TWI536396B - Silver alloy soldered wire for semiconductor packages - Google Patents

Description

用於半導體封裝的銀合金焊接導線

本發明是有關於一種焊接導線，特別是指一種用於半導體封裝的銀合金焊接導線。

在半導體封裝技術領域中，封裝製程主要是透過焊接的方式，將一焊接導線(或稱打線)以電連接半導體晶片(或稱IC晶片)的墊片(pad)，及印刷電路板(PCB)的導電線路，而成一封裝半成品；接著，將該封裝半成品設置於一封裝座的一容置空間，再於該容置空間填充一封裝樹脂，並使該封裝樹脂包覆該封裝半成品，使得該封裝半成品與外界隔離，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。中華民國專利公 開案第201001652號即揭示一種銀合金導線，主要是將約0.05~5wt.%鉑、銠、鋨、金、鈀添加於銀中提高高濕度環境下的可靠性，抑制含銀合金導線與半導體晶片接墊間之焊接面形成氧化膜及發生電蝕，以防止焊接面發生晶片裂紋並改進焊接強度，並再進一步添加鈣、鋇等改進含銀合金焊接導線之可使用性及拉伸強度。

然而，於半導體晶片技術領域持續隨著Moore’s定律微縮尺寸，相對地，焊接於半導體晶片之墊片的焊接導線的徑寬也愈小。發明人發現，雖然銀合金導線出現，降低線材成本且解決銀導線塑性差的問題；然而，在導線線徑寬度必須越來越小的情況下，如何控制合金元素及含量使銀合金焊接導線在打線或打線後填充封裝樹脂後不易傾倒且維持迴路高度穩定性(即弧形穩定性)，進而避免電路短路的問題，成為一重要且亟待解決的課題。

因此，本發明之目的，即在提供一種打線後防止導線傾倒或坍塌，且迴路高度穩定性高之用於半導體封裝的銀合金焊接導線。

於是，本發明用於半導體封裝的銀合金焊接導線，包含一銀合金組份，包括銀、鈀，及一第一添加劑，基於該銀合金組份的重量百分比以100wt%計，鈀的重量百分比大於0且不大於2wt%，該第一添加劑的重量百分比不小於0.001wt%，且不大於2wt%，該第一添加劑選自銦、錫、鈧、鉍、銻、錳、鋅，及此等之一組合。

該銀合金組份還包括一第二添加劑，基於該銀合金組份的重量百分比以100wt%計，鈀的重量百分比大於0且不大於2wt%，該第一添加劑的重量百分比不小於0.001wt%，且不大於2wt%，該第二添加劑的重量百分比不小於0.001wt%，且不大於2wt%，該第二添加劑選自銅、鎳、鈷、鈮、鈦、釩，及此等之一組合。

該第一添加劑與該第二添加劑的重量百分比總和不大於2wt%。

該第一添加劑選自銦、錫、鋅，及此等之一組合。

該第二添加劑選自銅、鎳，及此等之組合。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

本發明用於半導體封裝的銀合金焊接導線的用途是在封裝製程中以焊接的方式電連接半導體晶片的一墊片及一電路板的導電線路，而成一封裝半成品(圖未示出)。更詳細地說，在半導體封裝技術領域中，焊接的方式是以打線為主。並於打線後將該封裝半成品設置於一封裝座的一容置空間中，再填充一封裝樹脂，而成一封裝件，並完成封裝製程的主要步驟。

本發明用於半導體封裝的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，及一第一添加劑，該第一添加劑選自銦、錫、鈧、銻、鉍、錳、鋅，及此等之一組合。以該銀合金組份的重量百分比以100wt%計，鈀的重量百分比大於0且不大於2wt%，該第一添加劑的重量百分比不小於0.001wt%，且不大於2wt%。需說明的是，在該較佳實施例中，除了該銀合金組份的鈀及該第一添加劑外，其餘含量為銀，且不以僅含有銀為限，若需增進該銀合金焊接導線的其他種類的物性，例如導電率，也可視情況添加預定比例之合適的元素。

其中該第一添加劑的添加量不多，且由相圖得知第一添加劑與銀固溶度高，易形成固溶強化，且該第一添加劑還具備輔助銀抗氧化的特性，使得本發明銀合金焊接導線透過該預定比例的第一添加劑而提高韌性及迴路高度穩定性，進而使打線於該半導體晶片之墊片與該印刷電路板之導線電路後的銀合金焊接導線所形成的弧形穩定，既而解決在封裝製程中填充封裝樹脂易傾倒的問題。

當該第一添加劑的重量百分比高於2wt%時，雖然可提高打線後的迴路高度穩定性(即弧形穩定性)，卻易導致伸線斷線率過高；當該第一添加劑的重量百分比低於0.001wt%時，易由於該第一添加劑於該銀合金焊接導線中的含量過低而無法提高焊接導線的韌性及打線後的迴路高度穩定性。

本發明用於半導體封裝的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，其不同處在於該銀合金組份還包括一第二添加劑，該第二添加劑選自銅、鎳、鈷、鈮、鈦、釩，及此等之一組合。基於該銀合金組份的重量百分比為100wt%計，鈀的重量百分比大於0且不大於2wt%，該第一添加劑的重量百分比不小於0.001wt%，且不大於2wt%，該第二添加劑的重量百分比不小於0.001wt%，且不大於2wt%。

該第二添加劑的原子尺寸小於銀的原子尺寸，而難以形成置換式固溶體；因此，該第二添加劑應會插入銀原子間的間隙形成間隙性固溶，進而產生間隙強化且與銀固溶，既而提升該銀合金導線的抗拉強度，同時提升焊接後迴路高度穩定性。然而，當該第二添加劑的重量百分比大於2wt%時，雖提高銀合金導線的抗拉強度但會使得打線製程時無法形成穩定且高弧高離散率之弧形的焊接導線；當該第二添加劑的重量百分比小於0.001wt%時，由於其含量太低，而無法有效提升抗拉強度。

較佳地，該第一添加劑與該第二添加劑的重量百分比總和不大於2wt%。

更佳地，該第一添加劑選自銦、錫、鋅，及此等之一組合，該第二添加劑選自銅、鎳，及此等之組合。

還需說明的是，目前的金屬原料主要是經提煉製得，故即使是純銀，以現今之提煉技術，仍然難以避免地含有微量無法分離的微量雜質，故此處所稱之銀的純度 為99.99%以上，並忽略其中的微量雜質；除此之外，鈀、該第一添加劑，及該第二添加劑的純度也是99.99%以上。

<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1~14及比較例1~6的成分比例及所進行的測試項目。其中，具體例1~5茲屬該第一較佳實施例，具體例6~14茲屬該第二較佳實施例，並進行伸線斷線率、抗拉強度，及迴路高度穩定性的測試。

具體例及比較例的製作方法主要是先以純度大於99.99%的銀、鈀，及第一、二添加劑為原料。

首先，先準備表1所列出之各原料的重量百分比例；接著，經鑄造而成徑寬為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，使得該銀合金母線的徑面積較拉線製程前之銀合金母線縮小約97%。

而後，對該銀合金母線進行退火熱處理，再對該退火後的銀合金母線施以連續且數次的細拉線製程及超細拉線製程而成一銀合金焊接導線；最後，再對該銀合金焊接導線進行退火熱處理，而成為本發明銀合金焊接導線。其中，對拉線製程後之該銀合金母線或銀合金焊接導線進行退火熱處理的原因是由於粗拉線製程、中拉線製程、細拉線製程及超細拉線製程屬於連續加工製程，當一銀合金線材經不斷地變形及受拉扯後，將於線材內部聚積大量的應力，且受拉扯的母線也因為形成差排(dislocation) 而硬化，故透過退火熱處理供銀合金線材的原子重新排列，並釋放應力，既而軟化該銀合金焊接導線。

以下說明具體例與比較例的測試方法。其主要是以拉伸強度顯示本發明銀合金焊接導線的機械性質，以伸線斷線率及迴路高度穩定性顯示本發明銀合金焊接導線的品質。

[拉伸強度的測試方法]

準備長度為10cm之一待測焊接導線，將該待測焊接導線以每分鐘0.1~1公分的速率於大氣環境下拉至斷線，且使用JIS Z 2201標準測試規範量測該焊接導線的拉伸強度。

[伸線斷線率的測試方法]

量測經退火熱處理之該銀合金母線於細拉線製程中的斷線發生次數。該銀合金母線進行細拉線製程而將該細線長度拉至大於5000m，並量測斷線發生的次數。

在表1中，以「◎」表示斷線0次；以「○」表示斷線1次；以「△」表示斷線2~3次；以「×」表示斷線不小於4次；其中，斷線0次表示斷線率極低；斷線1次表示斷線率較低；斷線2~3次表示斷線率為普通程度；斷線不小於4次表示斷線率高。

[迴路高度穩定性的測試方法]

將該銀合金焊接導線焊接於一墊片上而成一焊線，共重覆形成100條焊線，並維持每一焊線的弧高為100μm。特別地，在本測試方法中，是統一該等焊線的弧 高為100μm，當然，亦可透過100條弧高為200μm之焊線，或所屬技術領域中慣用之弧高所形成的焊線測試迴路高度穩定性。

接著，以廠牌為OLYMPUS，型號為BX51M之光學顯微鏡(Optical Microscope，簡稱OM)檢測該等焊線的外貌差異。

在表1中，以「◎」表示有0條外貌差異較大的焊線；以「○」表示有1條外貌差異較大的焊線；以「△」表示有2條外貌差異較大的焊線；以「×」表示有不小於3條外貌差異較大的焊線；其中，有0條外貌差異較大的焊線表示迴路高度穩定性極佳；有1條外貌差異較大的焊線表示迴路高度穩定性較佳；有2條外貌差異較大的焊線表示迴路高度穩定性普通；有不小於3條外貌差異較大的焊線表示迴路高度穩定性極差。

由表1的具體例1~6可以瞭解，當鈀的重量百分比大於0且不大於2wt%，該第一添加劑的重量百分比不小於0.001wt%且不大於2wt%時，其抗拉強度皆大於17g，且伸線斷線率及迴路高度穩定性也都有普通至極佳的程度；反觀比較例4，當不具有該第一添加劑時，其伸線斷線率、抗拉強度及迴路高度穩定性都達不到較佳的程度；再參閱比較例2~3，當鈀的重量百分比大於2wt%，或不含 鈀時，即便具有1wt%的第一添加劑，其抗拉強度也不到16g，且其迴路高度穩定性極差；再參考比較例5~6，當該第一添加劑的重量百分比大於2wt%時，即便具有1.5wt%的鈀，其抗拉強度不到15g，且伸線斷線率是差的程度。

其次，由具體例6~14可以瞭解，當本發明銀合金焊接導線還包含該第二添加劑，該第二添加劑的重量百分比不小於0.001wt%，且不大於2wt%時，可提升迴路高度穩定性到達「較佳」至「極佳」的程度；由比較例6可以得知，當該第二添加劑大於2wt%時，反而導致伸線斷線率、抗拉強度及迴路高度穩定性都不佳。

雖然，比較例1之測試結果顯示其尚屬適合作為焊接導線的範圍，但由於金是昂貴的金屬材料，若焊接導線中含有金勢必大幅增加焊接導線成本，且本發明的其中一個目的即是研發取代含有金之導線成分比例，故比較例1僅作為參考之用。

最後，從具體例12可知，當該第一添加劑為錫及銦，該第二添加劑為銅，且該第一添加劑與該第二添加劑的總和不大於2wt%時，具有最佳的測試結果，表示無論於機械強度或焊合品質而言，都有更突出的表現。

綜上所述，本發明之銀合金焊接導線之銀合金組份的鈀、該第一添加劑，及該第二添加劑具有特定之重量百分比時，可以供該銀合金導線的抗拉強度、伸線斷線率，及焊合之後的迴路高度穩定性極佳，而極適合用於極小尺寸之半導體晶片的封裝製程，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 (5)

1. 一種用於半導體封裝的銀合金焊接導線，包含：一銀合金組份，包括銀、鈀，及一第一添加劑，基於該銀合金組份的重量百分比為100wt%計，鈀的重量百分比大於0且不大於2wt%，該第一添加劑的重量百分比不小於0.001wt%，且不大於2wt%，該第一添加劑選自銦、錫、鈧、銻、鉍、錳、鋅，及此等之一組合。
2. 如請求項1所述的用於半導體封裝的銀合金焊接導線，其中，該銀合金組份還包括一第二添加劑，基於該銀合金組份的重量百分比為100wt%計，鈀的重量百分比大於0且不大於2wt%，該第一添加劑的重量百分比不小於0.001wt%，且不大於2wt%，該第二添加劑的重量百分比不小於0.001wt%，且不大於2wt%，該第二添加劑選自銅、鎳、鈷、鈮、鈦、釩，及此等之一組合。
3. 如請求項2所述的用於半導體封裝的銀合金焊接導線，其中，該第一添加劑與該第二添加劑的重量百分比總和不大於2wt%。
4. 如請求項1所述的用於半導體封裝的銀合金焊接導線，其中，該第一添加劑為銦、錫、鋅，或此等之一組合。
5. 如請求項2所述的用於半導體封裝的銀合金焊接導線，其中，該第二添加劑選自銅、鎳，及此等之組合。