CN114657408A - 一种银合金键合丝及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种银合金键合丝及其制造方法。本发明银合金键合丝包括芯线和包覆在芯线表面的镀金层，芯线含有以下质量百分比的组分：10~30%金，0.1~5.0%钯，5~100ppm钙，5~100ppm铈，其余为银，镀金层的金含量为芯线中金含量总质量的3~5%。通过熔铸、拉丝、镀金和退火工艺，得到具有良好力学性能和稳定性的银合金键合丝，可以在不更改或升级设备的情况下，直接用于中高端LED封装和IC封装。且传统中高端产品封装用的键合丝中金含量需达到60%~80%以上，而本发明银合金键合丝中的金含量降低至10~30%，大大降低了成本。

Description

一种银合金键合丝及其制造方法
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种银合金键合丝及其制造方法。
背景技术
键合丝作为电子封装重要的基础材料之一，其功能是实现半导体芯片与引脚的电连接，起着芯片与外界电流信号导入及导出的作用。电子产品小型化、模块化以及高集成化的发展趋势，要求键合丝具有更加优异的力学性能和加工性能等，理想的键合丝材料应具备导电导热性能优异、抗氧化性强、可塑性好以及不形成有害的金属间化合物的特点。
键合丝目前主要由金丝、铜丝、铝丝、银丝、贵/贱金属复合丝材组成，其中铝丝、铜丝主要用于中低档电路，贵金属丝材占有中高档产品超过80%的份额。金键合丝机械强度高、抗氧化性好、成球性稳定、键合工艺简单，在传统电子封装引线键合领域被广泛使用，但是成本较高，与铝板键合时容易出现紫斑和白斑，在界面处形成空洞，增大该处电阻，从而影响整个电子器件的使用。
相较于传统键合金丝，银键合丝价格低廉，具有出色的力学和电学特性，能够在各种高端超微间距设备上使用，吸光反光性好且亮度高，可以在LED及部分IC(集成电路)封装应用上逐步取代金丝，是未来电子封装高集成、高密度、高速度发展最有潜力的材料之一。然而，银丝质软，本身强度较低，在高速键合条件下易断线，又易被硫化、氧化，电敏感性高，在高密度、远距离键合时可能会出现塌丝和银迁移的情况，且其延展性较差，很难加工成微米级细丝，多元素复合添加可以提升键合银丝的力学性能、抗氧化抗硫化性能和加工性能。加入微量元素，可以减少金属间化合物的形成，同时阻止界面氧化物和裂纹的产生，降低了结合性能的退化，使其结合性能和金丝一样稳定。
中国专利申请文件（公开号CN101667566A）公开了一种以银丝线为基材、表面覆有纯金防氧化保护层的键合丝线产品，按质量百分比金占1.8%~10.0%，其余为银，材料成本不到纯金键合丝线的1/3，仅用于低端LED封装。而传统中高端LED封装用的键合丝中金含量需达到60%~80%以上，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有良好力学性能和稳定性的银合金键合丝，可以在不更改焊线设备的情况下，替代纯金丝封装应用的中高端LED封装和IC封装。
本发明技术方案中的一种银合金键合丝，包括芯线和包覆在芯线表面的镀金层，芯线含有以下质量百分比的组分：10~30%金，0.1~5.0%钯，5~100ppm钙，5~100ppm铈，其余为银，镀金层的金含量为芯线中金含量总质量的3~5%。
银（Ag）与金（Au）在液态和固态都能无限固溶，形成置换型固溶体，使合金基体晶格发生畸变，产生强化作用，相比传统键合金丝，机械性能好，可靠性高，抗振动破断性能优异，导电性、散热性、反光性好，亮度高，且Ag比Au价格便宜，使用大量Ag可以大幅度降低成本，钯可以减少银原子的迁移，提高抗氧化能力、抗硫化能力和可靠性，钙可以提高材料的结构稳定性和强度，与铈一起作为微量元素加入，可以减少金属间化合物的形成，改善线材结构组织，增强线材与芯片及基板的粘附性能，提升线材机械性能，同时阻止了界面氧化物和裂纹的产生，降低颈部短线的几率，使所得银合金键合丝的结合性能和金丝一样稳定。键合丝芯线中将金含量控制在10-30%，可以大大提高键合丝的可靠性和机械性能，满足中高端产品（如中高端LED封装和IC封装）的高可靠性要求。若芯线中金含量过多则生产成本较大，但若金含量过少，则银含量较多，严重影响键合丝的机械性能、抗氧化性能和抗硫化性能，导致键合丝的稳定性变差。
键合丝应用时先通过球焊形成球形，再与芯片结合，而中高端产品对于键合丝球形的要求较高，若成球性不好，则会导致可靠性失效，所以镀金的金含量控制尤为重要。本发明将镀金层的金含量控制在芯线金含量总质量的3~5%，在具有较好阻隔作用的同时，可以大大提高键合丝的成球性、抗氧化能力、抗硫化能力，进而提高键合丝的可靠性。若键合丝镀金层中的金含量较少，形成的镀金层较薄，阻隔作用较小，键合丝的抗氧化性能和抗硫化性能较差，反之镀金层中金含量较多，则镀层较厚，键合丝直径过大，延伸率降低，且增加了制造成本。
进一步地，金的纯度为99.99%，银的纯度为99.99%，钯的纯度为99.97%。
本发明还提供一种上述银合金键合丝的制造方法，包括如下步骤：
（1）熔铸：将银、金、钯、钙和铈加入到单晶连铸炉中，经过真空熔炼和定向连续引铸得到合金棒材；
（2）拉丝：对合金棒材进行拉丝，在氮气气氛下退火，得到键合丝芯线；
（3）镀金：采用电镀设备在键合丝芯线上包覆镀金层，再次拉丝；
（4）退火：高温退火，冷却得到银合金键合丝。
进一步地，步骤（1）中真空熔炼的温度为1000~1300℃，连续引铸的拉铸速度为200~300mm/min。
进一步地，步骤（1）中合金棒材的直径为6~8mm。
进一步地，步骤（2）中拉丝后键合丝芯线的直径为50~100μm。
进一步地，步骤（3）中拉丝后获得直径为30~60μm的银合金键合丝。
进一步地，步骤（2）和步骤（4）中的退火温度为500~800℃，退火速率为30~100m/min。
相比现有技术，本发明的技术方案具有如下有益效果：
（1）采用合适含量的金、银、钯以及微量元素钙和铈，提高了银合金键合丝的力学性能和稳定性，微量元素可以减少金属间化合物的形成，改善线材结构组织，增强线材与芯片及基板之间的粘附性能，提升线材的机械性能，也可以阻止界面氧化物和裂纹的产生，降低颈部短线的发生几率，进一步增强线材的稳定性；
（2）使用适量Ag和Au，在降低成本的同时形成置换型固溶体，产生强化作用，提高键合丝的机械性能和可靠性；
（3）银合金键合丝的制造方法工艺简单，可以在不更改或升级设备的情况下，用于中高端LED封装和IC封装。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步描述说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于帮助理解本发明，不用于本发明的具体限制。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
实施例1
本实施例银合金键合丝含有15%金、1.0%钯、20ppm钙、20ppm铈，其余为银。
本实施例银合金键合丝的制造方法，包括如下步骤：
（1）熔铸：将银、金、钯、钙和铈加入到单晶连铸炉中，经过1100℃真空熔炼和拉铸速度为200mm/min的定向连续引铸得到直径为6mm的合金棒材；
（2）拉丝：对合金棒材进行拉丝至直径为60μm，并在氮气气氛500℃退火，退火炉有效长度为1000mm，退火速率为50m/min，获得键合丝芯线；
（3）镀金：采用电镀设备在键合丝芯线上包覆镀金层，镀金层的金含量为芯线金含量的3%，再次拉丝至直径30μm；
（4）退火：600℃以60m/min的速率退火，退火炉有效长度为1000mm，冷却至室温得到银合金键合丝。
实施例2
本实施例银合金键合丝含有20%金、2.0%钯、50ppm钙、50ppm铈，其余为银。
本实施例银合金键合丝的制造方法，包括如下步骤：
（1）熔铸：将银、金、钯、钙和铈加入到单晶连铸炉中，经过1100℃真空熔炼和拉铸速度为200mm/min的定向连续引铸得到直径为7mm的合金棒材；
（2）拉丝：对合金棒材进行拉丝至直径为60μm，并在氮气气氛500℃退火，退火炉有效长度为1000mm，退火速率为50m/min，获得键合丝芯线；
（3）镀金：采用电镀设备在键合丝芯线上包覆镀金层，镀金层的金含量为芯线金含量的4%，再次拉丝至直径40μm；
（4）退火：600℃以60m/min的速率退火，退火炉有效长度为1000mm，冷却至室温得到银合金键合丝。
实施例3
本实施例银合金键合丝含有25%金、3.0%钯、80ppm钙、80ppm铈，其余为银。
本实施例银合金键合丝的制造方法，包括如下步骤：
（1）熔铸：将银、金、钯、钙和铈加入到单晶连铸炉中，经过1100℃真空熔炼和拉铸速度为200mm/min的定向连续引铸得到直径为8mm的合金棒材；
（2）拉丝：对合金棒材进行拉丝至直径为80μm，并在氮气气氛500℃退火，退火炉有效长度为1000mm，退火速率为50m/min，获得键合丝芯线；
（3）镀金：采用电镀设备在键合丝芯线上包覆镀金层，镀金层的金含量为芯线金含量的4%，再次拉丝至直径50μm；
（4）退火：600℃以60m/min的速率退火，退火炉有效长度为1000mm，冷却至室温得到银合金键合丝。
实施例4
本实施例银合金键合丝含有30%金、5.0%钯、100ppm钙、100ppm铈，其余为银。
本实施例银合金键合丝的制造方法，包括如下步骤：
（1）熔铸：将银、金、钯、钙和铈加入到单晶连铸炉中，经过1100℃真空熔炼和拉铸速度为200mm/min的定向连续引铸得到直径为8mm的合金棒材；
（2）拉丝：对合金棒材进行拉丝至直径为100μm，并在氮气气氛500℃退火，退火炉有效长度为1000mm，退火速率为50m/min，获得键合丝芯线；
（3）镀金：采用电镀设备在键合丝芯线上包覆镀金层，镀金层的金含量为芯线金含量的5%，再次拉丝至直径60μm；
（4）退火：600℃以60m/min的速率退火，退火炉有效长度为1000mm，冷却至室温得到银合金键合丝。
实施例5
本实施例银合金键合丝含有15%金、1.0%钯、20ppm钙、20ppm铈，其余为银。
本实施例银合金键合丝的制造方法，包括如下步骤：
（1）熔铸：将银、金、钯、钙和铈加入到单晶连铸炉中，经过1100℃真空熔炼和拉铸速度为200mm/min的定向连续引铸得到直径为6mm的合金棒材；
（2）拉丝：对合金棒材进行拉丝至直径为30μm，并在氮气气氛500℃退火，退火炉有效长度为1000mm，退火速率为50m/min，获得键合丝芯线；
（3）镀金：采用电镀设备在键合丝芯线上包覆镀金层，镀金层的金含量为芯线金含量的3%，再次拉丝至直径10μm；
（4）退火：600℃以60m/min的速率退火，退火炉有效长度为1000mm，冷却至室温得到银合金键合丝。
实施例6
本实施例银合金键合丝含有15%金、1.0%钯、20ppm钙、20ppm铈，其余为银。
本实施例银合金键合丝的制造方法，包括如下步骤：
（1）熔铸：将银、金、钯、钙和铈加入到单晶连铸炉中，经过1100℃真空熔炼和拉铸速度为200mm/min的定向连续引铸得到直径为6mm的合金棒材；
（2）拉丝：对合金棒材进行拉丝至直径为150μm，并在氮气气氛500℃退火，退火炉有效长度为1000mm，退火速率为50m/min，获得键合丝芯线；
（3）镀金：采用电镀设备在键合丝芯线上包覆镀金层，镀金层的金含量为芯线金含量的3%，再次拉丝至直径100μm；
（4）退火：600℃以60m/min的速率退火，退火炉有效长度为1000mm，冷却至室温得到银合金键合丝。
对比例1
本对比例银合金键合丝含有5%金、1.0%钯、20ppm钙、20ppm铈，其余为银。
本对比例银合金键合丝的制造方法，包括如下步骤：
（1）熔铸：将银、金、钯、钙和铈加入到单晶连铸炉中，经过1100℃真空熔炼和拉铸速度为200mm/min的定向连续引铸得到直径为6mm的合金棒材；
（2）拉丝：对合金棒材进行拉丝至直径为60μm，并在氮气气氛500℃退火，退火炉有效长度为1000mm，退火速率为50m/min，获得键合丝芯线；
（3）镀金：采用电镀设备在键合丝芯线上包覆镀金层，镀金层的金含量为芯线金含量的3%，再次拉丝至直径30μm；
（4）退火：600℃以60m/min的速率退火，退火炉有效长度为1000mm，冷却至室温得到银合金键合丝。
对比例2
本对比例银合金键合丝含有15%金、1.0%钯、20ppm钙、20ppm铈，其余为银。
本对比例银合金键合丝的制造方法，包括如下步骤：
（1）熔铸：将银、金、钯、钙和铈加入到单晶连铸炉中，经过1100℃真空熔炼和拉铸速度为200mm/min的定向连续引铸得到直径为6mm的合金棒材；
（2）拉丝：对合金棒材进行拉丝至直径为60μm，并在氮气气氛500℃退火，退火炉有效长度为1000mm，退火速率为50m/min，获得键合丝芯线；
（3）冷却：冷却至室温得到银合金键合丝。
对比例3
本对比例银合金键合丝含有15%金、1.0%钯、20ppm钙、20ppm铈，其余为银。
本对比例银合金键合丝的制造方法，包括如下步骤：
（1）熔铸：将银、金、钯、钙和铈加入到单晶连铸炉中，经过1100℃真空熔炼和拉铸速度为200mm/min的定向连续引铸得到直径为6mm的合金棒材；
（2）拉丝：对合金棒材进行拉丝至直径为60μm，并在氮气气氛500℃退火，退火炉有效长度为1000mm，退火速率为50m/min，获得键合丝芯线；
（3）镀金：采用电镀设备在键合丝芯线上包覆镀金层，镀金层的金含量为芯线金含量的1%，再次拉丝至直径30μm；
（4）退火：600℃以60m/min的速率退火，退火炉有效长度为1000mm，冷却至室温得到银合金键合丝。
对比例4
本对比例银合金键合丝含有15%金、1.0%钯、20ppm钙、20ppm铈，其余为银。
本对比例银合金键合丝的制造方法，包括如下步骤：
（1）熔铸：将银、金、钯、钙和铈加入到单晶连铸炉中，经过1100℃真空熔炼和拉铸速度为200mm/min的定向连续引铸得到直径为6mm的合金棒材；
（2）拉丝：对合金棒材进行拉丝至直径为60μm，并在氮气气氛500℃退火，退火炉有效长度为1000mm，退火速率为50m/min，获得键合丝芯线；
（3）镀金：采用电镀设备在键合丝芯线上包覆镀金层，镀金层的金含量为芯线金含量的10%，再次拉丝至直径30μm；
（4）退火：600℃以60m/min的速率退火，退火炉有效长度为1000mm，冷却至室温得到银合金键合丝。
对比例5
本对比例与对比例1的区别仅在于银合金键合丝含有15%金、20ppm钙、20ppm铈，其余为银。
对比例6
本对比例与对比例1的区别仅在于银合金键合丝含有15%金、1.0%钯、20ppm铈，其余为银。
对比例7
本对比例与对比例1的区别仅在于银合金键合丝含有15%金、1.0%钯、20ppm钙，其余为银。
对以上实施例及对比例所得银合金键合丝进行力学性能、抗氧化性能、以及抗硫化性能的测试，结果如表1所示。
表1 银合金键合丝性能数据表
Figure 124543DEST_PATH_IMAGE001
实施例1~4所得银合金键合丝的力学性能和延伸率以及抗氧化、抗硫化性能都较好，实施例5银合金键合丝直径较小，锻炼载荷及伸长率较小，实施例6银合金键合丝直径较大，锻炼载荷较大，伸长率仍然较小，对比例1银合金键合丝金含量较少，银含量较多，抗氧化性能和抗硫化性能较差，对比例2不进行镀金，则抗氧化性能和抗硫化性能更差，对比例3镀金层金含量较少，镀层较薄，抗氧化性能和抗硫化性能较差，对比例4镀金层金含量较多，镀层较厚，锻炼载荷增大，延伸率降低，对比例5不添加钯，银合金键合丝抗氧化性能和抗硫化性能较差，对比例6不添加钙，对比例7不添加铈，银合金键合丝锻炼载荷及伸长率都有所下降。由此证明，本申请银合金通过合理的合金成分含量，使得到的键合丝强度较高，钙和铈的加入，可以减少金属间化合物的形成，改善线材结构组织，增强线材与芯片及基板的粘附性能，提升线材机械性能，也可以阻止界面氧化物和裂纹的产生，降低颈部短线的发生几率，使银合金键合丝的结合性能比较稳定，同时可以提高键合丝的抗氧化能力和抗硫化能力。
最后应说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，而并非对本发明的实施方式的限定。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具有实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，这里无需也无法对所有的实施方式予以全例。而这些属于本发明的实质精神所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (7)

1.一种银合金键合丝，其特征在于，包括芯线和包覆在芯线表面的镀金层，所述芯线含有以下质量百分比的组分：10~30%金，0.1~5.0%钯，5~100ppm钙，5~100ppm铈，其余为银；所述镀金层的金含量为芯线中金含量总质量的3~5%。
2.一种如权利要求1所述的银合金键合丝的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）熔铸：将银、金、钯、钙和铈加入到单晶连铸炉中，经过真空熔炼和定向连续引铸得到合金棒材；
（2）拉丝：对合金棒材进行拉丝，在氮气气氛下退火，得到键合丝芯线；
（3）镀金：采用电镀设备在键合丝芯线上包覆镀金层，再次拉丝；
（4）退火：高温退火，冷却得到银合金键合丝。
3.根据权利要求2所述银合金键合丝的制造方法，其特征在于，步骤（1）中真空熔炼的温度为1000~1300℃，连续引铸的拉铸速度为200~300mm/min。
4.根据权利要求2所述银合金键合丝的制造方法，其特征在于，步骤（1）中合金棒材的直径为6~8mm。
5.根据权利要求2所述银合金键合丝的制造方法，其特征在于，步骤（2）中拉丝后键合丝芯线的直径为50~100μm。
6.根据权利要求2所述银合金键合丝的制造方法，其特征在于，步骤（3）中拉丝后获得直径为30~60μm的银合金键合丝。
7.根据权利要求2所述银合金键合丝的制造方法，其特征在于，步骤（2）和步骤（4）中的退火温度均为500~800℃，退火速率均为30~100m/min。
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