TWI532857B - 用於接合應用的銀合金線 - Google Patents

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卓容德
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賀利氏材料科技公司
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Description

用於接合應用的銀合金線
本發明係關於一種接合線，其包括：具有表面之核心，其中該核心包括作為主要組份之銀及至少一個選自由金、鈀、鉑、銠、釕、鎳、銅及銥組成之群之成員。
本發明進一步係關於具有本發明之線之微電子組件封裝及製造本發明之線之方法。
接合線係用於製造半導體裝置中以在半導體裝置製作期間使積體電路與印刷電路板電互連。另外，接合線係用於電力電子應用中以電連接電晶體、二極體及諸如此類與外殼之墊或接針。儘管開始接合線係由金製成，但如今使用較便宜之材料，例如銀。儘管銀線提供極佳之導電性及導熱性，但銀線之接合具有其挑戰性。
本發明術語接合線包括所有形狀之橫剖面及所有常規線直徑，但較佳者係具有圓形橫剖面及細直徑之接合線。
一些近期研發係關於具有基於銀作為主要組份之核心材料之接合線，此乃因其與金相比價格較低。然而，業內仍需求關於接合線自身及接合製程進一步改良接合線技術。
因此，本發明之目標係提供經改良接合線。
因此，本發明之另一目標係提供接合線，其具有良好處理性質且當進行互連時無特定需求，從而節省成本。
本發明之目標亦係提供具有優良導電性及導熱性之接合線。
本發明之進一步目標係提供展現經改良可靠性之接合線。
本發明之進一步目標係提供展現優良接合性之接合線。
本發明之另一目標係提供對於第二接合或楔形接合展示經改良接合性之接合線。
本發明之再一目標係提供具有高線拉力值(stitch pull value)以及線拉力值之低標準偏差之接合線。
本發明之再一目標係提供具有高球剪切值(ball shear value)以及球剪切值之低標準偏差之接合線。
本發明之再一進一步目標係提供具有低電阻率之接合線。
另一目標係提供微電子組件封裝，該封裝在封裝之電子裝置與基板之間提供有成本效率並可靠之連接。
另一目標係提供用於製造本發明接合線之方法，該方法與已知方法相比基本上未展示製造成本增加。
令人驚訝地，已發現本發明之線解決至少一個上述目標。進一步，已發現製造此等線之製程克服至少一種製造線之挑戰。進一步，已發現包括本發明之線之系統在本發明之線與其他電子元件之間之界面處更可靠。
藉由類別形成請求項之標的物提供幫助以解決至少一個以上目標，藉此類別形成獨立項之附屬項代表本發明之較佳態樣，其標的物同樣有助於解決至少一個上述目標。
本發明之第一態樣係接合線，其包括：具有表面之核心，其中該核心包括作為主要組份之銀及至少一個選自由金、鈀、鉑、銠、釕、鎳、銅及銥組成之群之成員，其特徵在於接合線具有以下性質中之至少一者：i)核心之晶粒之平均大小係在0.8 μm與3 μm之間，ii)在線之橫剖面中在<001>方向上定向之晶粒之量係在10%至20%之範圍內， iii)在線之橫剖面中在<111>方向上定向之晶粒之量係在5%至15%之範圍內，且iv)在線之橫剖面中在<001>方向上定向之晶粒及在<111>方向上定向之晶粒之總量係在15%至40%之範圍內。
組份之所有含量或份額目前以重量份額給出。具體而言，以百分比給出之組份份額意指重量%，且以ppm(每百萬份之份數)給出之組份份額意指重量-ppm。對於涉及特定大小及/或定向之晶粒之百分數值，該等值係粒子總數之份額。
為測定晶粒大小及/或晶粒定向，製備線樣品，藉由使用電子顯微鏡、具體而言EBSD(=電子背散射繞射)量測及評價。關於本發明所主張特徵之準確定義，參照本發明下文之實例性實施例之闡述。
較佳地，本發明之線不具有覆蓋核心表面之塗層。此提供簡單及成本節省之線之製造。此並不排除出於特定應用，可在本發明之線之核心表面上提供塗層。
若組份之份額超過所提及材料之所有其他組份，則該組份係「主要組份」。較佳地，主要組份佔材料總重量之至少50%。
在較佳實施例中，核心包括作為主要組份之銀及至少一個選自由金、鈀及鉑組成之群之成員。
在較佳詳細實施例中，核心包括80重量%至95重量%之銀、5重量%至12重量%之金、1.5重量%至5重量%之鈀及最多0.01重量%之不可避免的雜質。在此實施例中，金含量之量更佳係在5%至12%之範圍內且最佳在6%至10%之範圍內。鈀之量更佳係在2%至5%之範圍內且最佳在2%至4%之範圍內。
在替代實施例中，核心包括90重量%至99.7重量%之銀、0.3重量%至10重量%之金及最多0.01重量%之不可避免的雜質。
在另一替代實施例中，核心包括90重量%至99.7重量%之銀、0.3 重量%至10重量%之鈀及最多0.01重量%之不可避免的雜質。
在再一替代實施例中，核心包括80重量%至99重量%之銀、0重量%至10重量%之金、1重量%至20重量%之鈀及最多0.01重量%之不可避免的雜質。
在本發明之尤佳實施例中，核心之晶粒之平均大小係在1.0 μm與1.6 μm之間。晶粒之此大小特別均勻並有助於線性質之良好再現性。
在最有利之實施例中，晶粒大小之標準偏差係在0 μm與0.5 μm之間。更佳地，晶粒大小之標準偏差在0 μm與0.4 μm之間或甚至在0 μm與0.25 μm之間。令人驚訝地，已證實若晶粒大小特別均勻，則顯著增強線性質之品質及再現性。
通常，可藉由適當選擇已知製造參數來調節晶粒大小及晶粒之進一步結構(例如其定向)。此等係退火參數(例如退火溫度及暴露時間)以及其他參數(例如拉伸步驟之數目、各別直徑縮小等等)。
在本發明之最佳實施例中，在線之最終拉伸步驟之前將線暴露至中間退火步驟。中間退火意指該退火係在進行影響線之微結構之其他步驟或量測之前實施。該步驟係(例如)在中間退火後拉伸線。
在接合製程中使用線之前將線暴露於退火步驟可通常理解為該中間退火步驟或最終退火步驟。此最終退火步驟理解為在線產生中影響線微結構之最後步驟。此最終退火步驟之參數為業內所熟知。
在將線暴露於最終退火步驟之情況下，最佳係之前已實施中間退火，此意味著在線之產生中實施至少兩次不同的退火程序。可在中間退火與最終退火之間實施對線之微結構有影響之操作(如拉伸步驟)。此允許特定地最佳化本發明之線之晶體結構。
在較佳實施例中，當暴露於中間退火步驟時核心前驅物具有至少0.5 mm之直徑。甚至更佳，直徑係至少1 mm。另一方面，在中間退火期間，核心之直徑不應超過10 mm，更佳係5 mm。當藉由拉伸或 其他形成方法自該等核心前驅物形成接合線、具體而言細接合線時，在形成步驟之前之中間退火顯著地有助於獲得有利的晶體結構。核心前驅物定義為最終線核心之任何預成形件，同時藉由諸如輥軋、拉伸、加熱或其他步驟等製造步驟處理該核心前驅物。
通常，藉由形成步驟、具體而言拉伸步驟所獲得之最終線直徑與經中間退火核心之間之直徑縮小比(diameter reduction ratio)較佳經選擇在0.1至0.002之範圍內、更佳自0.05至0.005。
已指出，線之進一步最佳化可包括若干中間退火程序，然而對於生產效率而言，較佳僅一個中間退火步驟。
在本發明之較佳實施例中，中間退火步驟包括將線暴露於至少350℃之退火溫度下持續至少5分鐘之暴露時間。
更佳退火溫度係在400℃至600℃之範圍內且最佳係在450℃與550℃之範圍內。
中間退火時間更佳係長於30分鐘，具體而言係在30分鐘至120分鐘之範圍內。
本發明之特別佳實施例將中間退火之更佳退火溫度與更佳暴露時間組合。在此實施例中，將在450℃與550℃之間之退火溫度與在30分鐘與120分鐘之間之暴露時間組合。
本發明之再一進一步詳細實施例包括在中間退火中暴露於退火溫度後暴露於冷卻步驟，其中冷卻步驟之持續時間係至少5分鐘。
冷卻步驟理解為自退火溫度至較低溫度之向下傾斜溫度曲線。此較低溫度可係室溫或線之結構不再發生顯著改變之任何其他溫度。具體而言，較低溫度可係線之正常操作溫度，此乃因操作溫度係選擇在預期對晶體結構無顯著影響之範圍內。典型操作溫度之實例(例如對於常規LED應用)係在70℃之範圍內。
自冷卻步驟之起始至結束之溫度對時間圖表之形式較佳但並非 必需係線性的。
若冷卻步驟之持續時間係中間退火之暴露時間之持續時間之至少一半，則可達成對晶體結構之尤其有利之影響。甚至更佳，冷卻步驟之持續時間大約與中間退火步驟之持續時間相同。令人驚訝地，已證實相當緩慢且經控制冷卻顯著改良晶體結構之均勻性。
本發明特別地係關於細接合線。已觀測到之效應尤其有益於細線，具體而言關於晶粒大小及晶粒定向之控制。在本發明之情況下，術語「細線」定義為具有在8 μm至80 μm範圍內之直徑之線。尤佳地，本發明之細線具有小於30 μm之直徑。在該等細線中，本發明之組合物及退火特別有助於達成有益之性質。
該等細線大部分但並非必需具有基本上呈圓形形狀之橫剖面圖。在本發明上下文中，術語「橫剖面圖」係指切割穿過線之視圖，其中切割平面垂直於線之縱向延伸。橫剖面圖可於線之縱向延伸之任何位置處獲得。在橫剖面中穿過線之「最長路徑」係在橫剖面圖之平面內可經佈置穿過線之橫剖面之最長弦。在橫剖面中穿過線之「最短路徑」係在上文所定義之橫剖面圖之平面內垂直於最長路徑之最長弦。若線具有完美的圓形橫剖面，則最長路徑與最短路徑變得難以辨別並共享相同值。術語「直徑」係任何平面及在任何方向上之所有幾何直徑之算術平均值，其中所有平面垂直於線之縱向延伸。
本發明之其他態樣係包括藉由本發明之接合線彼此連接之電子裝置與基板之微電子組件封裝。
在組件封裝之較佳詳細實施例中，電子裝置係發光二極體。已證明本發明之線不僅極好地適於接合該等LED裝置，而且已證明線材料之反射性對於此特定應用給出良好結果。
本發明之其他態樣係用於製造本發明之接合線之方法，其包括以下步驟 a.提供線核心前驅物；b.拉伸前驅物直至達到線核心之最終直徑；c.使經拉伸線在最低退火溫度下退火達最短退火時間。
應理解，可在若干步驟中實施前驅物之拉伸。應理解，線核心前驅物具有本發明之線之組合物。可藉由熔融界定量之銀、以界定量添加其他組份並處理均勻混合物簡單地獲得該前驅物。隨後可自熔融或凝固合金以任何已知方式澆鑄或形成線核心前驅物。
在本發明之最佳實施例中，方法包括以下步驟：d.在步驟b之前線核心前驅物之中間退火。
此額外中間退火步驟在拉伸線或諸如此類中發生強烈機械變形之前使晶體結構最佳化。已證實中間退火有益於最終所得之線之微結構。例如，中間退火可有助於降低在最終產物中晶粒大小之偏差，改良晶粒之定向等等。中間退火之參數可相對於所需之線參數調適。
較佳地，最低中間退火溫度係350℃且最短中間退火時間係5分鐘。
有利地，該方法進一步包括在中間退火之後使線自至少退火溫度冷卻至不超過常規操作溫度之步驟，其中冷卻之持續時間為至少5分鐘。
關於用於製造線之方法之更佳詳細實施例、具體而言關於最佳化退火參數，參照本發明之線之以上闡述。
實例
藉由實例進一步例示本發明。此實例用作本發明之例示性說明且並非意欲以任何方式限制本發明之範圍或申請專利範圍。
藉由熔融預定量之純銀並添加預定量之純金及鈀以獲得如下充分混合之組合物(以重量%)來製備合金：
將熔融混合物澆鑄成成形件並冷卻以獲得線核心前驅物。線前驅物具有2 mm之直徑。
隨後將2 mm直徑線核心前驅物在中間退火步驟中退火。在此步驟中，將核心前驅物插入至預熱至500℃之溫度之退火爐中。隨後使核心前驅物在爐中在500℃之恆定溫度下維持90分鐘之暴露時間。
中間退火步驟之後連續地緊接冷卻步驟，該冷卻步驟具有以下參數：在90分鐘之時間期間將爐溫度線性地自500℃降低至室溫。
隨後在若干拉伸步驟中將經中間退火之核心前驅物拉伸成18 μm最終直徑之細線。
隨後將所得18 μm線在最終退火步驟中用常規退火參數退火。
將所得之本發明之線用於若干測試。
首先，將線與基於類似於本發明線之銀合金之兩種標準線相比較。比較量測包括線之電阻率、線拉力行為及對球剪切行為之數據。 對於線之此等性質，使用在線接合之領域中之標準測試程序。
圖5展示比較三種線之圖表。將本發明之線命名為W1並將兩種比較線命名為C1及C2。線之電阻率具有以下值：
本發明之線樣品W1具有目前為止最低之電阻率(低於4.7 μΩ×cm)，其通常係接合線之極有利的特徵。
比較線拉力行為，不僅高線拉力值係有利的，而且甚至更有利的係該等值之低偏差，此乃因在製造製程中低偏差提供高控制及高可靠性。
3種線之結果在以下表2中給出：
數據展示本發明之線相對於線C1係有利的，此乃因其具有顯著較佳之偏差。對於線C2，本發明之線至少同樣有利，此乃因在相同偏差下其具有較高之平均值。
比較球剪切性質，不僅高球剪切值係有利的，且甚至更有利的係該等值之低偏差，此乃因在製造製程中低偏差提供高控制及高可靠性。3種線之結果在以下表3中給出：
球剪切性質之數據展示本發明之線有利的優於兩種比較線，此乃因其具有最高平均值與最低偏差之組合。
在下文中，將關於其特定性質詳細闡述本發明之線。
圖1展示本發明線之樣品製品之量測。在若干步驟中完成樣品製備：
-將一段線纏繞至具有矩形橫剖面之鋼載體上。
-藉由模製將經纏繞線與鋼載體包埋於樹脂中。
-切割穿過經包埋線之橫剖面。
-在若干步驟中拋光線之橫剖面區域，其中最終拋光晶粒大小為0.04 μm。
-清潔經拋光表面並隨後藉由離子銑削處理。
對線之微紋理進行若干量測，具體而言借助電子背向散射繞射(EBSD)。所用分析工具係FE-SEM Hitachi S-4300E。用於量測及數據評價之軟體包稱為TSL且係自Edax公司，US(www.edax.com)購得。
利用此等量測，測定線之晶粒之大小及分佈以及晶體定向。由於晶粒之量測及評價目前係藉由EBSD實施，因此應瞭解對於晶粒邊界之測定，設定公差角度為5°。
圖1之影像展示穿過本發明線之18 μm直徑之橫剖面掃描，其中線材料之晶粒由其晶粒邊界指示。已就大小及其晶體定向對所有單一 晶粒進行評價。
在此評價中，已定義橫剖面之三個不同區以更好的深入理解。依據距基本上圓形橫剖面之中心之徑向距離將區命名為「表面」、「中間」及「中心」。三個區中之每一者具有大約相同之總橫剖面面積之份額。
在圖2中，顯示無中間退火及冷卻步驟之線(下部曲線)及已如上所述實施中間退火及冷卻步驟之線(上部曲線)之每一區域之晶粒之平均大小。藉由在各別圖表點處之垂直棒條顯示晶粒大小之標準偏差。
經中間退火之線之總平均晶粒大小係約1.2 μm，且不同區平均之標準偏差小於0.13 μm。對於不同區，平均晶粒大小均不低於1 μm且標準偏差不大於0.15 μm。
定向係參照線樣品之縱長方向設定並定義為<001>定向。
如圖3所示，相對於線軸評價圖1之線之晶粒之定向。在圖3中之右上角，作為注釋之常用方式以三角形為不同定向之參考。三個基本或主要定向<001>、<101>及<111>屬於三角形之各別拐角。
在本發明之評價中，若晶粒之經量測定向相對於<001>定向(分別地或<111>定向)在15°之公差角度之內，則將其定義為屬於<001>定向(分別地或<111>定向)。在三角形中，對於<001>定向及<111>定向之情況下，此等公差角度作為經填充區域係可見的，其中該兩個定向具有不同灰色陰影。在線橫剖面中將此等定向之各別晶粒以相同色彩之灰色陰影標記。其他白色晶粒不屬於<001>或<111>定向。
經計數晶粒之評價展示晶粒總數之11.7%屬於<001>定向且晶粒總數之6.9%屬於<111>定向。
比較線C1與C2之比較展示：
此等結果及進一步評價確認本發明之線樣品具有有以下性質之特定定向之粒子分佈：
a.在線之橫剖面中在<001>方向上定向之晶粒之量係在10%至20%之範圍內。
b.在線之橫剖面中在<111>方向上定向之晶粒之量係在5%至15%之範圍內。
c.在線之橫剖面中在<001>方向上定向之晶粒及在<111>方向上定向之晶粒之總量係在15%至40%之範圍內。
d.核心之晶粒之平均大小係在0.8 μm與3 μm之間。
已證實具有此等性質中之至少一者之本發明線在如上所述之接合製程中展示良好性質。進一步有利地，同時呈現特徵a至d中之任何兩者或多者。
本發明之標的物例示於圖中。然而，圖並非意欲以任何方式限制本發明之範圍或申請專利範圍。
圖1展示本發明線之橫剖面製品之掃描，其中晶粒邊界係可見的。
圖2展示評價本發明之線與未經中間退火之線相比較之晶粒大 小之圖表。
圖3展示來自圖1之線，其中具有不同定向之晶粒經標記並經評價。
圖4展示評價來自圖1之線之晶粒大小之圖表。
圖5展示比較本發明之線與兩種標準線之電阻率之圖表。

Claims (14)

  1. 一種接合線，其包括：具有表面之核心，其中該核心包括作為主要組份之銀及至少一個選自由金、鈀、鉑、銠、釕、鎳、銅及銥組成之群之成員，其特徵在於該接合線具有以下性質中之至少一者：i)該核心之晶粒之平均大小係在0.8μm與3μm之間，ii)在該線之橫剖面中在<001>方向上定向之晶粒之量係在10%至20%之範圍內，iii)在該線之該橫剖面中在<111>方向上定向之晶粒之量係在5%至15%之範圍內，且iv)在該線之該橫剖面中在<001>方向上定向之晶粒及在<111>方向上定向之晶粒之總量係在15%至40%之範圍內，且其中在該線之最終拉伸步驟之前該線已暴露至中間退火步驟，其中該中間退火步驟包括將該線暴露於至少350℃之退火溫度並持續至少5分鐘之暴露時間，且其中在至該退火溫度之該暴露後將該線暴露至冷卻步驟，其中該冷卻步驟之持續時間係至少5分鐘。
  2. 如請求項1之接合線，其中該核心包括作為主要組份之銀及至少一個選自由金、鈀及鉑組成之群之成員。
  3. 如請求項1之接合線，其中該核心包括80重量%至95重量%之銀、5重量%至12重量%之金、1.5重量%至5重量%之鈀及最多0.01重量%之不可避免的雜質。
  4. 如請求項1之接合線，其中該核心包括90重量%至99.7重量%之銀、0.3重量%至10重量%之金及最多0.01重量%之不可避免的雜 質。
  5. 如請求項1之接合線，其中該核心包括90重量%至99.7重量%之銀、0.3重量%至10重量%之鈀及最多0.01重量%之不可避免的雜質。
  6. 如請求項1之接合線，其中該核心包括80重量%至99重量%之銀、0重量%至10重量%之金、1重量%至20重量%之鈀及最多0.01重量%之不可避免的雜質。
  7. 如請求項1之接合線，其中該核心之晶粒之平均大小係在1.0μm與1.6μm之間。
  8. 如請求項1之接合線，其中該晶粒大小之標凖偏差係在0μm與0.5μm之間。
  9. 如請求項1之接合線，其中該等晶粒之大小之標凖偏差係在0μm與0.4μm之間。
  10. 如請求項1之接合線，其中當暴露於該中間退火步驟時核心前驅物具有至少0.5mm之直徑。
  11. 如請求項1至10中任一項之接合線，其中該冷卻步驟之該持續時間係該暴露時間之該持續時間之至少一半。
  12. 如請求項1至10中任一項之接合線，其中該線之該直徑係在10μm至30μm範圍內。
  13. 一種微電子組件封裝，其包括藉由如前述請求項中任一項之接合線彼此連接之電子裝置與基板。
  14. 一種用於製造如請求項1至12中任一項之接合線之方法，其包括以下步驟a. 提供線核心前驅物；b. 在350℃之最低中間退火溫度及5分鐘之最短中間退火時間下實施該線核心前驅物之中間退火； c. 在中間退火之後將該線自至少該中間退火溫度冷卻至不超過常規操作溫度，其中該冷卻具有至少5分鐘之持續時間；d. 拉伸該前驅物直至達到該線核心之最終直徑；及e. 使該經拉伸線在最低退火溫度下退火達最短退火時間。
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