TW201804000A - 金銀合金鍵合絲以及金銀合金鍵合絲之製備方法 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種金銀合金鍵合絲，包含：金銀合金，該金銀合金中金係佔55-82重量百分比，銀係佔18-45重量百分比；鈹，其含量係佔該金銀合金鍵合絲的20-60 ppm；以及鈣，其含量係佔該金銀合金鍵合絲的30-80 ppm。本發明亦提供一種金銀合金鍵合絲之製備方法。本發明之金銀合金鍵合絲以及金銀合金鍵合絲之製備方法係可應用於電子封裝產業。

Description

金銀合金鍵合絲以及金銀合金鍵合絲之製備方法

本發明係關於一種金銀合金鍵合絲，特別關於一種包含微量元素之金銀合金鍵合絲。本發明亦關於一種金銀合金鍵合絲之製備方法。

金鍵合絲係使用純度為99.99%以上的金元素作為原料，其中包含：金，其含量約佔該金鍵合絲的99.99質量百分比；以及其他微量元素。金鍵合絲由於良好的導電、導熱、化學穩定性以及可塑性佳，被廣泛地應用於電子封裝的產業中，成為該產業中所不可或缺的重要元件。如今，電子產品的小型化造成了小尺度封裝的抬頭，隨著元件的密度、集成度越來越高，電極的尺寸、間距越來越小，所使用的鍵合絲直徑也必須縮小，此時金鍵合絲的使用就可能產生下列的問題： 1. 荷重值較低： 一般來說，隨著線徑越小，鍵合絲所能承受的荷重就越小，若是採用小線徑的金鍵合絲，不只在拉線、打線過程中容易被拉斷，在焊接後，由於焊線的拉力及抵抗外來機械應力的能力不足，會導致元件的可靠度較差。 2. 延伸率較低： 使用小線徑金鍵合絲進行焊接時，由於成弧性較差，會發生應力集中在彎曲處導致線弧不穩定的潛在問題。 3. 金價較昂貴： 隨著單位用量的提升，若是鍵合絲中金成分的比例無法下降，將會因成本問題而逐漸失去市場競爭力。

除了上述問題之外，由於在小尺度的封裝中會涉及到許多低、長線弧的加工程序，因此焊線之熱影響區(Heat-affected zone, HAZ)的長短就顯得格外的重要。它生成的原因主要是當熔融焊球(Free air ball, FAB)形成時，熱量向上傳遞至焊線球頸處會形成的一段再結晶區，額外的熱量將原本球頸處的細小晶粒熔融，於溫度冷卻後重新形成了尺寸較大的結晶顆粒，這段晶粒尺寸較大的再結晶區域即稱為熱影響區(HAZ)。大尺寸結晶對於焊線的影響是非常負面的，不只會使球頸處的強度下降、機械性能變弱，更容易導致在拉線弧(由其是低、長形態的線弧)時因抵抗不了彎曲所造成的應變而損傷，或是受到一點外力就於頸部產生斷裂，造成元件的可靠度很不好。因此，如何盡可能地降低鍵合絲的HAZ長度是小尺度封裝上很重要的課題之一。

為解決上述所提到目前純金鍵合絲遭遇之問題，本發明係提供一種金銀合金鍵合絲以及一種金銀合金鍵合絲之製備方法。

為達上述目的及其他目的，本發明之金銀合金鍵合絲，包含： 金銀合金，該金銀合金中金係佔55-82重量百分比，銀係佔18-45重量百分比； 鈹，其含量係佔該金銀合金鍵合絲的20-60 ppm；以及 鈣，其含量係佔該金銀合金鍵合絲的30-80 ppm。

上述之金銀合金鍵合絲，其中鈹的含量可佔該金銀合金鍵合絲的30 ppm；以及鈣的含量可佔該金銀合金鍵合絲的30 ppm。

上述之金銀合金鍵合絲，其中鈹的含量可佔該金銀合金鍵合絲的60 ppm；以及鈣的含量可佔該金銀合金鍵合絲的80 ppm。

上述之金銀合金鍵合絲，其中該金銀合金鍵合絲之線徑可為1~0.7英絲(mil)。

為達上述目的及其他目的，本發明之金銀合金鍵合絲之製備方法，其步驟包含： 步驟1：將金、銀等原料進行純化，使純度由4N(99.99%)提升至5N(99.999%)，以去除不必要的微量雜質元素； 步驟2：於一坩鍋中投入經純化後的金、銀等原料以及鈹(Be)、鈣(Ca)等微量元素，加熱熔煉使金、銀與微量元素於石墨坩鍋中形成熔融體，其中，控制金、銀之間的重量比例，使二者經熔煉後可形成金係佔55-82重量百分比，銀係佔18-45重量百分比之金銀合金；以及控制鈹(Be)、鈣(Ca)等微量元素的添加量，使其於該熔融體中的含量係分別為鈹(Be)20-60 ppm、鈣(Ca)30-80 ppm； 步驟3：採用連續鑄造的方式將該熔融體壓製成合金棒材，以及使用拉絲機將該合金棒材之直徑縮小至所需的線徑尺寸，以形成鍵合絲半成品； 步驟4：使用退火爐對於步驟3所製得之鍵合絲半成品進行連續性退火；以及 步驟5：經連續性退火之後，根據該鍵合絲的線徑來設定個別的張力、速度等參數進行繞線，製得金銀合金鍵合絲的最終成品。

上述之製備方法，其中步驟2可於一真空爐內，於氮氣環境下進行。

上述之製備方法，其中步驟2之熔煉溫度可為1200℃。

上述之製備方法，其中步驟3可進一步於拉絲的過程中，使用退火爐對鍵合絲半成品進行退火。

上述之製備方法，其中步驟4可於300-500℃、氮氣及氫氣環境下對於該鍵合絲半成品進行連續性退火。

由於同屬貴金屬的銀成本比金低廉許多，經實驗發現，使用銀來替代一部分的金來做為鍵合絲的組成成分，可以帶來更好的性能並同時提高經濟效益。金元素與銀元素在進行混合後會相互置換形成置換型的固溶體，內部的晶格會發生改變並產生強化作用。本發明藉由新穎的金銀合金鍵合絲，不只可以提高鍵合絲線材的荷重值及拉伸率，亦可大幅降低鍵合絲的生產成本約35%左右。此外，銀又是所有金屬之中電阻率最小的元素，金銀合金鍵合絲相較於純金鍵合絲不只在電氣性能方面具有更為優異的特性，還能使焊線具有更好的機械性能、反光性能及線弧穩定性。本發明之金銀合金鍵合絲中保留了一定比例的金，能保證鍵合絲線材在取得上述優點的同時，仍具有一定程度的抗硫化能力。

在本發明之金銀合金鍵合絲內所摻雜的50-150ppm微量元素中，包含了20-60 ppm的鈹(Be)與30-80 ppm的鈣(Ca)，其目的在於改善HAZ的結晶性其他鍵合絲線材的力學特性。如先前所述，熱影響區(HAZ)因再結晶而具有尺寸較大的結晶顆粒，這將導致焊線頸部有硬度較低、結構較脆弱等缺點，容易於頸部發生斷裂，造成了焊線拉力不足及可靠度不好的隱憂。本發明之金銀合金鍵合絲藉由特定比例之微量元素的添加，使部分微量元素對熱影響區的晶格造成位能障礙，導致在特定溫度下，元素沒有足夠的能量去克服能障，藉此抑制再結晶之顆粒之尺寸的增加。同時，部分微量元素均勻分散於金銀合金的溶質中形成大量晶核，此舉促進了結晶進行成長時傾向於縮小晶粒尺寸。經實際結果顯示，上述技術手段已成功地產生了晶粒細化的作用，改善了HAZ的晶體結構，提高了線弧頸部的強度和穩定性。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明。

為了瞭解金銀合金鍵合絲中，金、銀的比例對於鍵合絲之機械性能所造成的影響。本發明先行製備各種不同線徑以及合金比例之鍵合絲，測試其荷重值(Breaking load, B/L)，其單位係為厘牛頓(centinewton, cN)，並製備各種不同線徑之純金鍵合絲作為對照。其中，該等鍵合絲之線徑係以本發明所屬技術領域中常用之單位英絲(mil)來計量，1英絲係相當於25.40微米(μm)。其結果如下列表1所示。 表1：

如表1所示，金銀合金鍵合絲無論任何線徑下，其荷重值(Breaking load, B/L)皆優於純金鍵合絲。

圖1係為純金鍵合絲於燒球後之熱影響區(HAZ)結晶形態的示意圖。如圖1所示，一般純金鍵合絲的熱影響區(HAZ)中，HAZ的結晶尺寸較大、HAZ長度較長，這將造成焊線的頸部硬度較低、強度較差，容易斷裂。

圖2係為低線弧焊線之熱影響區(HAZ)的示意圖，在拉“低線弧”的應用中，HAZ的部分會產生較大的彎曲角度，形成一個較脆弱的應力集中點，此時若是結晶尺寸過大，將造成焊線硬度過低，容易產生焊線下垂或是無法承受較大的模流、振動等外力而斷裂。

本發明之金銀合金鍵合絲可藉由下列具體實施步驟來完成：

步驟1：將金、銀等原料進行純化，使純度由4N(99.99%)提升至5N(99.999%)，以去除不必要的微量雜質元素。

步驟2：於一真空爐內的石墨坩鍋中投入經純化後的金、銀等原料以及鈹(Be)、鈣(Ca)等微量元素。將該真空爐之腔體內的壓力抽至高真空，再通入氮氣使腔體維持在低真空的氮氣環境下進行熔煉，此時爐內溫度約在1200℃左右，使金、銀與微量元素於石墨坩鍋中形成熔融體，持續熔煉20分鐘，此過程中同時搭配自動攪拌以確保金、銀及微量元素能夠達到均勻混合。其中，金、銀與微量元素之間的成分與比例控制格外重要，這將帶給我們所需要的線材結構特性。本發明係控制金、銀之間的重量比例，使二者經熔煉後可形成金係佔55-82重量百分比，銀係佔18-45重量百分比之金銀合金；以及控制鈹(Be)、鈣(Ca)等微量元素的添加量，使其於該熔融體中的含量係分別為鈹(Be)20-60 ppm、鈣(Ca)30-80 ppm。

步驟3：經熔煉後，採用連續鑄造的方式將熔融體壓製成直徑約6 mm的合金棒材。使用拉絲機將該合金棒材透過粗拉、中拉、細拉、微拉直到該合金棒材之直徑縮小至所需的線徑尺寸，以形成鍵合絲半成品。於拉絲的過程中，可視情況使用退火爐對鍵合絲半成品進行退火，以消除冷加工過程中所產生之晶格扭曲、差排或應力集中等缺陷。如此一來，可在後續進行細拉絲的過程中，避免線材出現容易斷裂的問題。

步驟4：在到達了所需的線徑尺寸之後，使用退火爐於300-500℃、氮氣及氫氣環境下對於該鍵合絲半成品進行連續性退火。圖3係為鍵合絲半成品之結晶狀態於退火程序前後的示意圖。如圖3中的左圖所示，由於先前經過了多道拉絲工序，鍵合絲半成品的內部呈現軸向、細小而扁平的纖維狀晶體結構，這些結構主要來自於受到機械外力作用下，造成晶格被拉長、扭曲、變形、破碎而形成各種缺陷，此時該鍵合絲半成品呈現低強度與延伸率，並且容易斷裂。如圖3中的右圖所示，藉由連續退火的製程，給予了鍵合絲半成品額外的熱能，使其內部的晶格重新移動、排列，排除孔隙與缺線並形成再結晶，因此退火後之鍵合絲半成品具有較大的荷重值與延伸率，較不易發生應力集中而輕易斷裂的情形。於氮氣的環境下進行退火的目的是為了避免空氣中的氧在高溫下和鍵合絲半成品表面的組成成分進行反應。

步驟5：經步驟4之連續性退火之後，根據該鍵合絲的線徑來設定個別的張力、速度等參數進行繞線，製得本發明之金銀合金鍵合絲的最終成品。

圖4係為本發明之金銀合金鍵合絲於燒球後之熱影響區(HAZ)結晶形態的示意圖。如圖4所示，本發明之金銀合金鍵合絲，藉由組成成分及配方的優化以及導入適當的微量元素，使HAZ的長度與晶格結構部分都得到了顯著的改善，即HAZ的結晶尺寸較小、HAZ長度較短、造成焊線的頸部硬度更高、強度更強、不易斷裂，不只節省了成本，更大大降低了用於低線弧時的焊線失效風險。

依照上述步驟1~5之方法，製備實施例1~6之金銀合金鍵合絲，並測試其熱影響區(HAZ)長度。熱影響區(HAZ)長度之測試方法如下：

a. 製備熔融焊球(FAB)樣品：

於固定條件下對不同鍵合絲樣品進行放電燒球(EFO, Electrical Flame Off)，使鍵合絲尾端形成熔融焊球(FAB, Free Air Ball)，相關參數如下： 　機台： ASM-Ealge60 　EFO 電流： 2800 mA 　EFO 時間： 0.7 ms 　尾端長度(Tail length)： 500

燒球後將線夾打開，使用鑷子從瓷嘴上方將鍵合絲往下送，直到送出適當長度後，將帶著FAB的鍵合絲從中截斷並夾起，此為後續進行HAZ量測之樣品。

b. SEM樣品製備：

使用鑷子將樣品分別夾起，用雙面膠黏於試片上，使用聚焦離子束(Focused Ion Beam, FIB)對樣品進行表面移除約8μm的厚度(包含FAB與焊線部分)，最後用掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)進行焊線內部結晶形態的觀察。

c. HAZ長度判斷：

圖5係為經放電燒球後之鍵合絲之結晶型態的示意圖。如圖5所示，鍵合絲的線頭經歷了外來電流的影響，形成了熔融焊球，同時沿著鍵合絲的軸向會發生熔融與再結晶，形成較大的結晶顆粒，此區域稱為熱影響區(HAZ)。通過了熱影響區之後，會到達“熱穩定區”，其特徵為結晶較小(因距離FAB較遠未受到熱影響)，故其結晶尺寸會回復到了原先鍵合絲內正常的結晶大小。將位於FAB與熱穩定區之間的這段再結晶區間定義為熱影響區(HAZ)長度，藉由目測判斷其範圍，並進一步藉由SEM測出實際長度。

實施例1~6之金銀合金鍵合絲之線徑係為0.8英絲(mil)，其配方比例以及熱影響區(HAZ)長度之測試結果係如下列表2所示：

表2

如表2所示，本發明之金銀合金鍵合絲，藉由控制金銀合金中金係佔55-82重量百分比，銀係佔18-45重量百分比，以及包含20-60 ppm的鈹及30-80 ppm的鈣等技術特徵，可將熱影響區(HAZ)長度控制在80-96的範圍。

為了對照本發明之金銀合金鍵合絲之功效，製備比較例1~5之純金鍵合絲以及比較例6~14金銀合金鍵合絲，並測試其熱影響區(HAZ)長度。比較例1~14之鍵合絲係大致上依照上述步驟1~5之方法進行製備，但比較例1~5之鍵合絲係為純金鍵合絲，於步驟2中並未添加銀原料；以及比較例6~14之金銀合金鍵合絲中，金銀合金比例及/或微量元素係超出上述步驟2中所述之範圍。比較例1~14之鍵合絲之線徑係為0.8英絲(mil)，其配方比例以及熱影響區(HAZ)長度之測試結果係如下列表3所示：

表3

對照表2及表3的測試結果可了解，比較例1~5之純金鍵合絲，在微量元素之添加量相同的情況下，相較於金銀鍵合絲，具有較高的熱影響區(HAZ)長度。以添加30 ppm的鈹(Be)以及30 ppm鈣(Ca)的情況為例，純金鍵合絲的HAZ長度係為99(比較例3)；金佔80重量百分比的金銀合金鍵合絲的HAZ長度係為96(實施例1)；金佔75重量百分比的金銀合金鍵合絲的HAZ長度係為94(實施例3)；以及金佔55重量百分比的金銀合金鍵合絲的HAZ長度係為91(實施例5)。

再者，在金銀合金比例相同的情況下，微量元素之添加量控制在鈹(Be)20-60 ppm及鈣(Ca)30-80 ppm的範圍內，可使金銀合金鍵合絲獲得較低的熱影響區(HAZ)長度。以金銀合金比例為金佔80重量百分比，銀佔20重量百分比的情況為例，未添加鈹及鈣的金銀合金鍵合絲的HAZ長度係為138(比較例6)；僅添加30 ppm的鈣的金銀合金鍵合絲的HAZ長度係為108(比較例7)；添加及30 ppm的鈹及30 ppm的鈣的金銀合金鍵合絲的HAZ長度係為96(實施例1)；添加及60 ppm的鈹及80 ppm的鈣的金銀合金鍵合絲的HAZ長度係為84(實施例2)；以及添加及100 ppm的鈹及100 ppm的鈣的金銀合金鍵合絲的HAZ長度係為99(比較例8)。

綜合上述表2及表3中的測試結果可了解，本發明之金銀合金鍵合絲藉由控制金銀合金中金係佔55-82重量百分比，銀係佔18-45重量百分比，以及包含20-60 ppm的鈹及30-80 ppm的鈣等技術特徵，可將熱影響區(HAZ)長度控制在80-96的範圍。証明了本發明之金銀合金鍵合絲在適當的微量元素添加下，可成功達到降低HAZ長度的效果，配合優化後的金銀合金比例，可獲得兼顧力學性能與HAZ性能之新穎的鍵合絲。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

無

［圖1］係為純金鍵合絲於燒球後之熱影響區(HAZ)結晶形態的示意圖。 ［圖2］係為低線弧焊線之熱影響區(HAZ)的示意圖。 ［圖3］係為鍵合絲半成品之結晶狀態於退火程序前後的示意圖。 ［圖4］係為本發明之金銀合金鍵合絲於燒球後之熱影響區(HAZ)結晶形態的示意圖。 ［圖5］係為經放電燒球後之鍵合絲之結晶型態的示意圖。

Claims (9)

1. 一種金銀合金鍵合絲，包含： 金銀合金，該金銀合金中金係佔55-82重量百分比，銀係佔18-45重量百分比； 鈹，其含量係佔該金銀合金鍵合絲的20-60 ppm；以及 鈣，其含量係佔該金銀合金鍵合絲的30-80 ppm。
2. 如請求項1所述之金銀合金鍵合絲，其中鈹的含量係佔該金銀合金鍵合絲的30 ppm；以及鈣的含量係佔該金銀合金鍵合絲的30 ppm。
3. 如請求項1所述之金銀合金鍵合絲，其中鈹的含量係佔該金銀合金鍵合絲的60 ppm；以及鈣的含量係佔該金銀合金鍵合絲的80 ppm。
4. 如請求項1所述之金銀合金鍵合絲，其中該金銀合金鍵合絲之線徑係為1~0.7英絲(mil)。
5. 一種金銀合金鍵合絲之製備方法，其步驟包含： 步驟1：將金、銀等原料進行純化，使純度由4N(99.99%)提升至5N(99.999%)，以去除不必要的微量雜質元素； 步驟2：於一坩鍋中投入經純化後的金、銀等原料以及鈹(Be)、鈣(Ca)等微量元素，加熱熔煉使金、銀與微量元素於石墨坩鍋中形成熔融體，其中，控制金、銀之間的重量比例，使二者經熔煉後可形成金係佔55-82重量百分比，銀係佔18-45重量百分比之金銀合金；以及控制鈹(Be)、鈣(Ca)等微量元素的添加量，使其於該熔融體中的含量係分別為鈹(Be)20-60 ppm、鈣(Ca)30-80 ppm； 步驟3：採用連續鑄造的方式將該熔融體壓製成合金棒材，以及使用拉絲機將該合金棒材之直徑縮小至所需的線徑尺寸，以形成鍵合絲半成品； 步驟4：使用退火爐對於步驟3所製得之鍵合絲半成品進行連續性退火；以及 步驟5：經連續性退火之後，根據該鍵合絲的線徑來設定個別的張力、速度等參數進行繞線，製得金銀合金鍵合絲的最終成品。
6. 如請求項5所述之製備方法，其中步驟2係於一真空爐內，於氮氣環境下進行。
7. 如請求項6所述之製備方法，其中步驟2之熔煉溫度係為1200℃。
8. 如請求項5所述之製備方法，其中步驟3係進一步於拉絲的過程中，使用退火爐對鍵合絲半成品進行退火。
9. 如請求項5所述之製備方法，其中步驟4係於300-500℃、氮氣及氫氣環境下對於該鍵合絲半成品進行連續性退火。