TWI535865B - 一種銀合金材料及其製作方法 - Google Patents

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Description

一種銀合金材料及其製作方法
本發明係有關於一種銀合金材料，尤指一種含銦之銀合金材料及其製作方法，使得此一特定的含銦之銀合金材料能夠用做光學高反射鏡、釬焊材料、含銀飾品的製作以及作為半導體封裝用的極細銀合金線。
電子產品中晶片的打線技術，於早期為使用純金線，近年來為降低其成本，故業界紛紛尋找可替代的材料，例如銅線，但由於銅線容易氧化，極易造成晶片運作的不穩定，抑或使用銅線鍍上金、鈀或鉑等貴金屬來克服氧化的問題，但在打線接合的過程中，其界面焊接處仍容易受到水氣的影響而產生腐蝕的情況。因此，業界開始使用銅金等不同配比的合金線作為替代，另一方面，也嘗試以純銀線來取代金線作為打線材料。
由於銀線具有較佳的導電性，且價格較純金線便宜又不似銅線易於腐蝕。然而，銀線在大氣中雖然穩定且不易氧化，但卻容易硫化，因此為克服硫化的問題，銀線的使用亦開始向合金化的方發展，藉由添加其他元素來改善銀材料的原先特性，例如：添加微量的鈀有助於抗氧化、硫化和電遷移的能力。
此外，同時添加多種不同的元素於合金之中，亦為合金研究發展的趨勢，早期如於1975年所申請的美國專利公告號 US4052531A中，提出一種含70重量%之銀(Ag)，其餘為銦(In)、鋅(Zn)、矽(Si)及銅(Cu)的釬焊合金，或如台灣專利公告號TWI316092B中，提出一種以銀為基礎之合金，並添加銦、錫(Tin)、銻(Sb)或鉍(Bi)於其中的多種金屬銀合金，或如中國專利公開號CN102312120A中，提出一種含96至97.5重量%之銀，其餘為銦及金(Au)的合金鍵合絲，或如台灣專利公告號TWI404809B中，提出一種含64至67.5重量%之銀及31.5至35重量%之銦的合金組成物，使其特性為高硬度、高熔點、高強度等。
由上述前案可知，合金材料的應用十分地廣泛，但習知技術往往需要添加二種以上的元素，且每種以特定比例及特定元素合成的合金僅具有相類似的金屬特性，因此局限了其應用的範圍，而多種元素的混合，亦可能造成合金成分不均勻的現象。
是以，如何簡化合金合成步驟及合成一泛用的合金材料，為本發明欲解決的技術課題。
本發明提供一種銀合金材料，以該銀合金材料的總重量為基準，其特徵在於：該銀合金材料包含：65至95重量%之銀及5至35重量%之銦，使得該銀合金材料具有一固液共存區。
於上述較佳實施方式中，其中該銀合金材料進一步限定包含5至25重量%之銦。
於上述較佳實施方式中，其中該銀合金材料可應用於光學高反射鏡。
於上述較佳實施方式中，其中該銀合金材料可應用於釬焊材料。
於上述較佳實施方式中，其中該銀合金材料可應用於含銀飾品。
於上述較佳實施方式中，其中該釬焊材料為一線材，該線材之直徑介於8mm至16μm之間。
於上述較佳實施方式中，其中該銀合金材料之金屬延伸率為60%。
於上述較佳實施方式中，其中該銀合金材料之屈服強度為58MPa。
於上述較佳實施方式中，其中該銀合金材料之極限強度為300MPa。
本案另一較佳做法，係關於一種銀合金材料的製作方法，其中該銀合金材料的製作方法包括下列步驟：(a).提供一銀金屬顆粒及一銦金屬顆粒；(b).混合該銀金屬顆粒及該銦金屬顆粒，使其形成一銀銦金屬混合物；(c).對該銀銦金屬混合物進行一真空加熱步驟，使該銀銦金屬混合物融解成銀銦均匀熔融狀態；(d).對該銀銦金屬混合物進行一冷卻步驟，使其形成一銀銦合金初產物，該銀銦合金初產物為銀銦固液共存的固態溶液；(e).對該銀銦合金初產物進行一退火步驟，使其形成一銀合金材料，其中該銀合金材料具有一固液共存區。
於上述較佳實施方式中，其中於步驟(a)中，以該銀金屬顆粒與該銦金屬顆粒之總重量為基準，該銀金屬顆粒佔65至95重量%，該銦金屬顆粒佔5至35重量%。
於上述較佳實施方式中，進一步限定該銦金屬顆粒佔5至25重量%。
於上述較佳實施方式中，其中於步驟(c)中，係將該銀銦金屬混合物置於容器中，以溫度1000至1030℃的條件下，對該銀銦金屬混合物進行該真空加熱的步驟。
於上述較佳實施方式中，其中於步驟(d)中，係將該銀銦金屬混合物置於真空裝置中進行該冷卻的步驟。
於上述較佳實施方式中，其中於步驟(e)中，係將該銀銦合金初產物置於真空裝置中進行該退火之步驟。
S11~S14‧‧‧步驟
第1圖為本案所提供之合成銀合金材料的實施步驟流程示意圖。
本發明提供一種含銦之銀合金材料及其製作方法，請參閱第1圖所示，為合成含銦之銀合金材料，首先需混合銀金屬顆粒及銦金屬顆粒(步驟S11)，使其形成銀銦金屬混合物，於步驟S11中，以銀銦金屬混合物的總重量為基準，銀銦金屬混合物包含：65至95重量%之銀及5至35重量%之銦；於另一較佳實施方式中，銀銦金屬混合物可包含：75至95重量%之銀及5至25重量%之銦。
接著進行真空加熱(步驟S12)，步驟S12係將銀銦金屬混合物置於真空爐中，以1000至1030℃的溫度進行真空加熱，使該銀銦金屬混合物融解成銀銦均匀熔融狀態(molten phase)。
之後進行冷卻(步驟S13)，將真空加熱後的銀銦金屬混合物置於真空裝置中進行冷卻，而獲得銀銦合金之初產物，此 銀銦合金初產物為銀銦固液共存(solid-liquid coexistence)的固態溶液。
待冷卻完成後，進行一退火(步驟S14)，將所獲得的銀銦合金初產物置於真空裝置中，進行退火處理，使其形成含銦之銀合金材料。透過退火處理，可增加含銦之銀合金材料的柔軟性、延性和韌性，此外該含銦之銀合金材料具有一固液共存區(solid-liquid coexistence zone)。
首先進行一抗硫化的測試，將上述含銦之銀合金材料製成的光學高反射鏡與一純銀製成的圓盤分別置於120℃、氣壓為1.01帕(Pa)的含硫蒸氣玻璃罐中，經過1小時後，可以發現，以含銦之銀合金材料所製成的光學高反射鏡仍無硫化的情形發生；相反的，該純銀製成的圓盤於相同環境條件下，經過1小時候，發現其與硫蒸氣產生反應，於表面生成厚度約25μm黑色的硫化銀(Ag2S)。證明相較於純銀製成的圓盤硫化現象的發生，本案揭示65至95重量%之銀及5至35重量%之銦所合成的銀合金材料具有高度抗硫化的特性。
此外，以美國材料和試驗協會(ASTM)之標準，分別測試純金、純銀、鋁(Al)、標準成分之銀合金(包含：92.5重量%之銀及7.5重量%之銅)及本案合成的含銦之銀合金材料。
測試項目包括：屈服強度(Yields Tensile strength)、極限強度(Ultimate Tensile strength)及延伸率(Elongation)，測試圖表如下所示：
由上表所示可知，含銦之銀合金材料相較於鋁或標準成分之銀合金，其屈服強度僅有58MPa，因此，若以該含銦之銀合金材料製成用於半導體晶片封裝之釬焊材料的線材，由於其屈服強度低，因此可降低打線接合工具(wire bonding tool)操作時的力量，避免對晶片之接合焊盤(bond pads)造成損害的機率。
由上表所示可知，含銦之銀合金材料相較於純金、純銀、鋁及標準成分之銀合金等材料，其極限強度高達300MPa，因此具有較高的抵抗及承受外力作用的特性，是以，以此線材封裝的半導體晶片之打線接合結構下，可承受更多後續射出成型的加工衝擊力。而相較於先前技術如中國專利公開號CN102312120A，本案所提出之含銦之銀合金材料其極限強度(300MPa=300MN/mm2)亦優於該前案所提出之銀銦合金鍵合絲(極限強度為70MN/mm2)。
由上表所示可知，含銦之銀合金材料其延伸率高達60%，該延伸特性可降低打線接合結構於打線接合或射出成型等加工程序時，打線結構因受外力作用而斷裂的現象。而相較於先前技術如中國專利公開號CN102312120A，本案所提出之含銦之銀合金材料其延伸率亦優於該前案所提出之銀銦合金鍵合絲(延伸率約為12%)。
而由於以純金或純銀製成的線材，其僅具有單一熔點(melting point)，如銀之熔點為961.93℃、金之熔點為1064℃， 因此以純銀線材或純金線材進行線材釬焊(brazing)過程中，需讓打線接合工具確實地維持在單一且穩定的釬焊溫度，否則無法讓打線結構穩固地連接晶片與基板。相較於本案所提出的含銦之銀合金材料，由於其具有一固液共存區，因此，當使用該含銦之銀合金材料製成之線材進行釬焊接合時，僅需讓打線接合工具維持在固液共存區溫度的範圍內工作即可，也因此提升了整體晶片封裝的速度及打線接合的良率。
綜上所述，本案所提供僅以銀及銦合成之銀合金材料具有抗硫化、低屈服強度、高極限強度及高延展性等特性，使其可廣泛地應用於光學高反射鏡、釬焊材料及含銀飾品的製作等，並可藉由其固液共存區的特性提升線材釬焊的良率；故，本案實為一極具產業價值之作。
本案得由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護。
S11~S14‧‧‧步驟

Claims (14)

  1. 一種銀合金材料，以該銀合金材料的總重量為基準，其特徵在於：該銀合金材料包含：65至95重量%之銀及5至35重量%之銦，使得該銀合金材料具有一固液共存區。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之銀合金材料，其中該銀合金材料進一步限定包含5至25重量%之銦。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之銀合金材料，其中該銀合金材料可應用於光學高反射鏡。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之銀合金材料，其中該銀合金材料可應用於一釬焊材料。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之銀合金材料，其中該銀合金材料可應用於含銀飾品。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之銀合金材料，其中該釬焊材料為一線材，該線材之直徑介於8mm至16μm之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之銀合金材料，其中該銀合金材料之金屬延伸率為60%。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之銀合金材料，其中該銀合金材料之屈服強度為58MPa。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之銀合金材料，其中該銀合金材料之極限強度為300MPa。
  10. 一種銀合金材料的製作方法，其中該銀合金材料的製作方法包括下列步驟：(a).提供一銀金屬顆粒及一銦金屬顆粒，其中，以該銀金屬顆粒與該銦金屬顆粒之總重量為基準，該銀金屬顆粒佔65至95重量%，該銦金屬顆粒佔5至35重量%；(b).混合該銀金屬顆粒及該銦金屬顆粒，使其形成一銀銦金屬混合物；(c).對該銀銦金屬混合物進行一真空加熱步驟，使該銀銦金屬混合物融解成銀銦均勻熔融狀態；(d).對該銀銦金屬混合物進行一冷卻步驟，使其形成一銀銦合金初產物，該銀銦合金初產物為銀銦固液共存的固態溶液；(e).對該銀銦合金初產物進行一退火步驟，使其形成一銀合金材料，其中該銀合金材料具有一固液共存區。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之銀合金材料的製作方法，其中於步驟(a)中，進一步限定該銦金屬顆粒佔5至25重量%。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之銀合金材料的製作方法，其中於步驟(c)中，係將該銀銦金屬混合物置於容器中，以溫度1000至1030℃的條件下，對該銀銦金屬混合物進行該真空加熱的步驟。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之銀合金材料的製作方法，其中於步驟(d)中，係將該銀銦金屬混合物置於真空裝置中進行該冷卻的步驟。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之銀合金材料的製作方法，其中於步驟(e)中，係將該銀銦合金初產物置於真空裝置中進行該退火之步驟。
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