CN109207788B - 一种高强韧性、低电阻率的银金合金键合丝的制备方法 - Google Patents

Abstract

发明涉及一种高强韧性、低电阻率的银金合金键合丝的制备方法，采用该方法制备的银金合金键合丝的断裂载荷大于10cN，同时满足伸长率大于18%，且力学性能可调控；电阻率小于1.8μΩ•cm。采用本发明所述方法制备的银金合金键合丝的使用成本相比现有键合金丝的材料成本降低80%以上，且力学性能、电性能、抗氧化性以及键合性能优异，能广泛应用于封装领域。

Description

一种高强韧性、低电阻率的银金合金键合丝的制备方法

技术领域

本发明属于合金领域，特别涉及一种高强韧性、低电阻率的银金合金键合丝的制备方法。

背景技术

随着先进半导体封装技术升级和新型电子行业的发展，作为电子封装关键基础材料之一的键合丝，其要求微细化、高强度、低成本，同时满足集成电路键合过程中稳定的引线弧度、高键合牢度和高稳定性、优异的导电性等综合性能要求。高纯银的电阻率为1.6μΩ•cm，在所有金属中电阻率最小，导电性能最优，且银的散热性要优于金，但纯银丝成球不稳定，易氧化，其使用存在很大挑战。金的电阻率为2.3μΩ•cm，金丝由于其优良的热稳定性、均匀性、耐腐蚀性等性能，尤其在高端领域，是最为广泛应用的键合丝材料之一。但金具有价格高、强度低、以及在与铝盘界面易产生脆性金属间化合物等缺点，为提升键合丝的性能及降低生产成本，各国相关机构开展了可替代的新型金银基合金键合丝的广泛研究及应用开发，使其成为了替代金丝的理想材料。

目前市场上的一些新型合金键合丝从综合性能而言，其断裂负荷一般不超过8cN，伸长率不超过8%，电阻率往往大于2.3μΩ•cm。随着电子行业的小型化、集成化、模块化发展，键合丝的电参数、强度参数、成球参数等要求越来越高，键合丝的线径要求却越来越细。如何开发出力学性能、导电性、键合性能和极细化加工性优异的成本较低的新型键合丝成为我国当前迫切的需求。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种高强韧性、低电阻率、抗氧化的银金合金键合丝的制备方法。采用该方法得到本发明所述银金合金键合丝具有优异的加工性能、高强韧性、优异的导电能和键合性能等优点，其断裂载荷大于10cN，同时满足伸长率大于18%，且力学性能可调控；电阻率小于1.8μΩ•cm。本发明的银金合金键合丝的使用成本相比现有键合金丝的材料成本降低80%以上，且力学性能、电性能、抗氧化性以及键合性能优异，能广泛应用于封装领域。

实现本发明的技术方案是：

本发明所述的高强韧性、低电阻率的银金合金键合丝的制备方法，其银金合金键合丝各组分按重量百分含量为：Ag：80%≤Ag＜100.0%，Au：0%＜Au≤20.0%，添加微量的Ce 、Cu、Pd、Be、Mg、Ca两种或几种，其总含量：0%＜～≤0.01%。有以下步骤：

1）按照上述配比进行配料；

2）高真空中频感应熔炼：

将Au 和部分Ag，其Ag的用量是不大于Ag总量的二分之一，置于高真空中高频熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程中高氩气保护，熔炼温度为1100～1300℃，时间为10-30min，冷却后得到合金铸锭，加工成板材，得到Ag/Au母合金板材；

3）高真空连铸熔炼：

将步骤2）所述母合金板和步骤1）所述的其余配料按照银—Ag/Au母合金—银—添加元素—Ag/Au母合金的顺序放置，置于高真空连铸机中进行熔炼，条件：真空度为1×10^-2～1×10^-3Pa，充入高纯氩气进行保护，熔炼温度为1100～1300℃，完全熔化后，经10-40min精炼，搅拌均匀后拉制成6-10mm的合金杆材；

4）丝材加工：

步骤3）所述的合金杆材在拉丝机上进行粗拉、中拉、细拉及极细拉制，加工变形量分别是：≤20%、≤15%、≤10%、≤5%；拉制成直径Φ≤25μm的银金合金键合丝；

5）连续清洗、连续退火，得到高强韧性、低电阻率的银金合金键合丝。所得高强韧性、低电阻率的银金合金键合丝。

较好的技术方案是，所述合金键合丝各组分按重量百分含量为：Ag：95%≤Ag＜100.0%，Au：0%＜Au≤5.0%，添加微量的Ce 、Cu、Pd、Be、Mg、Ca两种或几种，其总含量为1000ppm以内。

上述的合金键合丝中金纯度为≥99.995%，银纯度为≥99.999%，其他元素纯度≥99.99%。

步骤3）所述添加元素，采用将添加元素包裹在银块，形成包裹物。

步骤5）所述的键合丝连续清洗：用有机溶剂，经过超声清洗，介质为去离子水，速度为5～50m/min，对键合丝的表面去污、去杂质清洗，所述有机溶剂为无水乙醇或丙酮。

步骤5）所述的连续退火的方法是：在保护性气体下进行连续退火并复绕至收线轴上，退火温度为200℃～500℃，退火速度为20～80m/min，所述保护气体是氩气。

所述的余量的银通过压力机压成块，添加元素采用母合金将其包裹密实方式，便于加料且大大减少烧损，同时减少精炼时间；

由于采用了上述技术方案，可以有效避免组分的烧损，达到成分精确控制及均匀化。

银和金通过高真空中频熔炼，获得的母合金成分均匀可控，为后续的合金成分精确控制提供基础。且加工成板材，是对于覆盖和包裹微量添加组分，能有效避免或减少后续熔炼过程的组分的挥发损失。

本发明所述方法中，因组分的熔点不同，按照该顺序放置物料，充分发挥了母合金的最大作用，使其在熔化时多因素影响转变为较单一因素的影响，最大限度地避免和减少微量组分损耗，从而达到成分精确控制及均匀化。

拉制成键合丝，通过合理设计及控制加工变形量，在有应力加工的同时，有效破碎晶粒，使晶粒细小均匀，实现了塑性加工，提高材料的成材率，使丝材能微细化加工。

连续清洗，且根据不同阶段选择不同的介质，通过控制速度，进而达到丝材表面清洁，去除干扰因素，获得高质量的键合丝产品。通过制定合理的热处理制度进行连续退火，能确保丝材具有较好的强韧性，确保合金组织的均匀性和一致性，进而能提高丝材的键合及应用性能。

对于此类极细化微细丝材（≤Φ25μm）的加工，采用合理的热处理工艺以及变形加工设计，能确保丝材具有较好的强韧性，确保合金组织的均匀性和一致性，大大改善了加工性能，提高极细丝材的成品率和表面质量。

申请人实验验证，本发明所述合金键合丝，兼具优异的导电性和强韧性，其断裂载荷大于10cN，同时满足伸长率大于18%，且力学性能可调控；电阻率小于1.8μΩ•cm（同比金的电阻率约为2.3μΩ•cm、以及市场常见的合金丝电阻率为≥2.3μΩ•cm而言，具有极大的优势），

采用本发明所述方法制备的合金键合丝，以银为主体成分，含量高于80%，Au加入提高合金的抗氧化性，同时调节导电性，微量元素诸如Ce 、Cu、Pd、Be、Mg、Ca的加入，确可以提高材料本身的机械强度和加工性方面具有积极作用，能大大改善材料的加工性能和调节导电性能，其组分含量随着调控材料的机械性能和导电性能的目的而设定和调节。

采用本发明所述方法制备的高强韧性、低电阻率的银金合金键合丝，解决了该类合金高强韧性与电性能和加工性的匹配问题，并且使用领域广泛，成本低。

附图说明

图1是本发明的键合丝成球形貌图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1至3的高强韧性、低电阻率的银金合金键合丝各组分的配比：

实施例1：Ag含量为99.4%，Ce含量为0.005%，Cu含量为0.001%，其余为Au；

实施例2：Ag含量为85%，Ce含量为0.01%，Cu含量为0.05%，Pd含量为0.01%、Ca含量为0.0005%，其余为Au；

实施例3：Ag含量为95%，Ce含量为0.005%，Cu含量为0.005%，Be含量为0.005%，其余为Au；

上述金纯度为≥99.995%的高纯金，银纯度为≥99.999%的高纯银，其他元素纯度≥99.99%。

取实施例1-3所述的各组分，分别按照下述方法制备高强韧性、低电阻率的银金合金键合丝：

1）高真空中频感应熔炼：

将Au和部分Ag（其Ag的用量是不大于Ag总量的二分之一）置于高真空中高频熔炼炉中进行母合金熔炼，熔炼温度为1100～1300℃，熔炼过程充入高纯氩气进行保护，经10-30min精炼、冷却后得到合金铸锭；加工成Ag/Au母合金板材，清洗待用。

2）高真空连铸熔炼：

取少量银块将添加组份放在银块上，银块进行机械折叠成块状，将添加组份包裹在银块中，使添加组分不与外部气氛接触，得到包裹物。余量的银通过压力机压成块，按照银—Ag/Au母合金—银—包裹物—Ag/Au母合金的顺序放置，于高真空连铸机中进行熔炼，条件：真空度为1×10^-2～1×10^-3Pa，充入高纯氩气进行保护，熔炼温度为1100～1300℃，完全熔化后，经10-40min精炼，搅拌均匀后拉制成6-10mm的合金杆材。

3）丝材加工：

合金杆材在拉丝机上进行粗拉、中拉、细拉及微细拉制，加工变形量分别是：≤20%、≤15%、≤10%、≤5%；拉制成直径Φ25μm以下的银金合金键合丝。

4）连续清洗、连续退火和包装：

键合丝经连续超声波清洗机进行去污、去杂质表面清洗，在保护性气体下进行连续退火及复绕至收线轴上，退火温度为200℃～500℃，退火速度为20～100m/min。取样进行性能检测，真空包装。

所述连续清洗的方法是：在键合线表面清洗设备上进行，进行去污、去杂质的表面清洗，去污介质选择有机溶剂如无水乙醇或丙酮等，再经过超声清洗，介质为去离子水，速度为5～50m/min。

所述的连续退火的方法是：在管式退火炉中进行，炉管选取高纯石英管，长度为1-2米，在保护性气体下进行连续退火及复绕至收线轴上，退火温度为200℃～500℃，退火速度为20～80m/min。

性能测试：

经检测，本发明所述的材料拉制到Φ25μm时进行测试，键合丝兼具优异的导电性和强韧性，即：其断裂载荷大于10cN，同时满足伸长率大于18%，且力学性能可调控；电阻率小于1.8μΩ•cm。传统的键合金丝，其断裂载荷约6-8cN，伸长率约4-8%，电阻率约2.3μΩ•cm，同时，本发明的键合丝的键合成球性较好（参见图1）。本发明各项性能指标远高于传统产品。此外，材料成本降低80%。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种高强韧性、低电阻率的银金合金键合丝的制备方法，其特征在于，该合金键合丝各组分按重量百分含量为：Ag：80%≤Ag＜100.0%，Au：0%＜Au≤ 20.0%，添加微量的Ce 、Cu、Pd、Be、Mg、Ca两种或两种以上，其总含量：0%＜～≤0.01%，其制备方法有以下步骤：

1）按照上述配比进行配料；

2）高真空中频感应熔炼：

将Au和部分Ag置于高真空中高频熔炼炉中进行熔炼，其Ag的用量是不大于Ag总量的二分之一，熔炼过程中高纯氩气保护，熔炼温度为1100～1300℃，时间为10-30min，冷却后得到合金铸锭，加工成板材，得到Ag/Au母合金板材；

3）高真空连铸熔炼：

取少量银块将添加组份放在银块上，银块进行机械折叠成块状，将添加组份包裹在银块中，使添加组分不与外部气氛接触，得到包裹物，将步骤2）所述母合金板材和步骤1）所述的其余配料按照银—Ag/Au母合金板材—银—包裹物—Ag/Au母合金板材的顺序放置，置于高真空连铸机中高纯氩气下熔炼，条件：真空度为1×10^-2～1×10^-3Pa，熔炼温度为1100～1300℃，完全熔化后，经10-40min精炼，搅拌均匀后拉制成6-10mm的合金杆材；

4）丝材加工：

步骤3）所述的合金杆材在拉丝机上进行粗拉、中拉、细拉及极细拉制，加工变形量分别是：≤20%、≤15%、≤10%、≤5%；拉制成直径Φ≤25μm的银金合金键合丝；

5）连续清洗、连续退火，得到高强韧性、低电阻率的银金合金键合丝。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述合金键合丝各组分按重量百分含量为：Ag：95%≤Ag＜100.0%，Au：0%＜Au≤5.0%，添加微量的Ce 、Cu、Pd、Be、Mg、Ca两种或两种以上，其总含量为0%＜～≤0.01%。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5）所述的键合丝连续清洗：在键合线表面清洗设备上进行，进行去污、去杂质的表面清洗，去污介质选择有机溶剂如无水乙醇或丙酮，再经过超声清洗，介质为去离子水，速度为5～50m/min，对键合丝的表面去污、去杂质清洗。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5）所述的连续退火的方法是：在保护性气体下进行连续退火并复绕至收线轴上，退火温度为200℃～500℃，退火速度为20～80m/min。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述保护气体是氩气。

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