CN104388861B - 一种多晶串联led用微细银金合金键合线的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多晶串联LED用微细银金合金键合线的制造方法，该银金合金键合线材料的各成分重量百分含量是：Au 35‑55wt%，Ce 0.3‑0.5wt%，Ag余量。其制造方法包括：（1）银金合金键合线坯料的冶炼与连铸；（2）银金合金杆的拉制；（3）银金合金线的中间热处理。本发明改善普通银金合金键合线的烧球偏球及变尖现象，提高银金合金键合线的抗腐蚀性能，解决了多晶串联LED，其键合点尺寸较小，键合过程中第一焊点球形不规则极易导致焊点短路、键合强度下降等缺陷。

Description

一种多晶串联LED用微细银金合金键合线的制造方法
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，主要涉及一种多晶串联LED用微细银金合金键合线及制造方法。
背景技术
键合线（键合金线、键合铜线、键合合金线等）起联结硅片电极与引线框架的外部引出端子的作用，并传递芯片的电信号、散发芯片内产生的热量，是集成电路封装的关键材料。键合金线由于具有优良的稳定性在封装领域得到了广泛应用，但在引线键合中键合金线存在价格昂贵、键合界面容易出现"紫斑"(AuAl2)、"白斑"(Au2Al)及柯肯德尔空洞（Kirkendall Void）、高温强度低等方面的问题，限制了键合金线在电子封装上的使用。键合铜线由于其成本低廉，在中低端电子产品(分立器件、TIP、SOP等)中得到了广泛的应用，但在高密度(QFN，QFP，BGA等)及复杂连接上应用的比例依然较少，影响键合铜线广泛应用的主要原因在于铜线本身存在常温大气条件下极易氧化、屈服强度和硬度过高（易形成”弹坑“）、铜线球焊可焊性较差和键合工艺不完善，使得压焊过程的MTBA(Mean Time Between Assists)较大，其UPH(Unit Per Hour)较低（只有金丝球焊的80%）等诸多问题；此外，Cu/Al键合界面在高温高湿条件下易于失效也使得其在高端电路封装中不能应用。键合银线及高银合金线由于其优秀的电学性能（可降低器件高频噪声、LED中降低发热量等）、良好的稳定性及适当的成本因素，开始应用于微电子封装中，但对于纯银线及高银合金线，由于其导热性好（导热率为429 W/m*K），键合过程中由于其导热率过高而导致Free Air Ball底部变尖，进而影响到第一焊点的形状和强度；其次，对于银线及高银合金线，当封装材料中含有S元素时，容易引起线材硫化而变色。对于多晶串联LED，其键合点尺寸较小，键合过程中第一焊点球形不规则极易导致焊点短路、键合强度下降等缺陷；再者，对于多晶串联的LED封装材料中易于引入S元素，进而导致纯银及高银合金线硫化，导致器件可靠性下降。此外，由于纯银线及高银合金线抗拉强度较低，在微细线径合金线制造过程中容易断线，在很大程度上降低了生产效率，因此，改善银金合金键合线的Free Air Ball，提高银金合金键合线的抗腐蚀性能并优化、完善微细银合金线制造方法对于加快银合金线在LED中的应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多晶串联LED用微细银金合金键合线及制造方法，其能解决现有键合线的缺点，提高键合线的生产效率等。
为此，本发明提供如下技术方案：
一种多晶串联LED用微细银金合金键合线的制造方法， 包括如下步骤：（1）银金合金键合线坯料的冶炼与连铸：a．制造Ag/Ce中间合金：将质量分数95%的纯银放入真空炉坩埚中，将质量分数5%的Ce放入真空炉加料盒中，对真空炉的炉膛抽真空，真空度高于5×10-2Pa后，充入高纯Ar至0.1-0.5MPa，然后重新抽真空至真空度高于5×10-2Pa后，开始升温，待温度升至600-800℃后，停止抽真空并向真空炉中充入高纯Ar至0.5MPa；然后继续升温至1150-1250℃，待纯银完全溶解且银液变清澈后，移动加料盒将Ce加入到坩埚中，并开始在Ag/Ce合金液中充入高纯Ar搅拌15-20分钟，将合金熔体冷却，得到Ag/Ce合金中间合金；b．在真空冶炼炉中将Au、Ag/Ce中间合金、Ag按下述比例称量计算后，其中金（Au）为35-55wt%；铈（Ce）为0.3-0.5 wt%；银为余量，混合加入到真空冶炼炉中，抽真空至5×10-1Pa以上，开始升温，待温度升至600-800℃后，停止抽真空并向真空冶炼炉中充入高纯Ar至0.5MPa；然后继续升温至1150-1250℃，待合金完全溶解后，开始在银金合金液中充入高纯Ar搅拌20-30分钟，将合金熔体冷却，得到银金合金坯料；c．将银金合金坯料加入到真空熔炼惰性气体保护连铸机坩埚中，抽真空至5×10-1Pa以上，开始升温，待温度升至600-800℃后，停止抽真空并向真空熔炼惰性气体保护连铸机的真空炉中充入高纯Ar至0.5MPa；然后继续升温至1150-1250℃，待合金完全溶解，精炼静置25-35分钟后，开始连铸直径8-12mm银金合金杆。（2）银金合金杆的拉制：将上述直径8-12mm 的银金合金杆经过拉丝机拉制成直径为1.0-1.5mm 的银金合金线；拉丝过程中，直径大于等于4mm时，线材的变形率为8-12%，直径小于4mm，线材的变形率为15-20%。（3）银金合金线的中间热处理：将直径1.0-1.5mm的银金合金线在真空炉中进行中间热处理，真空炉真空度高于5×10-1Pa，升温速度为1-2℃/秒，热处理温度为450-550℃，热处理时间为1-10小时，随炉冷却后进一步拉丝；（4）将经过中间热处理的银金合金线经中拉机拉制成直径0.1-0.25mm 的银金合金线，拉丝过程中，线材变形率为8%-12%；然后将直径为0.1-0.25mm 的银金合金线经过细拉机连续拉拔成直径为0.05-0.065mm 细线， 再在微拉机上通过多道拉拔，最终获得直径0.015-0.020mm 微细银金合金键合线。
进一步地，所述连铸机的结晶器冷却采用铜制水冷结晶器冷却装置，冷却速率高于5℃/秒；银金合金杆牵引采用间歇式牵引，牵引速度为50-300mm/分钟，牵引/停止时间为0.1-1秒，且牵引/停止时间相同。
更进一步地，所述银金合金杆大拉、中拉过程中，银金合金线的线材直径大于等于4mm时的拉丝速度为10-20m/分钟，银金合金线的线材直径小于4mm时的拉丝速度不高于50m/分钟。
再进一步地，所述银金合金线的线材直径大于等于0.1-0.25mm的拉丝速度为不高于500m/分钟。
此外，本发明还提供一种用所述的多晶串联LED用微细银金合金键合线的制造方法制造的多晶串联LED用微细银金合金键合线，该银金合金键合线材料的各成分重量百分含量是：Au 35-55wt%，Ce 0.3-0.5wt%，Ag余量。
本发明所述的多晶串联LED用微细银金合金键合线及制造方法，由于银的导热率较高，在键合烧球过程中容易形成高尔夫球及尖球现象，通过增加金（导热率为317W/m*K）的含量降低其导热率、提高抗氧化性能，并通过添加稀土Ce元素改善银金合金坯料组织结构，并通过中间热处理控制加工过程中合金的组织结构，降低拉丝中的局部应力集中，减少拉丝过程中的断线。
具体实施方式
实施例一 ：
本实施例多晶串联LED用微细银金合金键合线的制造方法如下：
（1）银金合金键合线坯料的冶炼与连铸：
a．制造Ag/Ce中间合金：将质量分数95%的纯银（纯度高于99.99%）放入真空炉坩埚中，将质量分数5%的Ce（纯度高于99.95%）放入真空炉加料盒中，对炉膛抽真空，真空度高于5×10-2Pa后，充入高纯Ar至0.1MPa，然后重新抽真空至真空度高于5×10-2Pa后，开始升温，待温度升至600℃后，停止抽真空并向真空炉中充入高纯Ar至0.5MPa；然后继续升温至1150℃，待纯银完全溶解且银液变清澈后，移动加料盒将Ce加入到坩埚中，并开始在Ag/Ce合金液中充入高纯Ar搅拌18分钟，将合金熔体冷却，得到Ag/Ce合金中间合金；
b．在真空冶炼炉中将Au、Ag/Ce中间合金、Ag按下述比例称量计算后，其中金（Au）为35wt%；铈（Ce）为0.3wt%，混合加入到真空冶炼炉中，抽真空至5×10-1Pa以上，开始升温，待温度升至600℃后，停止抽真空并向真空炉中充入高纯Ar至0.5MPa；然后继续升温至1150℃，待合金完全溶解后，开始在银金合金液中充入高纯Ar搅拌20分钟，将合金熔体冷却，得到银金合金坯料；
c．将银金合金坯料加入到真空熔炼惰性气体保护连铸机坩埚中，抽真空至5×10-1Pa以上，开始升温，待温度升至600℃后，停止抽真空并向真空炉中充入高纯Ar至0.5MPa；然后继续升温至1150℃，待合金完全溶解，精炼静置25分钟后，开始连铸直径8mm银金合金杆。连铸机结晶器冷却采用铜制水冷结晶器冷却装置，冷却速率高于6℃/秒；银金合金杆牵引采用间歇式牵引，牵引速度为50mm/分钟，牵引/停止时间均为0.1秒。
（2）银金合金杆的大拉、中拉：
将上述直径8mm 的银金合金杆经过拉丝机拉制成直径为1.0mm 的银金合金线；拉丝过程中，线材的变形率为8%（直径为8mm-4.2mm）和15%（直径为3.9mm-1.0mm）；线材直径为8mm-4.2mm时的拉丝速度为10m/分钟，线材直径为3.9mm-1.0mm时的拉丝速度为30m/分钟。
（3）银金合金线的中间热处理：
将直径1.0mm的银金合金线在真空炉中进行中间热处理，真空炉真空度高于5×10-1Pa，升温速度为1℃/秒，热处理温度为450℃，热处理时间为1小时，随炉冷却后进一步拉丝。
（4）将经过中间热处理的银金合金线经中拉机拉制成直径0.1mm 的银金合金线，拉丝过程中，线材变形率为8%%，拉丝速度为200m/分钟；将直径为0.1mm 的银金合金线经过细拉机连续拉拔成直径为0.05mm 细线，再在微拉机上通过多道拉拔，最终获得直径0.015mm 微细银金合金线。
实施例二 ：
本实施例多晶串联LED用微细银金合金键合线的制造方法如下：
（1）银金合金键合线坯料的冶炼与连铸：
a．制造Ag/Ce中间合金：将质量分数95%的纯银（纯度高于99.99%）放入真空炉坩埚中，将质量分数5%的Ce（纯度高于99.95%）放入真空炉加料盒中，对炉膛抽真空，真空度高于5×10-2Pa后，充入高纯Ar至0.3MPa，然后重新抽真空至真空度高于5×10-2Pa后，开始升温，待温度升至700℃后，停止抽真空并向真空炉中充入高纯Ar至0.5MPa；然后继续升温至1200℃，待纯银完全溶解且银液变清澈后，移动加料盒将Ce加入到坩埚中，并开始在Ag/Ce合金液中充入高纯Ar搅拌20分钟，将合金熔体冷却，得到Ag/Ce合金中间合金；
b．在真空冶炼炉中将Au、Ag/Ce中间合金、Ag按下述比例称量计算后，其中金（Au）为55wt%；铈（Ce）为0.5wt%，混合加入到真空冶炼炉中，抽真空至5×10-1Pa以上，开始升温，待温度升至700℃后，停止抽真空并向真空炉中充入高纯Ar至0.5MPa；然后继续升温至1200℃，待合金完全溶解后，开始在银金合金液中充入高纯Ar搅拌30分钟，将合金熔体冷却，得到银金合金坯料；
c．将银金合金坯料加入到真空熔炼惰性气体保护连铸机坩埚中，抽真空至5×10-1Pa以上，开始升温，待温度升至700℃后，停止抽真空并向真空炉中充入高纯Ar至0.5MPa；然后继续升温至1200℃，待合金完全溶解，精炼静置30分钟后，开始连铸直径10mm银金合金杆。连铸机结晶器冷却采用铜制水冷结晶器冷却装置，冷却速率高于7℃/秒；银金合金杆牵引采用间歇式牵引，牵引速度为100mm/分钟，牵引/停止时间均为0.2秒。
（2）银金合金杆的大拉、中拉：
将上述直径10mm 的银金合金杆经过拉丝机拉制成直径为1.2mm 的银金合金线；拉丝过程中，线材的变形率为10%（直径为10mm-4.2mm）和18%（直径为3.9mm-1.2mm）；线材直径为10mm-4.2mm时的拉丝速度为20m/分钟，线材直径为3.9mm-1.2mm时的拉丝速度为40m/分钟。
（3）银金合金线的中间热处理：
将直径1.2mm的银金合金线在真空炉中进行中间热处理，真空炉真空度高于5×10-1Pa，升温速度为1.5℃/秒，热处理温度为500℃，热处理时间为2小时，随炉冷却后进一步拉丝。
（4）将经过中间热处理的银金合金线经中拉机拉制成直径0.12mm 的银金合金线，拉丝过程中，线材变形率为10%，拉丝速度为300m/分钟；将直径为0.12mm 的银金合金线经过细拉机连续拉拔成直径为0.055mm 细线，再在微拉机上通过多道拉拔，最终获得直径0.018mm 微细银金合金线。
实施例三 ：
本实施例多晶串联LED用微细银金合金键合线的制造方法如下：
（1）银金合金键合线坯料的冶炼与连铸：
a．制造Ag/Ce中间合金：将质量分数95%的纯银（纯度高于99.99%）放入真空炉坩埚中，将质量分数5%的Ce（纯度高于99.95%）放入真空炉加料盒中，对炉膛抽真空，真空度高于5×10-2Pa后，充入高纯Ar至0.5MPa，然后重新抽真空至真空度高于5×10-2Pa后，开始升温，待温度升至800℃后，停止抽真空并向真空炉中充入高纯Ar至0.5MPa；然后继续升温至1250℃，待纯银完全溶解且银液变清澈后，移动加料盒将Ce加入到坩埚中，并开始在Ag/Ce合金液中充入高纯Ar搅拌25分钟，将合金熔体冷却，得到Ag/Ce合金中间合金；
b．在真空冶炼炉中将Au、Ag/Ce中间合金、Ag按下述比例称量计算后，其中金（Au）为55wt%；铈（Ce）为0.5wt%，混合加入到真空冶炼炉中，抽真空至5×10-1Pa以上，开始升温，待温度升至800℃后，停止抽真空并向真空炉中充入高纯Ar至0.5MPa；然后继续升温至1250℃，待合金完全溶解后，开始在银金合金液中充入高纯Ar搅拌30分钟，将合金熔体冷却，得到银金合金坯料；
c．将银金合金坯料加入到真空熔炼惰性气体保护连铸机坩埚中，抽真空至5×10-1Pa以上，开始升温，待温度升至800℃后，停止抽真空并向真空炉中充入高纯Ar至0.5MPa；然后继续升温至1250℃，待合金完全溶解，精炼静置35分钟后，开始连铸直径12mm银金合金杆。连铸机结晶器冷却采用铜制水冷结晶器冷却装置，冷却速率高于8℃/秒；银金合金杆牵引采用间歇式牵引，牵引速度为300mm/分钟，牵引/停止时间均为1.0秒。
（2）银金合金杆的大拉、中拉：
将上述直径12mm 的银金合金杆经过拉丝机拉制成直径为1.5mm 的银金合金线；拉丝过程中，线材的变形率为12%（直径为12mm-4.2mm）和20%（直径为3.9mm-1.5mm）；线材直径为12mm-4.2mm时的拉丝速度为20m/分钟，线材直径为3.9mm-1.5mm时的拉丝速度为45m/分钟。
（3）银金合金线的中间热处理：
将直径1.5mm的银金合金线在真空炉中进行中间热处理，真空炉真空度高于5×10-1Pa，升温速度为2℃/秒，热处理温度为550℃，热处理时间为10小时，随炉冷却后进一步拉丝。
（4）将经过中间热处理的银金合金线经中拉机拉制成直径0.15mm 的银金合金线，拉丝过程中，线材变形率为12%，拉丝速度为400m/分钟；将直径为0.15mm 的银金合金线经过细拉机连续拉拔成直径为0.065mm 细线，再在微拉机上通过多道拉拔，最终获得直径0.020mm 微细银金合金线。

Claims (5)

1.一种多晶串联LED用微细银金合金键合线的制造方法， 其特征在于：包括如下步骤：
（1）银金合金键合线坯料的冶炼与连铸：
a．制造Ag/Ce中间合金：将质量分数95%的银放入真空炉坩埚中，将质量分数5%的Ce放入真空炉加料盒中，对真空炉的炉膛抽真空，真空度高于5×10-2Pa后，充入Ar至0.1-0.5MPa，然后重新抽真空至真空度高于5×10-2Pa后，开始升温，待温度升至600-800℃后，停止抽真空并向真空炉中充入Ar至0.5MPa；然后继续升温至1150-1250℃，待银完全溶解且银液变清澈后，移动加料盒将Ce加入到坩埚中，并开始在Ag/Ce合金液中充入Ar搅拌15-20分钟，将合金熔体冷却，得到Ag/Ce合金中间合金；
b．在真空冶炼炉中将Au、Ag/Ce中间合金、Ag按下述比例称量计算后，其中金为35-55wt%；铈为0.3-0.5 wt%；银为余量，混合加入到真空冶炼炉中，抽真空至5×10-1Pa以上，开始升温，待温度升至600-800℃后，停止抽真空并向真空冶炼炉中充入Ar至0.5MPa；然后继续升温至1150-1250℃，待合金完全溶解后，开始在银金合金液中充入Ar搅拌20-30分钟，将合金熔体冷却，得到银金合金坯料；
c．将银金合金坯料加入到真空熔炼惰性气体保护连铸机坩埚中，抽真空至5×10-1Pa以上，开始升温，待温度升至600-800℃后，停止抽真空并向真空熔炼惰性气体保护连铸机的真空炉中充入Ar至0.5MPa；然后继续升温至1150-1250℃，待合金完全溶解，精炼静置25-35分钟后，开始连铸直径8-12mm银金合金杆；
（2）银金合金杆的拉制：
将上述直径8-12mm 的银金合金杆经过拉丝机拉制成直径为1.0-1.5mm 的银金合金线；拉丝过程中，银金合金线的直径大于等于4mm时，线材的变形率为8-12%，银金合金线的直径小于4mm时，线材的变形率为15-20%；
（3）银金合金线的中间热处理：
将直径1.0-1.5mm的银金合金线在真空炉中进行中间热处理，真空炉真空度高于5×10-1Pa，升温速度为1-2℃/秒，热处理温度为450-550℃，热处理时间为1-10小时，随炉冷却后进一步拉丝；
（4）将经过中间热处理的银金合金线经中拉机拉制成直径0.1-0.25mm 的银金合金线，拉丝过程中，线材变形率为8%-12%；然后将直径为0.1-0.25mm 的银金合金线经过细拉机连续拉拔成直径为0.05-0.065mm 细线， 再在微拉机上通过多道拉拔，最终获得直径0.015-0.020mm 微细银金合金键合线。
2.根据权利要求1 所述的多晶串联LED用微细银金合金键合线的制造方法，其特征在于：所述连铸机的结晶器冷却采用铜制水冷结晶器冷却装置，冷却速率高于5℃/秒；银金合金杆牵引采用间歇式牵引，牵引速度为50-300mm/分钟，牵引/停止时间为0.1-1秒，且牵引/停止时间相同。
3.根据权利要求1 所述的多晶串联LED用微细银金合金键合线的制造方法，其特征在于：所述银金合金杆在大拉、中拉过程中，银金合金线的直径大于等于4mm时的拉丝速度为10-20m/分钟，银金合金线的直径小于4mm时的拉丝速度不高于50m/分钟。
4.根据权利要求1 所述的多晶串联LED用微细银金合金键合线的制造方法，其特征在于：所述银金合金线的直径大于等于0.1-0.25mm时的拉丝速度为不高于500m/分钟。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的多晶串联LED用微细银金合金键合线的制造方法制造的多晶串联LED用微细银金合金键合线，其特征在于：所述银金合金键合线材料的各成分重量百分含量是：Au 35-55wt%，Ce 0.3-0.5wt%，Ag余量。
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