TWI656222B - 金合金封裝線材及其製備方法 - Google Patents

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Abstract

本發明有關於一種金合金封裝線材及其製備方法，係包括：準備一金合金原料，其係為Au-20Ag、Au-30Ag或Au-40Ag；以及於金合金原料摻入0.05-3.0 wt.%的鋁銦合金(AlIn)、銅鋅合金(CuZn)或銀鋰合金(AgLi或Li 3Ag)進行一固溶處理，以形成線徑為12-25 μm且含有20-600 ppm的鋁(Al)、銅(Cu)或鋰(Li)之金合金封裝線材；藉此，本發明製得之金合金封裝線材具有優異的拉伸強度、耐熱疲勞性、抗硫性及低光衰特性，且可減少純金的使用量，故具有低成本之優點。

Description

金合金封裝線材及其製備方法
本發明係有關於一種金合金封裝線材及其製備方法，尤其係指一種藉由摻入合金之方式有效製備具有高拉伸強度、耐熱疲勞性與抗硫性之封裝線材的方法，其可減少純金使用量，降低封裝線材之成本。
金屬中的金(Au)與銀(Ag)均為良好的導體，具有活性低與不易氧化的優點，然而金(Au)與銀(Ag)屬於貴金屬，其價格高昂，因此相關業者紛紛開發各種更具有經濟效益與競爭力的替代性線材，以應用於半導體及LED高精密導線的封裝線材。
舉例而言，中國專利公告第CN106011516B號即揭示一種「摻雜金合金鍵合絲及其深冷處理製備方法」，其係以高純金為主要成份，摻雜有高純度的銀與鈀所形成的摻雜金合金鍵合絲，詳細而言，其重量百分比組成為金60%～80%，鈀0.5%～3.5%，以及餘量的銀；在製備過程中，主要係對鍵合絲進行2次深冷處理，以提高材料的物理性能，並改善鍵合性能；藉此，達到具有良好抗氧化性、性能與純金鍵合絲相近、成本低（成本約為鍵合金絲的3/5～4/5左右），適合於IC、COB封裝及高端LED封裝之特點。
中國專利公告第CN102776405B號亦揭示一種「鍵合金銀合金絲的製備方法」，其生產的鍵合金銀合金絲係由下述重量比的金屬材料組成：銀20-30%，鈀、鈣、鈹和鈰均為5-1000ppm，其餘含量為金；其製備方法包括：(1)秤取各種原材料；(2)進行合金錠熔煉：依據Au-Ag合金相圖，確定KA7、KA8合金熔煉溫度，採用高頻爐真空保護多次熔煉，獲得成分均勻的合金錠；其中，合金錠熔煉包括a、投料：將銀包在金箔中放入爐內的坩堝中；b、真空熔煉：於爐內真空度達到0.1X10 -3Pa時開始加熱至1050-1250℃時使金屬完全熔化，精煉10-20分鐘；c、隨爐冷卻：然後停止加熱，熔化的金、銀隨爐冷卻到室溫，再重複b步驟2-3次；d、拉鑄合金錠：停止抽真空，充氬氣，壓力0.01-0.05Pa，採用連續拉鑄方法，速度20-60mm/min；(3)拉鑄合金棒：採用豎式連鑄爐，在金銀合金錠的基礎上添加微量合金元素拉製成直徑為5-10 mm的合金棒；(4)拉絲：將拉鑄好的合金棒拉絲製成所需尺寸；(5)退火：退火溫度為500-600°C，繞線張3-15g，收線速度100-200rpm；(6)繞線： 繞線張力為3-30g，繞線速度為500-750rpm；以及(7)包裝；藉此，所述鍵合金銀合金絲可達到導電能力強、化學性能穩定、良好抗氧化性、流動性和可塑性，以及具有較高破斷力和較好伸長率之特點。
另，中國專利公開第CN105908002A號亦揭示一種「金合金鍵合絲及其製造方法」，係適合於低弧度打線封裝用，所述金合金鍵合絲按重量計含有：鈀1-1.5%，銀20-24%，鈣、鈹和鈰中的一種和其中多種的組合2-200 ppm，餘量為金；其製造方法主要包括(1)熔鑄：在金原料中按上述比例加入鈀、銀、鈣、鈰、鈹，經過定向連續拉工藝，獲得直徑為6-8mm的線材；(2)拉絲：將線材進行拉絲，獲得直徑為20-50um的金合金鍵合絲；(3)最後退火：拉絲完成後，對金合金鍵合絲進行最後退火，在退火過程中採用N 2做為退火氣氛，退火爐有效長度為600-800 mm，退火溫度為500-800℃，退火速率為70-110m/min；於退火結束後，金合金鍵合絲經過冷卻到20-30℃，得到所需的金合金鍵合絲，係具有下述特性：熱影響區長度小（可達到53-60 um），降低打線的弧高；燒球性能好，在FAB燒球後得到數目適中的對稱柱狀晶，變形球真圓度高；封裝後產品熱衝擊性能好，可靠性高。
上述的金銀合金絲雖然能達到良好抗氧化性、鍵合性、導電性、流動性、可塑性、伸長率以及熱衝擊性等不同的特性，但其製備方法較為繁瑣，故耗費成本較高，又無提供關於抗硫性之測試。爰此，如何開發出更多以貴金屬為基底並兼具多種優異特性之線材，如提升拉伸強度、耐熱疲勞性與抗硫性等，仍為相關領域發明人急迫研創的目標之一。
今，發明人即是鑑於上述現有之封裝線材於實際實施使用時仍具有多處缺失，於是藉由其豐富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金合金封裝線材及其製備方法，其係以摻入合金之方式製備具有高拉伸強度、耐熱疲勞性與抗硫性之封裝線材，並減少純金使用量，達到降低成本之目的。
為了達到上述實施目的，本發明提供一種金合金封裝線材之製備方法，其包括下列步驟：步驟一：準備一金合金原料，其係為Au-20Ag、Au-30Ag或Au-40Ag；以及步驟二：於金合金原料摻入0.05-3.0 wt.%的鋁銦合金(AlIn)、銅鋅合金(CuZn)或銀鋰合金(AgLi或Li 3Ag)進行一固溶處理，以形成線徑為12-25 μm且含有20-600 ppm的鋁(Al)、銅(Cu)或鋰(Li)之金合金封裝線材。
於本發明之一實施例中，步驟二係於金合金原料摻入0.05-3.0 wt.%的鋁銦合金(AlIn)進行一固溶處理，以形成Au-Ag-AlIn-AlAu 4。
於本發明之一實施例中，步驟二係於金合金原料摻入0.05-3.0 wt.%的銅鋅合金(CuZn)進行一固溶處理，以形成Au-Ag-CuZn-CuAu 3。
於本發明之一實施例中，步驟二係於金合金原料摻入0.05-3.0 wt.%的銀鋰合金(AgLi或Li 3Ag)進行一固溶處理，以形成Au-Ag-Li 3Ag-LiAu-Li 3Au；較佳而言，銀鋰合金係利用銀(Ag)與碳酸鋰(LiCO 3)進行反應以形成AgLi和Li 3Ag。
於本發明之一實施例中，固溶處理可例如以溫度600℃-800℃之時間處理2-12小時。
本發明提供一種金合金封裝線材，其係藉由如上所述之方法製備而得，不僅具有優異的拉伸強度、耐熱疲勞性與抗硫性，且由於減少純金的使用量，故可大幅降低金合金封裝線材的製作成本。
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。
如第一圖所示，本發明提供一種金合金封裝線材之製備方法，其包括下列步驟：
步驟一(S1)：準備一金合金原料，其係為Au-20Ag、Au-30Ag或Au-40Ag；以及
步驟二(S2)：於金合金原料摻入0.05-3.0 wt.%的鋁銦合金(AlIn)、銅鋅合金(CuZn)或銀鋰合金(AgLi或Li 3Ag)進行一固溶處理，較佳為利用溫度600℃-800℃之時間處理2-12小時，以形成線徑為12-25 μm且含有20-600 ppm的鋁(Al)、銅(Cu)或鋰(Li)之金合金封裝線材；其中，金合金原料可例如摻入0.05-3.0 wt.%的鋁銦合金(AlIn)進行一固溶處理，以形成Au-Ag-AlIn-AlAu 4；或者，金合金原料可摻入0.05-3.0 wt.%的銅鋅合金(CuZn)進行一固溶處理，以形成Au-Ag-CuZn-CuAu 3；又或者，金合金原料可摻入0.05-3.0 wt.%的銀鋰合金(AgLi或Li 3Ag)進行一固溶處理，以形成Au-Ag-Li 3Ag-LiAu-Li 3Au。
本發明提供一種金合金封裝線材，其係藉由如上所述之方法製備而得。
此外，藉由下述具體實施例，可進一步證明本發明可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍。
首先，選用的金合金原料分別為Au-20Ag（又稱80Au）、Au-30Ag（又稱70Au）或Au-40Ag（又稱60Au），選用上述原料之理由在於，80Au以上的金合金原料成本與純金100Au差異不大，價格較昂貴，而60Au以下的金合金原料，偏離金的基本性質太多，其產品不具穩定性。
Au-Ag合金線在光電封裝技術時，通常打線於鋁墊（Al pad）或銅柱（Cu pillar）上，若要打線於鋁墊就必須摻雜鋁(Al)，打線於銅柱則須摻雜銅(Cu)，或者若要打線於鋁墊以及銅柱形成雙效線材，則須摻雜(Li)方式製得，其詳細製備流程與功效測試如下述實施例。
實施例一： 含鋁之 金合金
將Au-Ag合金線打線於鋁墊，必須摻雜鋁(Al)，在此利用銦(In)來帶入鋁，分別將Au-20Ag、Au-30Ag以及Au-40Ag，摻入0.05-3.0 wt.%的鋁銦合金(AlIn)，並以溫度600℃-800℃處理2-12小時，以固溶並形成含有20-600 ppm的鋁之金合金封裝線材Au-Ag-AlIn-AlAu 4；其中，AlAu 4之生成可提升熔斷電流、穩定電阻、提升抗硫性與耐熱疲勞性，若生成Al 2Au與AlAu，則該等特性就無法有效提升，且鋁的含量如果太多亦會生成Al 2Au與AlAu。再者，固溶後多量的成分主要為銀(Ag)，部分的銦(In)會燒損，剩下的則會固溶於金(Au)基地中。
根據表一之性能測試，抗硫性試驗係以200℃硫蒸氣烘烤1小時，若線材打線成球接合後界面經硫化後之拉伸強度具有4gf以上，代表線材具有高抗硫特性，拉伸強度為3-4gf代表抗硫特性普通，拉伸強度小於3gf代表抗硫特性差。耐熱疲勞試驗中係以175℃與常溫反覆疲勞4000次以上，若試驗結果，仍無改變初始線材性質，即代表線材具有高耐熱疲勞特性。由結果可知，含鋁之金合金封裝線材Au-Ag-AlIn-AlAu 4具有高拉伸強度、高耐熱疲勞性與高抗硫性。
表一 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> Au-20Ag (直徑18 μm) </td></tr><tr><td> 組成物 </td><td> Au-Ag-AlIn-AlAu<sub>4</sub></td></tr><tr><td> 熔斷電流(A) </td><td> 電阻 (Ω-m, 10<sup>-8</sup>) </td><td> 抗硫性 (60分鐘) </td><td> 耐熱疲勞 (4000次) </td><td> 拉伸強度(gf) </td><td> 與鋁墊接合 </td><td> 與銅柱接合 </td></tr><tr><td> 0.26 </td><td> 9.1 </td><td> 優 </td><td> 優 </td><td> 4-5 </td><td> 優 </td><td> 普通 </td></tr><tr><td> Au-30Ag (18 μm) </td></tr><tr><td> 組成物 </td><td> Au-Ag-AlIn-AlAu<sub>4</sub></td></tr><tr><td> 熔斷電流(A) </td><td> 電阻 (Ω-m, 10<sup>-8</sup>) </td><td> 抗硫性 (60分鐘) </td><td> 耐熱疲勞 (4000次) </td><td> 拉伸強度(gf) </td><td> 與鋁墊接合 </td><td> 與銅柱接合 </td></tr><tr><td> 0.27 </td><td> 10.2 </td><td> 優 </td><td> 優 </td><td> 4-5 </td><td> 優 </td><td> 普通 </td></tr><tr><td> Au-40Ag (18 μm) </td></tr><tr><td> 組成物 </td><td> Au-Ag-AlIn-AlAu<sub>4</sub></td></tr><tr><td> 熔斷電流(A) </td><td> 電阻 (Ω-m, 10<sup>-8</sup>) </td><td> 抗硫性 (60分鐘) </td><td> 耐熱疲勞 (4000次) </td><td> 拉伸強度 (gf) </td><td> 與鋁墊接合 </td><td> 與銅柱接合 </td></tr><tr><td> 0.27 </td><td> 11.4 </td><td> 優 </td><td> 優 </td><td> 5-6 </td><td> 優 </td><td> 差 </td></tr></TBODY></TABLE>
實施例二：含銅之金合金
將Au-Ag合金線打線於銅柱，必須摻雜銅(Cu)，在此利用鋅(Zn)來帶入銅，分別將Au-20Ag、Au-30Ag以及Au-40Ag，摻入0.05-3.0 wt.%的銅鋅合金(CuZn)，並以溫度600℃-800℃處理2-12小時，以固溶並形成含有20-600 ppm的銅之金合金封裝線材Au-Ag-CuZn-CuAu 3；其中，CuAu 3之生成可提升熔斷電流、穩定電阻、提升抗硫性與耐熱疲勞性，若生成Cu 3Au與CuAu，則該等特性就無法有效提升，且銅的含量如果太多亦會生成Cu 3Au與CuAu。再者，固溶後多量的成分主要為銀(Ag)，大部分的鋅(Zn)會燒損，剩下的則會固溶於金(Au)基地中。
根據表二之性能測試，抗硫性試驗係以200℃硫蒸氣烘烤1小時，若線材打線成球接合後界面經硫化後之拉伸強度具有4gf以上，代表線材具有高抗硫特性，拉伸強度為3-4gf代表抗硫特性普通，拉伸強度小於3gf代表抗硫特性差。耐熱疲勞試驗中係以175℃與常溫反覆疲勞4000次以上，若試驗結果，仍無改變初始線材性質，即代表線材具有高耐熱疲勞特性。由結果可知，含銅之金合金封裝線材Au-Ag-CuZn-CuAu 3具有高拉伸強度、高耐熱疲勞性與高抗硫性。
表二 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> Au-20Ag (直徑18 μm) </td></tr><tr><td> 組成物 </td><td> Au-Ag-CuZn-CuAu<sub>3</sub></td></tr><tr><td> 熔斷電流(A) </td><td> 電阻 (Ω-m, 10<sup>-8</sup>) </td><td> 抗硫性 (60分鐘) </td><td> 耐熱疲勞 (4000次) </td><td> 拉伸強度 (gf) </td><td> 與鋁墊接合 </td><td> 與銅柱接合 </td></tr><tr><td> 0.26 </td><td> 8.8 </td><td> 優 </td><td> 優 </td><td> 4-5 </td><td> 普通 </td><td> 優 </td></tr><tr><td> Au-30Ag (18 μm) </td></tr><tr><td> 組成物 </td><td> Au-Ag-CuZn-CuAu<sub>3</sub></td></tr><tr><td> 熔斷電流(A) </td><td> 電阻 (Ω-m, 10<sup>-8</sup>) </td><td> 抗硫性 (60分鐘) </td><td> 耐熱疲勞 (4000次) </td><td> 拉伸強度 (gf) </td><td> 與鋁墊接合 </td><td> 與銅柱接合 </td></tr><tr><td> 0.27 </td><td> 9.6 </td><td> 優 </td><td> 優 </td><td> 4-5 </td><td> 普通 </td><td> 優 </td></tr><tr><td> Au-40Ag (18 μm) </td></tr><tr><td> 組成物 </td><td> Au-Ag-CuZn-CuAu<sub>3</sub></td></tr><tr><td> 熔斷電流(A) </td><td> 電阻 (Ω-m, 10<sup>-8</sup>) </td><td> 抗硫性 (60分鐘) </td><td> 耐熱疲勞 (4000次) </td><td> 拉伸強度(gf) </td><td> 與鋁墊接合 </td><td> 與銅柱接合 </td></tr><tr><td> 0.27 </td><td> 10.5 </td><td> 優 </td><td> 優 </td><td> 5-6 </td><td> 差 </td><td> 優 </td></tr></TBODY></TABLE>
實施例三： 含鋰之金合金
若Au-Ag合金線要打線於鋁墊以及銅柱形成雙效線材，則必須摻雜鋰(Li)，在此利用利用銀(Ag)與碳酸鋰(LiCO 3)進行反應以形成AgLi和Li 3Ag，再與Au-Ag熔合；分別將Au-20Ag、Au-30Ag以及Au-40Ag，摻入0.05-3.0 wt.%的銀鋰合金(AgLi和Li 3Ag)，並以溫度600℃-800℃處理2-12小時，以固溶並形成含有20-600 ppm的鋰(Li)之金合金封裝線材Au-Ag-Li 3Ag-LiAu-Li3Au，如第二圖為本發明金合金封裝線材(Au-40Ag)進行固溶處理前、後之顯微鏡照片電子圖。其中，LiAu-Li 3Au之生成可提升熔斷電流、穩定電阻、提升抗硫性與耐熱疲勞性；另，鋰的含量如果太多，由於其來源為碳酸鋰(LiCO 3)，容易有碳汙染現象。
根據表三之性能測試，抗硫性試驗係以200℃硫蒸氣烘烤1小時，若線材打線成球接合後界面經硫化後之拉伸強度具有4gf以上，代表線材具有高抗硫特性，拉伸強度為3-4gf代表抗硫特性普通，拉伸強度小於3gf代表抗硫特性差。耐熱疲勞試驗中係以175℃與常溫反覆疲勞4000次以上，若試驗結果，仍無改變初始線材性質，即代表線材具有高耐熱疲勞特性。由結果可知，含鋰之金合金封裝線材Au-Ag-Li 3Ag-LiAu-Li 3Au具有高拉伸強度、高耐熱疲勞性與高抗硫性。
表三 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> Au-20Ag (直徑18 μm) </td></tr><tr><td> 組成物 </td><td> Au-Ag-Li<sub>3</sub>Ag-LiAu-Li<sub>3</sub>Au </td></tr><tr><td> 熔斷電流 (A) </td><td> 電阻 (Ω-m, 10<sup>-8</sup>) </td><td> 抗硫性 (60分鐘) </td><td> 耐熱疲勞 (4000次) </td><td> 拉伸強度 (gf) </td><td> 與鋁墊接合 </td><td> 與銅柱接合 </td></tr><tr><td> 0.28 </td><td> 8.1 </td><td> 優 </td><td> 優 </td><td> 4-5 </td><td> 優 </td><td> 優 </td></tr><tr><td> Au-30Ag (18 μm) </td></tr><tr><td> 組成物 </td><td> Au-Ag-Li<sub>3</sub>Ag-LiAu-Li<sub>3</sub>Au </td></tr><tr><td> 熔斷電流(A) </td><td> 電阻 (Ω-m, 10<sup>-8</sup>) </td><td> 抗硫性 (60分鐘) </td><td> 耐熱疲勞 (4000次) </td><td> 拉伸強度 (gf) </td><td> 與鋁墊接合 </td><td> 與銅柱接合 </td></tr><tr><td> 0.28 </td><td> 8.9 </td><td> 優 </td><td> 優 </td><td> 4-5 </td><td> 優 </td><td> 優 </td></tr><tr><td> Au-40Ag (18 μm) </td></tr><tr><td> 組成物 </td><td> Au-Ag-Li<sub>3</sub>Ag-LiAu-Li<sub>3</sub>Au </td></tr><tr><td> 熔斷電流(A) </td><td> 電阻 (Ω-m, 10<sup>-8</sup>) </td><td> 抗硫性 (60分鐘) </td><td> 耐熱疲勞 (4000次) </td><td> 拉伸強度(gf) </td><td> 與鋁墊接合 </td><td> 與銅柱接合 </td></tr><tr><td> 0.28 </td><td> 9.7 </td><td> 優 </td><td> 優 </td><td> 4-5 </td><td> 優 </td><td> 優 </td></tr></TBODY></TABLE>
綜上所述，本發明之金合金封裝線材及其製備方法，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。
(S1)‧‧‧步驟一
(S2)‧‧‧步驟二
第一圖：本發明金合金封裝線材之製備方法步驟流程圖。
第二圖：本發明金合金封裝線材進行固溶處理前、後之顯微鏡照片電子圖。

Claims (7)

  1. 一種金合金封裝線材之製備方法，其包括下列步驟： 　　步驟一：準備一金合金原料，其係Au-20Ag、Au-30Ag或Au-40Ag；以及 　　步驟二：於該金合金原料摻入0.05-3.0 wt.%的鋁銦合金(AlIn)、銅鋅合金(CuZn)或銀鋰合金(AgLi或Li 3Ag)進行一固溶處理，以形成線徑為12-25 μm且含有20-600 ppm的鋁(Al)、銅(Cu)或鋰(Li)之金合金封裝線材。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之金合金封裝線材之製備方法，其中該步驟二係於該金合金原料摻入0.05-3.0 wt.%的鋁銦合金(AlIn)進行一固溶處理，以形成Au-Ag-AlIn-AlAu 4。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之金合金封裝線材之製備方法，其中該步驟二係於該金合金原料摻入0.05-3.0 wt.%的銅鋅合金(CuZn)進行一固溶處理，以形成Au-Ag-CuZn-CuAu 3。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之金合金封裝線材之製備方法，其中該步驟二係於該金合金原料摻入0.05-3.0 wt.%的銀鋰合金(AgLi或Li 3Ag)進行一固溶處理，以形成Au-Ag-Li 3Ag-LiAu-Li 3Au。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之金合金封裝線材之製備方法，其中該銀鋰合金係利用銀(Ag)與碳酸鋰(LiCO 3)進行反應以形成AgLi和Li 3Ag。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之金合金封裝線材之製備方法，其中該固溶處理係以溫度600℃-800℃之時間處理2-12小時。
  7. 一種金合金封裝線材，係藉由如申請專利範圍第1至6項中任一項所述之金合金封裝線材之製備方法所製備而得。
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