TWI532057B - Silver alloy welding wire - Google Patents

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Description

銀合金焊接導線
本發明是有關於用於半導體封裝技術領域的一種焊接導線，特別是指一種用於半導體封裝技術領域的銀合金焊接導線
在半導體封裝技術領域中，封裝製程主要是將一IC晶片設置於一印刷電路板，其中，設置方式是利用一焊接導線的兩端分別連接該IC晶片及該印刷電路板之一墊片(pad)，使得該IC晶片可固設於該印刷電路板；接著，再將該印刷電路板置於一封裝座的一容置空間並填充一樹脂，用以包覆該IC晶片，使其與外界隔離，而成一封裝件。
由於金(Au)的導電率高且穩定性佳，不易與其他種類的金屬反應，故以往的焊接導線通常是以金線為主。然而，眾所皆知的是，金是極為貴重的金屬，當所需焊接於印刷電路板的半導體晶片數量大或所需焊接導線線路多時，將使得整體封裝件的成本高昂。據此，所屬技術領域的研究人員轉往開發成本相對金而言較低的焊接導線。其中，因為銀的導電率高，而成為替代金焊接導線的主要 材料之一。
當一焊接導線僅以單一銀金屬元素構成，雖然其具備導電率高的特性，但該焊接導線的線材強度及可靠度卻不盡理想。據此，日本專利公告案號JP11288962(下稱’962案)揭示了一種銀合金焊接導線，並揭示將小於10wt%的鈀(Pd)及0.001至0.01wt%的鍺(Ge)加入銀而成為銀合金焊接導線時，可以改善焊接導線的線材強度，且該日本專利公告案還特別指出，當鍺大於0.01wt%時，反而導致該焊接導線的可靠度過低而不適合作為焊接導線。
然而，上述焊接導線雖然可改善可靠度，但在IC晶片之尺寸持續微縮的情況下，發明人卻又發現其產生將於下描述之另一個嚴重的問題，導致該焊接導線在時無法於半導體封裝技術領域中繼績被使用。
本案發明人發現，用於封裝小尺寸之IC晶片時，例如用於封裝100奈米以下的半導體製程所製得的IC晶片，除了線材強度及可靠度外，線材的結球穩定性更是維持該焊接導線穩定性高、不易傾倒、重力平衡的主要因素之一。
因此，本發明之目的，即在提供結球穩定性、拉線強度，及可靠度俱佳之銀合金焊接導線。
於是本發明銀合金焊接導線，包含一銀合金組份，包括銀、鈀，及鍺，基於該銀合金組份的重量百分比為100wt%計，鈀的重量百分比不小於3wt%，且不大於 4wt%，鍺的重量百分比不小於0.015wt%，且不大於0.1wt%。
較佳地，該銀合金組份還包括一添加劑，基於該銀合金組份的重量百分比為100wt%計，鈀的重量百分比不小於3wt%，且不大於4wt%，鍺的重量百分比不小於0.015wt%，且不大於0.1wt%，該添加劑的重量百分比不小於0.05wt%，且不大於0.1wt%，且其中，該添加劑選自銅、鎳，及此等之組合。
較佳地，該添加劑選自銅及鎳。
較佳地，該添加劑為銅。
較佳地，鍺的重量百分比不小於0.015wt%，且不大於0.05wt%。
較佳地，該銀合金組份還包括一添加劑，基於該銀合金組份的重量百分比為100wt%計，鈀的重量百分比不小於3wt%，且不大於4wt%，鍺的重量百分比不小於0.015wt%，且不大於0.05wt%，該添加劑的重量百分比不小於0.05wt%，且不大於0.1 wt%，其中，該添加劑選自銅、鎳，及此等之組合。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
本發明銀合金焊接導線的一第一較佳實施例包 含一銀合金組份。
該銀合金組份包括銀、鈀及鍺。基於該銀合金組份的重量百分比為100wt%計，鈀的重量百分比不小於3wt%，且不大於4wt%，鍺的重量百分比不小於0.015wt%，且不大於0.1wt%。
其中，該銀合金組份之重量百分比不小於3wt%且不大於4wt%的鈀，配合重量百分比不小於0.015wt%且不大於0.1wt%的鍺，除了提高該銀合金焊接導線具備良好的拉線強度及可靠性之外，還具備良好的結球穩定性，既而供後續封裝製程之穩定性佳，及打線良率佳。以下，更進一步地說明本發明銀合金焊接導線。
該銀合金組份之銀、鈀、鍺之排列方式皆為面心立方結構(FCC)，且在鈀之重量百分比不小於3wt%且不大於4wt%，及鍺之重量百分比不小於0.015wt%且不大於0.1wt%時，銀、鈀、鍺構成該銀合金組份仍然維持面心立方結構，並利用面心立方結構自身於被塑形時不易斷裂的特性，既而維持該第一較佳實施例銀合金焊接導線兼具高拉線強度及塑形穩定性，此處所稱之塑形穩定性包括經打線製程後焊接導線的迴路高度穩定性，及打線製程中焊接導線的結球穩定性。
特別地，鍺的重量百分比不小於0.015wt%且不大於0.05wt%更佳。
進一步地，本發明銀合金焊接導線的一第二較佳實施例與該第一較佳實施例相似，其不同處在於該第二 較佳實施例之該銀合金組份還包括一添加劑，該添加劑選自銅、鎳，及此等之組合。
基於該銀合金組份的重量百分比為100wt%計，鈀的重量百分比不小於3wt%，且不大於4wt%，鍺的重量百分比不小於0.015wt%，且不大於0.1wt%，該添加劑的重量百分比不小於0.05wt%，且不大於0.1wt%，再者，該銀合金組份除上述之鈀、鍺，及該添加劑外，餘量為銀。
該添加劑之金屬元素的共同性質在於其也是面心立方結構，既而可在維持本發明銀合金焊接導線為具有較多滑移系統(slip system)之面心立方結構的狀況下，進而提升本發明銀合金焊接導線的打線良率及穩定性。
較佳地，該添加劑選自銅及鎳；更佳地，該添加劑為銅，而可具備良好的拉伸強度、可靠度、迴路高度穩定性，及結球穩定性。
特別地，鍺的重量百分比不小於0.015wt%且不大於0.05wt%更佳。
需特別說明的是，受限於目前提煉金屬之技術程度，本發明所稱之銀、鍺、鈀，及該添加劑的金屬元素，指的是純度為99.99%以上的銀、鍺、鈀，及該添加劑的金屬元素。
<具體例及其測試結果>
下表1為本發明用於半導體封裝的銀合金焊接導線的具體例1~28及比較例1~7的成分比例，及具體例 與比較例所進行的測試結果；其中，具體例1~4茲屬該第一較佳實施例，具體例5~28茲屬該第二較佳實施例。測試項目包括拉伸強度、壓力鍋蒸煮試驗(pressure cooker test，簡稱PCT，又稱飽和蒸汽試驗)、迴路高度穩定性，及結球穩定性。
首先，先準備表1所列出之純度大於99.99%的各原料，並依預設比例之銀合金組份之重量百分比混合；接著，經連續鑄造製程而成徑寬約為8~10mm的銀合金母線；繼續，再對該銀合金母線施以連續且數次的粗拉線製程及中拉線製程，該銀合金母線的徑面積較拉線製程前之銀合金母線的徑面積縮小約97%。
由於該銀合金母線在受到不間斷的拉扯，並被施予鑄造製程及拉線製程等大量加工製程後，該銀合金母線也由於累積於內部之大量應力所造成的差排(dislocation)導致硬化，大幅增加後續製程的困難度，且難以繼續進行後續所必須的細拉線製程。
因此，為了解決差排問題，在細拉線製程前，先對該銀合金母線進行約溫度約為550℃的退火熱處理。接著，再對退火熱處理後的銀合金母線施予連續的細拉線製程及超細拉線製程，得到最終線徑的導線，而後再次進行溫度為600℃退火熱處理，製程本發明銀合金焊接導線。
以下說明對該等具體例及比較例的測試方法。
[拉伸強度]
取10cm之一受測的銀合金焊接導線，以型號為JIS Z 2201之拉線機台，並透過每分鐘0.1至1cm的速度拉伸該受測的銀合金焊接導線，直到該受測的銀合金焊接導線斷裂，而得到一個拉伸強度值。
[壓力鍋蒸煮試驗]
首先，將100條受測的銀合金焊接導線經打線製程而與一墊片接合後，將該等受測的銀合金焊接導線放置於溫度為120℃、溼度為100%R.H.，及壓力為29.7psi的環境達250小時；接著，對該等已接受高壓、高溼及高熱的受測的銀合金焊接導線進行推球測試。利用一廠牌為DAGE，型號為dage 4000的推球試驗機進行推球測試，其推球試驗機的推刀荷重為250g，當對該焊接導線進行推球測驗所得到的推球值小於20g時，則判定失效。
在測驗100條銀合金焊接導線後，以「◎」表示0條銀合金焊接導線失效；以「○」表示1條銀合金焊接導線失效；以「△」表示2~3條銀合金焊接導線失效；以「×」表示不小於4條銀合金焊接導線失效；其中，失效條數愈多，則可靠度愈低；0條銀合金焊接導線失效表示可靠度極佳；1條銀合金焊接導線失效表示可靠度較佳；2~3條銀合金焊接導線失效表示可靠度為普通程度；不小於4條銀合金焊接導線失效表示可靠度極差。
[迴路高度穩定性]
將待測之銀合金焊接導線焊合於一墊片上，總 計分別焊合100條銀合金焊接導線，並維持每一焊合後的銀合金焊接導線的弧高為100至200μm；接著，以SEM(廠牌為HITACHI，型號為S-3000N)觀察並挑選出在該等焊合後的銀合金焊接導線中，外貌與整體銀合金焊接導線相較而言，其外貌差異較大的銀合金焊接導線。
其中，以「◎」表示外貌差異大之銀合金焊接導線的數量為0條；以「○」表示外貌差異大之銀合金焊接導線的數量為1條：以「△」表示外貌差異大之銀合金焊接導線的數量為2條；以「×」表示外貌差異大之銀合金焊接導線的數量不小於3條。其中，外貌差異大的數量愈多，則迴路高度穩定性愈低；0條銀合金焊接導線失效表示迴路高度穩定性極佳；1條銀合金焊接導線失效表示迴路高度穩定性較佳；2條銀合金焊接導線失效表示迴路高度穩定性為普通程度；不小於3條銀合金焊接導線失效表示迴路高度穩定性極差。
[結球穩定性]
首先，將穿過一焊合磁嘴之一待測之銀合金焊接導線裸露的端部，利用一熱音波焊接機，以電極放電的方式，將該待測之銀合金焊接導線的端部加熱熔融成一球狀態樣之金屬球(free air ball，簡稱FAB)，而後冷卻。其中，自電極放電至成熔球的過程又稱放電結球(Electric flame-off，簡稱EFO)，共重覆對100條待測之銀合金焊接導線的端部形成金屬球。接著，再觀察該等金屬球：自該銀合金焊接導線之延伸方向俯視該等金屬球， 當其中一金屬球於一水平面之一第一方向的徑寬與一垂直該第一方向之第二方向的徑寬間的比值小於0.95，或大於1.05時，判定該金屬球之結球穩定性失效。
其中，以「◎」表示0個金屬球之結球穩定性失效；以「○」表示1個金屬球之結球穩定性失效：以「△」表示2至3個金屬球之結球穩定性失效；以「×」表示4個金屬球之結球穩定性失效的數量。其中，金屬球之結球穩定性失效的數量愈多，則金屬球之結球穩定性愈低；0個金屬球之結球穩定性失效表示結球穩定性極佳；1個金屬球之結球穩定性失效表示結球穩定性較佳；2個金屬球之結球穩定性失效表示結球穩定性為普通程度；不小於3個金屬球之結球穩定性失效表示結球穩定性極差。
表1
由表1的比較例1、2、3可以瞭解，當鈀於 該銀合金焊接導線中的重量百分比大於4wt%，且鍺的重量百分比小於0.015wt%時，即便可具備大於16g的拉伸強度，但可靠性、迴路高度穩定性，及結球穩定性卻至多僅能達到普通的程度，而非具備良好之可靠性及結球穩定性的銀合金焊接導線；由表1的比較例6、7可以得知，當鈀之重量百分比小於3wt%，且鍺的重量百分比小於0.015wt%時，除了可靠性、迴路高度穩定性，及結球穩定性的測試結果也不甚理想外，且特別地，該焊接導線的拉伸強度差，導致比較例6、7焊接導線容易斷裂。
其次，由比較例4、5得知，當鍺之重量百分比於0.015wt%至0.01wt%的含量範圍中，但鈀卻大於4wt%；或當鈀的重量百分比於3wt%至4wt%的含量範圍中，但鍺卻大於0.1wt%時，其結球穩定性及可靠度都是「差」的程度，表示該焊接導線在結球後的球體非為理想的圓形，不適於使用在小尺寸晶片的封裝製程技術領域。
進一步地，由具體例1至4可以瞭解，當鈀的重量百分比不小於3wt%且不大於4wt%，且鍺的重量百分比不小於0.015wt%且不大於0.1wt%時，不僅拉伸強度大於16.5g，其可靠度、迴路高度穩定性，及結球穩定性皆可達到「佳」的程度之上，且其中至少一者可達到「極佳」的程度。
再者，由具體例5至28可以得知，當該銀合金焊接導線之銀合金組份中還含有該添加劑，該添加劑之重 量百分比不小於0.05wt%，且不大於0.1wt%，且該添加劑選自銅、鎳，及此等之組合，特別地，當該添加劑為銅和鎳時，除了拉伸強度符合焊接導線的需求外，還可供可靠性、迴路高度穩定性，及結球穩定性的其中2個以上達到「極佳」的程度。
還需再說明的是，由具體例14、26清楚得知，當該銀合金焊接導線中，鍺的重量百分比不小於0.015wt%，且不大於0.05wt%，配合該添加劑為重量百分比不小0.05wt%，且不大於0.1wt%之銅時，該銀合金焊接導線可靠性、迴路高度穩定性，及結球穩定性都是「極佳」，進而特別地適用於小尺寸的封裝製程領域。
綜上所述，本發明銀合金焊接導線利用不小於3wt%且不大於4wt%的鈀，配合不小於0.015wt%且不大於0.1wt%的鍺，既而顯著地提升該焊接導線的可靠度及結球穩定性；再者，若再配合特定比例之添加劑時，還可進一步地增進可靠度、迴路高度穩定性，及結球穩定性的功效，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (8)

  1. 一種銀合金焊接導線，包含：一銀合金組份，包括銀、鈀，及鍺，基於該銀合金組份的重量百分比為100wt%計，鈀的重量百分比不小於3wt%，且不大於4wt%，鍺的重量百分比不小於0.015wt%，且不大於0.1wt%。
  2. 如請求項1所述的銀合金焊接導線，其中，鍺的重量百分比不小於0.015wt%，且不大於0.05wt%。
  3. 如請求項1所述的銀合金焊接導線，其中，該銀合金組份還包括一添加劑，基於該銀合金組份的重量百分比為100wt%計，鈀的重量百分比不小於3wt%，且不大於4wt%，鍺的重量百分比不小於0.015wt%，且不大於0.1wt%，該添加劑的重量百分比不小於0.05wt%，且不大於0.1 wt%，其中，該添加劑選自銅、鎳，及此等之組合。
  4. 如請求項3所述的銀合金焊接導線，其中，該添加劑選自銅及鎳。
  5. 如請求項4所述的銀合金焊接導線，其中，該添加劑為銅。
  6. 如請求項2所述的銀合金焊接導線，其中，該銀合金組份還包括一添加劑，基於該銀合金組份的重量百分比為100wt%計，鈀的重量百分比不小於3wt%，且不大於4wt%，鍺的重量百分比不小於0.015wt%，且不大於0.05wt%，該添加劑的重量百分比不小於0.05wt%，且不 大於0.1 wt%，其中，該添加劑選自銅、鎳，及此等之組合。
  7. 如請求項6所述的銀合金焊接導線，其中，該添加劑選自銅及鎳。
  8. 如請求項7所述的銀合金焊接導線，其中，該添加劑為銅。
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