TWI429769B - 無鍍層鈀網合金線及其製造方法 - Google Patents

Description

無鍍層鈀網合金線及其製造方法

本發明係有關於一種無鍍層鈀網合金線及其製造方法，尤其是指一種無表面鍍層之銀或銀合金封裝導線，不僅可解決傳統銀線於形成銲球的同時必需加入保護氣體所產生的問題和降低線材冶金偏析，亦具有較佳之熔斷電流密度與抗氧化功效者。

按，低電阻率是一般電子產品封裝導線的基本要求，而對於高速運作及高頻的積體電路元件而言(例如：高速放大器、震盪器、電源管理積體電路、以及高速通訊元件等)，為了避免訊號延遲(signal delaying)及串音干擾(cross talk interference)，對導線的電阻率要求更為嚴格；此外，為了確保產品在長時間及嚴苛條件下能夠維持正常壽命與功能(耐候性)，可靠度的考量也極為重要；因此，封裝產業需要能夠兼顧低阻抗且高信賴的打線接合線材。

目前常見的封裝導線，有金線、銅線、銀線、合金線等，以銀線為例，銀是在所有材料中電阻率最低的元素，然純銀線在鋁墊上打線接合時也會生成脆性的介金屬化合物(Ag₂ Al或Ag₄ Al)；此外，純銀線在含水氣的封裝材料內部很容易發生電解離子遷移現象(ionmigration)，亦即，純銀在含水氣環境會經由電流作用水解溶出銀離子，再與氧反應成為不穩定的氧化銀(AgO)，此氧化銀因而會進行去氧化作用(deoxidize)形成銀原子，並向正極成長出樹葉紋理狀(leaf vein)的銀鬚，最後造成正負電極的短路；因此，目前純銀線並無法提供業界所需之成球性與穩定性；因此有業者以銀為主的合金線(例如包括銅、鉑、錳、鉻、金等元素)作為封裝導線，但所形 成的線材仍無法兼具低阻抗及高可靠度的性質。

此外，為了解決純銀接合線亦氧化的問題，有業者提出於其表面鍍上其他金屬鍍層以改善易氧化及腐蝕的方法，請一併參閱新日鐵高新材料股份有限公司與日鐵微金屬股份有限公司所申請一系列有關半導體裝置用合接線之中華民國發明專利，公告第I342809所揭露之『半導體裝置用合接線』、公告第I364806所揭露之『半導體裝置用合接線』、公告第I364806所揭露之『半導體用接合導線』、公開第201107499之『半導體用銅合金接合線』、公開第201140718之『半導體用銅接合線及其接合構造』以及公開第201230903之『複數層銅接合線的接合構造』；上述前案之接合線結構大抵皆係於一芯材(可為銅、金、銀等金屬所構成)表面設有一表皮層(可為鈀、釕、銠、鉑，以及銀所構成)，導致上述之接合線於實際實施使用時常產生下述缺失：(a)因鍍金屬的線材其表面具有一表皮層，使得硬度偏高，且製程電流控制不易，常導致鍍層厚度不均，造成封裝過程整體產出率差、良率偏低；(b)銀或銀合金鍍上鈀層於燒球成型(electric frame off，EFO)時，因表面之鈀層使得成球(free air ball，FAB)之球心硬度過硬，造成銲球上方頸部之強度不足，於打線(wire bonding，WB)後，常發生頸部斷裂問題，進而導致接合界面剝離的問題發生；且鈀元素在銲球中也具偏析問題，該球部組織差異大影響打線條件。

此外，一般打線接合線材於端部熔融形成銲球的同時，係利用一輸氣裝置持續地供應保護氣體(例如氮、氬或氮氫混合氣)，以保護銲球成形，其中之氮、氬氣可包覆保護銲球避免氧化，而氮氫混合氣中的氫氣更可還原銲球上已氧化之部份，有助於保護銲球之成型，最後，再將連接有銲線之銲球接合於晶粒或載體之銲墊上；然，保護氣體的使用不僅增加製造成本，且當保護氣體控制不當，造成流量不穩或紊流，會導致銲球燒球異常，使得進行打線製程後之品質異常，造成電性和界面強度不足等問題；且當純銀或銀合金接合線於無保護氣體的環境下係不具成球性，無法達到LED封裝產業製程可靠度的品質要求。

今，發明人即是鑑於上述現有封裝用之接合線在實際實施上仍具有多處之缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富之專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。

本發明主要目的為提供一種無鍍層鈀網合金線及其製造方法，尤其是指一種無表面鍍層之銀或銀合金封裝導線，不僅有較佳之球部硬度、頸部强度以及熔斷電流密度外，亦可解決傳統銀線於形成銲球的同時必需加入保護氣體所產生的問題。

為了達到上述實施目的，本發明人提出一種無鍍層鈀網合金線及其製造方法，其製造方法係於一銀基線表面鍍上5nm~120nm之鈀層後，加熱至600~800℃之溫度，持續該溫度不超過4小時，使鈀元素完全熱擴散至銀基線晶界網格中形成含鈀晶界帶；其中，使鈀元素完全熱擴散之溫度較佳係為720℃；藉此，與習知接合線相較下，本發明由於鈀粒子完全固態擴散至銀基線晶界網格內，不僅能保有低電阻性，燒球後亦具有較小的球部硬度；經打線製程後，可避免如傳統常發生於頸部斷裂問題，進而導致接合界面剝離的問題發生，且導線內的電子可順利通過鈀網晶界而藉由銀晶粒直接傳輸，因而具有較低的電阻率，相較非純銀線具有較大的熔斷電流密度；同時，本發明之無鍍層鈀網合金線可避免傳統之接合銀線易氧化的缺失，於大氣潔淨環境中其抗氧化性亦達21天以上；再者，無鍍層鈀網合金線在無保護氣體之環境下，其實驗結果證實仍具良好的成球性，不僅可減少封裝製造成本，且亦無須顧及保護氣體的流量控制，降低製程上會影響品質的因素。

在本發明的另一實施例中，銀基線之成分可包含有1~5wt.%的金元素，較佳為3wt.%的金元素；藉此，以具有更佳的球部硬度與熔斷電流密度。

第一圖：本發明實施例1之無鍍層鈀網合金線其熱處理後鈀元素完全擴散至銀基線晶界網格內之顯微鏡組織圖

第二圖：本發明實施例2之無鍍層鈀網合金線其熱處理後鈀 元素完全擴散至銀基線晶界網格內之顯微鏡組織圖

本發明之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。

首先，本發明之無鍍層鈀網合金線係適用於IC封裝、LED封裝等之電子工業零件之封裝導線；其具體實施例1之製造方法係於一銀基線表面鍍上5nm~120nm之鈀層後，加熱至600~800℃之溫度，持續該溫度至多4小時，使鈀元素完全熱擴散至銀基線晶界網格內，藉此形成含鈀之晶界帶，使得本發明之無鍍層鈀網合金線係由銀基地與含鈀網格晶界帶所組成，與習知銀系接合線相較下，具有較佳之球部硬度、頸部强度以及熔斷電流密度，更具有極佳耐候性；請參閱第一圖所示，為本發明實施例1之無鍍層鈀網合金線其鈀元素完全熱擴散至銀基線晶界網格中之顯微鏡組織圖；其中，較佳之加熱溫度係為720℃；請參閱下表所示，其係於銀基線(18μm)表面鍍上厚度分別為5nm、60nm、120nm以及140nm的鈀層，加熱至720℃時，持續30分、1小時、2小時、3小時以及4小時後，於銀基線表面量測鈀層殘留厚度的實驗數據表；可清楚得知，厚度為5nm~120nm之鈀層，在溫度為720℃持續30分~4小時後，銀基線表面的鈀層將完全擴散至銀基線晶界網格內，亦即表面無鈀層的殘留。

此外，本發明之無鍍層鈀網合金線其銀基線之成分可包含有1~5wt．%的金元素，較佳係包含有3wt．%的金元素；而此具體實施例2於銀基線表面鍍上厚度分別為5nm、60nm、120nm以及140nm的鈀層，加熱至720℃時，持續30分、1小時、2小時、3小時以及4小時後，於銀基線表面量測鈀層厚度的實驗數據表如下表所示；可清楚得知，厚度為5nm~120nm之鈀層，在溫度為720℃持續30分~4小時後，包含有3wt．%金元素之銀基線表面的鈀層亦將完全擴散至銀基線晶界網格內，亦即表面無鈀層的殘留，請一併參閱第二圖所示，為本發明實施例2之無鍍層鈀網合金線其鈀元素完全熱擴散至銀基線晶界網格中之顯微鏡組織圖。

接著，藉由下述傳統封裝用接合線與具體實際實施例1和2的比較應用，可進一步證明本發明之製程可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍：下表為環境中持續地供應保護氣體(例如氮、氬或氮氫混合氣)，其接合線以保護銲球成形於端部熔融形成銲球的實驗數據對照表；由表中可知在具保護氣體的環境下形成銲球，所有樣品的成球性均可被接受(OK)；針對球部硬度而言，係使用維克氏(Vicker)硬度機測量樣品銲球之球部硬度，結果顯示本實施例1、2所形成之銲球其硬度皆比非純銀線明顯較小，其可理解地，當含鈀被覆層未擴散或未完全擴散至芯線基地時，接合線之端部於燒球成型為銲球後，銲球所含的鈀金屬大多聚積於靠近頸部處，造成鈀偏析，導致頸部成為接合線結構強度 之相對弱點，而易於此處發生斷裂問題；反觀本發明其鍍鈀層完全熱擴散至銀基線晶界網格內，因此球心硬度明顯較小，以便打線製程後，可避免如傳統常發生於頸部斷裂問題，進而導致接合界面剝離的問題發生；如同實驗結果，本實施例1、2所形成之銲球其頸部強度皆比其他接合線明顯較大；值得注意的，在此所述的頸部強度，其測試方法是將接合線的頸部以一固定裝置(例如一微細夾具)夾掣，並於接合線對應銲球的另一端以一拉伸裝置朝遠離銲球方向進行拉伸，藉以測試接合線其頸部的降伏強度；再者，由於鈀粒子完全擴散至銀基線晶界網格內，因此導線內的電子可通過鈀網晶界而藉由銀晶粒傳輸，具有較低的電阻率，因而相較非純銀線具有較大的熔斷電流密度；值得注意的，包含有3wt．%金元素之銀基線所製成的無鍍層鈀網合金線係具有更佳的球部硬度與熔斷電流密度。

接著，當環境中無供應保護氣體時，下表顯示上述樣品形成銲球的實驗數據對照表；由表中可知，供應保護氣體對於純銀線、Ag+Au+Pd合金線以及鍍鈀層合金的成球性是有顯著影響的，而本發明之無鍍層鈀網合金線在無保護氣體之環境下，仍具良好的成球性，亦即本發明無須保護氣體可直接應用在LED製程，不僅兼顧低阻抗且可避免習知接合線於實施使用時因凝固偏析所造成歪球，頸部強度低等應用問題；此外，本發明亦具有較佳之抗氧化能力，於室溫下皆達到大於21天無氧化 之功效，解決習知接合線保存時間短的問題。

再者，請參閱下表，係為說明針對上述樣品於具有保護氣體環境下打線成球，並觀察於溫度150℃，經2000hrs的抗高溫儲藏(high temperature storage，HTS)測試下，其樣品接線與基板之間的介金屬氧化物(intermetallic Compound，IMC)狀況；可明顯得知，本實施例1、2之IMC厚度明顯較薄，進而增強界面剝離強度與銲球接合剪力強度，而具有良好的接合可靠性。

由上述之實施說明可知，本發明與現有技術相較之下，本發 明具有以下優點：

1.本發明藉由熱處理將銀基線表面之鈀層完全擴散至銀基線晶界網格內，與習知銀系接合線相較下，本發明係具有較佳之球部硬度、頸部強度以及熔斷電流密度，不僅兼顧低阻抗且可避免習知接合線於實施使用時常造成頸部斷裂，導致接合界面剝離的問題發生。

2.本發明之無鍍層鈀網合金線在無保護氣體之環境下，仍具良好的成球性，不僅減少製造成本，且亦無須顧及保護氣體的流量控制，降低製程上會影響品質的因素。

3.本發明無須保護氣體可直接應用在LED製程，不僅兼顧低阻抗且可避免習知接合線於實施使用時因凝固偏析所造成歪球，頸部強度低，甚至保存時間短等應用問題。

綜上所述，本發明之無鍍層鈀網合金線及其製造方法，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。

Claims (5)

1. 一種無鍍層鈀網合金線之製造方法，係於一銀基線表面鍍上5nm~120nm之鈀層後，加熱至600~800℃之溫度，持續該溫度不超過4小時，使鈀元素完全熱擴散至銀基線晶界網格表面，藉此形成含鈀之晶界帶。
2. 如申請專利範圍第1項所述之無鍍層鈀網合金線之製造方法，其中銀基線之成分係包含有1~5wt.%的金元素。
3. 如申請專利範圍第2項所述之無鍍層鈀網合金線之製造方法，其中銀基線之成分係包含有3wt.%的金元素。
4. 如申請專利範圍第1項所述之無鍍層鈀網合金線之製造方法，其中使鈀元素完全熱擴散至銀基線晶界網格內之溫度係為720℃。
5. 一種藉由如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之方法製備之無鍍層鈀網合金線。