再结晶晶粒，但其轴心区域并未观察到有连续长轴晶晶粒存在。
由此可见，在银合金线材中添加镍成份同时控制银合金线材的组成，能有效地抑制晶粒再结晶与晶粒成长的情形，使实施例1至8的银合金线材位于轴心位置的结构皆为细长的长轴晶晶粒。
此外，如上表2所示，实施例1至8的银合金线材的轴心区域的连续长轴晶晶粒(即如图1A至图1C中白色虚线线条所圈选的区域)占整体观察区域(即如图1A至图1C中白色实线线条所圈选的区域)的面积比例皆大于9％，即各实施例的银合金线材的轴心区域皆形成有连续长轴晶晶粒，且实施例2、4、5的银合金线材的轴心区域的连续长轴晶晶粒占整体观察区域的面积比例更是大于20％；反观比较例1至3与6的银合金线材，由于这些银合金线材的轴心区域因不具有连续长轴晶晶粒，故其轴心区域的连续长轴晶晶粒占整体观察区域的面积比例为0％。
试验例2：经烧球的银合金线材的晶粒分析
本试验例选用前述实施例1至8、比较例1至6的银合金线材为待测样品，使用打线作业机台(ASM AB350)，在通有流量为0.6L/min的氮气气氛下，以24毫安培的电流进行放电结球制造方法，以在各银合金线材的末端形成球形的FAB，得到经烧球的银合金线材，即为后续试验分析中所用的待测样品。于此，所使用的瓷嘴型号为PECO(H1.0/CD1.6/Tip7)。
取得待测样品后，利用聚焦式离子束显微镜观察银合金线材在FAB、热影响区、线材中间区域的晶粒结构。以观察实施例1至3、比较例1至3与6的银合金线材在烧球后所得的结果做示范性的说明，请参阅图3A、图3B及图3C所示，实施例1至3的经烧球的银合金线材在FAB部份的晶粒是呈现出细长扁平长条状分布的结构，且其晶粒方向是与线材平行的方向，且邻近FAB区域的线材晶粒仍是呈现与线材平行的细小条状长轴晶粒，显示实施例1至3的经烧球的银合金线材在经由电弧加热熔融成球形的FAB后，其热影响区的晶粒并没有受到高热影响而产生晶粒成长，其热影响区的晶粒结构仍类似于线材中间区域的晶粒结构；反观图4A至图4D所示，比较例1至3与6的经烧球的银合金线材在FAB部份的晶粒比实施例1至3的经烧球的银合金线材在FAB部份的晶粒更为细长，且邻近FAB的100μm至110μm的区域更可观察到有明显晶粒成长的情形，且线材中间区域的晶粒除了长轴晶晶粒外也可观察到有再结晶晶粒生成，显示比较例1至3与6的银合金线材在经由电弧加热熔融成球形的FAB后，其热影响区已明显生成会降低银合金线材的机械强度的粗大晶粒。
由此可见，在银合金线材中添加镍同时控制银合金线材的组成，除了能有效地细化晶粒使其具有连续长轴晶晶粒外，更能进一步抑制经烧球的银合金线材在热影响区的晶粒成长问题，从而确保邻近FAB的热影响区的晶粒仍是呈现出类似于线材中心的细小条状长轴晶晶粒，避免银合金线材的机械强度受到影响。
除了观察前述晶粒结构外，本试验例更利用聚焦式离子束显微镜观察经烧球的银合金线材在FAB、热影响区、线材中间区域的晶粒尺寸以及是否存在晶粒成长情形，其结果整理如下表3所示。
在下表3中，该中心线材与热影响区的晶粒尺寸是由如图3A至图3C、图4A至图4D的线材纵面结构所量测得到，并根据美国材料与试验学会(ASTM)的规范方法(E112-13)统计截线与晶粒晶界的交叉点，计算得到晶粒的尺寸，即，在线材纵面结构上画米字形截线，计算截线通过晶粒晶界的个数与通过的线段的总长度的比值，计算得到晶粒尺寸的结果。
表3：实施例1至8、比较例1至6的银合金线材在热影响区及线材中间区域的晶粒尺寸、热影响区是否发生晶粒成长以及热影响区的晶粒相对于线材中间区域的晶粒的尺寸比值(简称晶粒尺寸比值)分析结果。
Figure BDA0001147477260000091
如上表2所示，实施例1至8的经烧球的银合金线材并未在热影响区观察到有晶粒成长的情形，且其热影响区的晶粒尺寸相对于线材中间区域的晶粒尺寸的比值皆低于1.1；尤其，实施例1、2、4及7的经烧球的银合金线材中热影响区的晶粒尺寸相对于线材中间区域的晶粒尺寸的比值更小于或等于1.03。
反观比较例1至8的经烧球的银合金线材在其热影响区则可观察到有明显晶粒成长的情形，且其热影响区的晶粒尺寸相对于线材中间区域的晶粒尺寸的比值皆大于1.1；尤其，比较例2的经烧球的银合金线材中热影响区的晶粒尺寸相对于线材中间区域的晶粒尺寸的比值更高达1.9以上。实验结果显示比较例1至8的经烧球的银合金线材在其热影响区的晶粒尺寸较为粗大，故其热影响区的晶粒尺寸相对于线材中间区域的晶粒尺寸的比值明显提高。
试验例3：冷热冲击试验
冷热冲击试验主要是用来测试银合金线材在瞬间下经极高温及极低温的连续环境下所能忍受的程度，藉以在最短时间内试验其因热胀冷缩所引起的化学变化或物理伤害。
在本试验例中，以两个不同温度的交换置放方式进行模拟试验，先于25℃下降至-65℃并持温10分钟，然后再从-65℃加热至150℃，并于150℃下持温10分钟，完成一次冷热交替的循环(30分钟)。
为确保实验分析意义，银合金线材进行冷热冲击试验的样品数各为200颗，重复进行40次循环的冷热冲击试验后的200颗样品再接上电路观察，当200颗样品皆有发亮，则在下表4中以“○”表示；若200颗样品中有一个样品失效，无法发亮，则在下表4中以“×”表示。实施例1至8、比较例1至6的银合金线材的冷热冲击试验结果如下表4所示。
试验例4：拉线弧高试验
银合金线材经由打线机台中的瓷嘴形成第一焊点之后，再通过瓷嘴将银合金线材拉起并牵引至第二焊点，此银合金线材拉起并进行牵引所形成的转折处与第一焊点的距离称为“拉线弧高”。拉线弧高主要会受到金属线材拉线轨迹与金属线材机械性质的影响。拉线弧高主要是测试线材在焊点位置经由瓷嘴牵引使线材转折至另一焊点时，其焊点球颈部是否会发生撕裂的情形。
在本试验例中，各待测样品数为100个焊点，拉线弧高度设定为100μm(以线径0.8mil)，在焊点球颈部位利用扫描式电子显微镜于1500倍放大倍率下进行观察。当100个焊点球颈部位没有裂缝形成，就判定为通过测试，在下表4中以“○”表示；当100个焊点球颈部位有任何一颗发生撕裂情形，就判定不通过测试，在下表4中以“×”表示。实施例1至8、比较例1至6的银合金线材的拉线弧高试验结果如下表4所示。
表4：实施例1至8、比较例1至6的冷热冲击试验和拉线弧高试验的结果。
Figure BDA0001147477260000101
Figure BDA0001147477260000111
综观上述试验例1至4的实验结果，由于比较例1的银合金线材未添加镍成份，比较例2、3及6的银合金线材的镍含量超出0.03wt％至2.0wt％的范围，比较例4至6的银合金线材的钯含量超出1.0wt％至5.0wt％的范围，比较例5的银合金线材的金含量超出0.01wt％至1.0wt％的范围，致使比较例1至6的银合金线材位于轴心区域存在有粗大的再结晶晶粒，且其受到电弧加热的影响会在热影响区发生晶粒成长，使得经烧球的银合金线材在其热影响区的晶粒尺寸相对于线材中间区域的晶粒尺寸的比值皆大于1.1。因此，比较例1至6的银合金线材无法顺利通过冷热冲击试验和拉线弧高试验，而容易有失效的问题。
反观本发明的技术手段，通过控制银合金线材的组成，除了能确保实施例1至8的银合金线材位于轴心区域的结构为细长的连续长轴晶晶粒外，更能确保邻近FAB的热影响区的晶粒仍是呈现出类似于线材中心的细小条状长轴晶晶粒，因此银合金线材的轴心区域的连续长轴晶晶粒占整体观察区域的面积比例可大于9％，且经烧球的银合金线材在其热影响区的晶粒尺寸相对于线材中间区域的晶粒尺寸的比值皆小于1.1。
综上所述，通过调整银合金线材的组成进而控制银合金线材的晶粒结构，本发明的技术手段能有利于提升银合金线材的机械强度以及银合金线材和焊垫之间的接合强度，因而能顺利通过冷热冲击试验和拉线弧高试验，而不会有失效的问题。

Claims (7)

1.一种银合金线材，其含有银、钯、金及镍，以银、钯、金及镍的总重为基准，钯的含量为1.0重量百分比至5.0重量百分比，金的含量为0.01重量百分比至1.0重量百分比，镍的含量为0.03重量百分比至2.0重量百分比；
其中在银合金线材的长轴断面中，银合金线材中连续长轴晶晶粒占银合金线材的长轴断面的比例大于9％；
其中银合金线材的热影响区的晶粒尺寸相对于线材中间区域的晶粒尺寸的比值小于1.1。
2.根据权利要求1所述的银合金线材，其中镍的含量为0.05重量百分比至1.0重量百分比。
3.根据权利要求1所述的银合金线材，其中钯的含量为2.0重量百分比至4.0重量百分比。
4.根据权利要求1所述的银合金线材，其中金的含量为0.2重量百分比至0.8重量百分比。
5.根据权利要求2所述的银合金线材，其中钯的含量为2.0重量百分比至4.0重量百分比，且金的含量为0.2重量百分比至0.8重量百分比。
6.根据权利要求1所述的银合金线材，其中镍的含量为0.4重量百分比至0.6重量百分比，钯的含量为1.0重量百分比至3.0重量百分比，金的含量为0.4重量百分比至0.6重量百分比。
7.根据权利要求1所述的银合金线材，其中在银合金线材的长轴断面中，银合金线材中连续长轴晶晶粒占银合金线材的长轴断面的比例大于20％。
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