CN105950895B - 一种小晶片led封装用微细银合金键合线的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小晶片LED封装用微细银合金键合线的制造方法，包括如下步骤：1银合金键合线坯料的冶炼与连铸：2银合金线的拉制：3银合金线的中间热处理：4将经过中间热处理的银合金线经拉丝机拉制成直径0.06‑0.08mm的银合金线。本发明通过优化合金成分消除了键合银线及其它键合银合金线强度低、抗氧化性能差的缺陷，并有效降低了成本。通过采用真空熔炼超生振动连铸技术，改善了合金性能，提高了合金一致性，获得了高品质合金线坯料，并通过适当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，并进一步优化拉丝模具入口角度，减少拉丝过程中的断线，确保微细键合银合金线了成品率。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，主要涉及一种小晶片LED封装用微细键合银合金线及其制造方法。
背景技术
键合引线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。引线键合是半导体生产的极小特征尺寸和极大产量的集中体现，前者表现为不断缩小的引线间距上，后者则体现在逐步提高的生产效率上。细间距键合需要强度和刚度更高的连线，通过对无空气焊球（Free AirBall）及热影响区(Heat Affect Zone)长度的控制以满足细间距键合的需要，在大规模集成电路及LED 封装中对键合线的技术指标提出了越来越高的要求，高性能、超细键合线需求量迅速增长，同时芯片密度的不断提高，对键合材料的可靠性提出了更高的要求键合线（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。键合银线及键合银合金线由于其优秀的电学性能（可降低器件高频噪声、降低大功率LED 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，尤其在LED 封装中。但对于纯银线来说，主要存在以下几个方面的问题：1）Ag 线键合过程中不采用N2+H2气体保护（Cu 键合线在使用过程中采用N2+H2 气体保护，成本较高且存在安全隐患），在键合过程中参数窗口范围较小，由于导热率高、氧化速率高等原因，易导致Free Air Ball 凝固不均匀容易形成高尔夫球、球部变尖、波浪球等缺陷，影响第一焊点强度和形状，降低了器件合格率和可靠性；2）Ag 线高温强度低，高温条件下失效几率较高，无法满足大功率LED 等器件的使用；3）苛刻条件下焊接Ag/Al 界面易于产生Ag 离子电迁移，导致焊点强度下降进而影响器件寿命。对于键合银合金线，目前多是通过添加Pd、Au等元素的合金，该类银合金具有良好的性能，可以满足部分LED封装的需求，但该类银合金存在如下几个方面问题：1）由于Au和Pd与Ag可以无限互溶，在Ag中添加Au和Pd元素后合金强度增加有限，而对于小晶片LED，其焊盘尺寸较小，通常为40*40um，需要超细（线径为0.012-0.016mm）键合引线连接，这就要求键合银合金线具有足够的连接强度，由此，添加Au和Pd的银合金线不能满足小晶片LED封装的要求；2）纯银中添加Au和Pd后，由于其原子排列方式及原子半径相似，合金元素对银的抗氧化性能提高有限，使得键合过程中参数范围较小，导致其生产效率降低；3）Au和Pd都是贵金属，大大增加了键合银合金线的成本。Ni元素及稀土元素的加入能够有效的提高银合金的强度、提高银的抗氧化性能及高温稳定性。此外，由于小晶片LED封装用键合银合金线线径较细（线径为0.012-0.016mm），对于微细线材加工而言，原材料的致密性和一致性是影响微细拉丝的关键，拉丝过程的中间热处理及拉丝模具是影响微细线材加工的重要因素。因此，优化银合金键合线的组份，提高银合金键合线的强度及抗腐蚀性能，通过真空熔炼超生振动连铸技术确保银合金组织及性能一致，采用适当中间热处理并优化拉丝模具入口角度、完善微细银合金线制造方法，对于加快银合金线在小晶片LED封装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小晶片LED封装用微细键合银合金线及其制造方法，其能解决现有键合银合金线的缺点，满足小晶片LED封装的使用要求。
为此，本发明提供如下技术方案：一种小晶片LED封装用微细键合银合金线及其制造方法，包括如下步骤：（1）银合金键合线坯料的冶炼与连铸：a．制造Ag/Ni中间合金：将质量分数90%的Ag和质量分数10%的Ni分层放入真空炉氮化硼坩埚中，对真空炉的炉膛抽真空，真空度高于3.0×10-2Pa后，开始升温至1450-1850℃，熔化过程真空度高于5×10-2Pa，然后静置10-20分钟，待Ag/Ni合金完全熔解且金属液变清澈后，通过氮化硼管向Ag/Ni合金液中充入Ar搅拌5-10分钟，然后将合金浇注到水冷模具中冷却，得到Ag/Ni中间合金； b．制造Ag/Ce、Ag/La中间合金：将质量分数95%的Ag放入真空炉石墨坩埚中，将质量分数5%的Ce或La放入真空炉加料盒中，对真空炉的炉膛抽真空，真空度高于3.0×10-2Pa后，充入Ar至0.1-0.5Mpa，然后重新抽真空至真空度高于3.0×10-2Pa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0.1-0.5MPa；然后继续升温至1150-1250℃，待银完全熔解且银液变清澈后，移动加料盒将Ce或La加入到坩埚中，并向g/Ce、Ag/La合金液中充入Ar搅拌5-10分钟，然后将合金熔体冷却，得到Ag/Ce、Ag/La合金中间合金；c．在真空冶炼炉中将Ag/Ni中间合金、Ag/Ce中间合金、Ag/La中间合金、Ag按下述比例称量计算后，其中镍（Ni）为3-5wt%；铈（Ce）为0.3-0.5 wt%；镧（La）为0.3-0.5 wt%，银为余量，且银合金中铈（Ce）和镧（La）的质量分数相同，混合加入到真空冶炼炉中，抽真空至6.0×10-1Pa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0.1-0.5MPa；然后继续升温至1250-1450℃，待合金完全熔解后，向银合金液中充入Ar搅拌5-10分钟，将合金熔体冷却，得到银合金坯料；d．将银合金坯料加入到真空熔炼电磁搅拌合金连铸机坩埚中，坩埚为氮化硼坩埚，抽真空至6.0×10-1Pa以上，开始升温至1250-1450℃，待合金完全熔解，采用氮化硼搅拌棒搅拌10-15分钟，然后精炼静置10-15分钟后，充入高纯Ar至1.05MPa-1.1MPa，开始采用间歇方式拉铸8-12mm银合金杆；（2）银合金杆的拉制：将上述直径8-12mm的银合金杆经过拉丝机拉制成直径为1.0-1.5mm 的银合金线，拉丝过程采用单向拉制；（3）银合金线的中间热处理：将直径1.0-1.5mm的银合金线在管式炉中进行中间热处理，热处理过程采用惰性气体或N2气体保护，热处理温度为550-750℃，热处理时间为2-5分钟；（4）将经过中间热处理的银合金线经拉丝机拉制成直径0.06-0.08mm 的银合金线，然后将直径为0.06-0.08mm 的银合金线经过拉丝机连续拉拔成直径为0.03-0.05mm 细线， 再在微细拉丝机上通过多道拉拔，最终获得直径0.012-0.018mm 微细银合金键合线，拉丝过程中，线材变形率为5%-7%。
进一步地，所述浇注Ag/Ni合金的水冷模具材料为纯铜。
更进一步地，所述连铸机的结晶器上安装有电磁搅拌机构；银金合金杆牵引采用间歇式牵引，牵引速度为50-300mm/分钟，牵引时间1-5秒，停歇时间1-5秒。
再进一步地，所述银合金杆直径大于1.0-1.5mm时，拉丝过程中采用单向方式拉制，且拉丝速度为10-20m/分钟。
再更进一步地，所述银合金线拉制过程中，拉丝模具的入口角度为11°-14°。
此外，本发明还提供一种用所述的小晶片LED封装用微细键合银合金线的制造方法制造的小晶片LED封装用微细键合银合金线，该银合金键合线材料的各成分重量百分含量是：Ni 3-5wt%，Ce 0.3-0.5wt%，La 0.3-0.5wt%，Ag余量，且Ce和La质量分数相同。
本发明所述的小晶片LED封装用微细键合银合金线的制造方法制造的小晶片LED封装用微细键合银合金线，通过优化合金成分消除了键合银线及其它键合银合金线强度低、抗氧化性能差的缺陷，并有效降低了成本。通过采用真空熔炼超生振动连铸技术，改善了合金性能，提高了合金一致性，获得了高品质合金线坯料，并通过适当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，并进一步优化拉丝模具入口角度，减少拉丝过程中的断线，确保微细键合银合金线了成品率。
具体实施方式
实施例一：
微细键合银合金键合线的制造方法如下：
（1）银合金键合线坯料的冶炼与连铸：a．制造Ag/Ni中间合金：将质量分数90%的Ag和质量分数10%的Ni分层放入真空炉氮化硼坩埚中，对真空炉的炉膛抽真空，真空度高于3.0×10-2Pa后，开始升温至1450℃，熔化过程真空度高于3.0×10-2Pa，然后静置10分钟，待Ag/Ni合金完全熔解且金属液变清澈后，通过氮化硼管向Ag/Ni合金液中充入Ar搅拌5分钟，然后将合金浇注到水冷模具中冷却，得到Ag/Ni中间合金； b．制造Ag/Ce、Ag/La中间合金：将质量分数95%的Ag放入真空炉石墨坩埚中，将质量分数5%的Ce或La放入真空炉加料盒中，对真空炉的炉膛抽真空，真空度高于3.0×10-2Pa后，充入Ar至0.1Mpa，然后重新抽真空至真空度高于3.0×10-2Pa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Ar至0.1MPa；然后继续升温至1150℃，待银完全熔解且银液变清澈后，移动加料盒将Ce或La加入到坩埚中，并晃动坩埚搅拌5分钟，然后将合金熔体随炉冷却，得到Ag/Ce、Ag/La合金中间合金；c．在真空冶炼炉中将Ag/Ni中间合金、Ag/Ce中间合金、Ag/La中间合金、Ag按下述比例称量计算后，其中镍（Ni）为3wt%；铈（Ce）为0.3wt%；镧（La）为0.3 wt%，银为余量，且银合金中铈（Ce）和镧（La）的质量分数相同，混合加入到真空冶炼炉中，抽真空至5.0×10-1Pa以上，开始升温，待温度升至600℃后，停止抽真空并向真空冶炼炉中充入Ar至0.1MPa；然后继续升温至1250℃，待合金完全熔解后，向银合金液中充入Ar搅拌5分钟，将合金熔体冷却，得到银合金坯料；d．将银合金坯料加入到真空熔炼电磁搅拌合金连铸机坩埚中，坩埚为氮化硼坩埚，抽真空至5.0×10-1Pa以上，开始升温至1250℃，待合金完全熔解，采用氮化硼搅拌棒搅拌10分钟，然后精炼静置15分钟后，充入高纯Ar至1.05MPa，开始采用间歇方式拉铸8mm银合金杆；
（2）银合金杆的拉制：将上述直径8mm 的银合金杆经过拉丝机拉制成直径为1.0mm的银合金线，拉丝过程采用单向拉制；（3）银合金线的中间热处理：将直径1.0mm的银合金线在管式炉中进行中间热处理，热处理过程采用N2气体保护，热处理温度为550℃，热处理时间为5分钟；（4）将经过中间热处理的银合金线经拉丝机拉制成直径0.06mm 的银合金线，然后将直径为0.06mm 的银合金线经过拉丝机连续拉拔成直径为0.03mm 细线， 再在微细拉丝机上通过多道拉拔，最终获得直径0.012mm 微细银合金键合线，拉丝过程中，线材变形率为5%，模具入口角度为11°。
实施例二：
微细银金合金键合线的制造方法如下：
（1）银合金键合线坯料的冶炼与连铸：a．制造Ag/Ni中间合金：将质量分数90%的Ag和质量分数10%的Ni分层放入真空炉氮化硼坩埚中，对真空炉的炉膛抽真空，真空度高于3.0×10-2Pa后，开始升温至1650℃，熔化过程真空度高于3.0×10-2Pa，然后静置15分钟，待Ag/Ni合金完全熔解且金属液变清澈后，通过氮化硼管向Ag/Ni合金液中充入Ar搅拌8分钟，然后将合金浇注到水冷模具中冷却，得到Ag/Ni中间合金； b．制造Ag/Ce、Ag/La中间合金：将质量分数95%的Ag放入真空炉石墨坩埚中，将质量分数5%的Ce或La放入真空炉加料盒中，对真空炉的炉膛抽真空，真空度高于3.0×10-2Pa后，充入Ar至0.3Mpa，然后重新抽真空至真空度高于3.0×10-2Pa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Ar至0.3MPa；然后继续升温至1200℃，待银完全熔解且银液变清澈后，移动加料盒将Ce或La加入到坩埚中，并晃动坩埚搅拌8分钟，然后将合金熔体随炉冷却，得到Ag/Ce、Ag/La合金中间合金；c．在真空冶炼炉中将Ag/Ni中间合金、Ag/Ce中间合金、Ag/La中间合金、Ag按下述比例称量计算后，其中镍（Ni）为4wt%；铈（Ce）为0.4wt%；镧（La）为0.4 wt%，银为余量，且银合金中铈（Ce）和镧（La）的质量分数相同，混合加入到真空冶炼炉中，抽真空至5.0×10-1Pa以上，开始升温，待温度升至700℃后，停止抽真空并向真空冶炼炉中充入Ar至0.3MPa；然后继续升温至1350℃，待合金完全熔解后，向银合金液中充入Ar搅拌8分钟，将合金熔体冷却，得到银合金坯料；d．将银合金坯料加入到真空熔炼电磁搅拌合金连铸机坩埚中，坩埚为氮化硼坩埚，抽真空至5.0×10-1Pa以上，开始升温至1350℃，待合金完全熔解，采用氮化硼搅拌棒搅拌12分钟，然后精炼静置18分钟后，充入高纯Ar至1.07MPa，开始采用间歇方式拉铸10mm银合金杆；
（2）银合金杆的拉制：将上述直径10mm 的银合金杆经过拉丝机拉制成直径为1.2mm 的银合金线，拉丝过程采用单向拉制；（3）银合金线的中间热处理：将直径1.2mm的银合金线在管式炉中进行中间热处理，热处理过程采用惰性气体Ar保护，热处理温度为650℃，热处理时间为4分钟；（4）将经过中间热处理的银合金线经拉丝机拉制成直径0.07mm 的银合金线，然后将直径为0.07mm 的银合金线经过拉丝机连续拉拔成直径为0.04mm 细线，再在微细拉丝机上通过多道拉拔，最终获得直径0.016mm 微细银合金键合线，拉丝过程中，线材变形率为6%，模具入口角度为13°
实施例三：
微细银金合金键合线的制造方法如下：
（1）银合金键合线坯料的冶炼与连铸：a．制造Ag/Ni中间合金：将质量分数90%的Ag和质量分数10%的Ni分层放入真空炉氮化硼坩埚中，对真空炉的炉膛抽真空，真空度高于3.0×10-2Pa后，开始升温至1850℃，熔化过程真空度高于3.0×10-2Pa，然后静置20分钟，待Ag/Ni合金完全熔解且金属液变清澈后，通过氮化硼管向Ag/Ni合金液中充入Ar搅拌10分钟，然后将合金浇注到水冷模具中冷却，得到Ag/Ni中间合金； b．制造Ag/Ce、Ag/La中间合金：将质量分数95%的Ag放入真空炉石墨坩埚中，将质量分数5%的Ce或La放入真空炉加料盒中，对真空炉的炉膛抽真空，真空度高于3.0×10-2Pa后，充入Ar至0.5Mpa，然后重新抽真空至真空度高于3.0×10-2Pa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Ar至0.5MPa；然后继续升温至1250℃，待银完全熔解且银液变清澈后，移动加料盒将Ce或La加入到坩埚中，并晃动坩埚搅拌10分钟，然后将合金熔体随炉冷却，得到Ag/Ce、Ag/La合金中间合金；c．在真空冶炼炉中将Ag/Ni中间合金、Ag/Ce中间合金、Ag/La中间合金、Ag按下述比例称量计算后，其中镍（Ni）为5wt%；铈（Ce）为0.5 wt%；镧（La）为0.5 wt%，银为余量，且银合金中铈（Ce）和镧（La）的质量分数相同，混合加入到真空冶炼炉中，抽真空至5.0×10- 1Pa以上，开始升温，待温度升至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1450℃，待合金完全熔解后，向银合金液中充入Ar搅拌10分钟，将合金熔体冷却，得到银合金坯料；d．将银合金坯料加入到真空熔炼电磁搅拌合金连铸机坩埚中，坩埚为氮化硼坩埚，抽真空至5.0×10-1Pa以上，开始升温至1450℃，待合金完全熔解，采用氮化硼搅拌棒搅拌15分钟，然后精炼静置20分钟后，充入高纯Ar至1.1MPa，开始采用间歇方式拉铸12mm银合金杆；（2）银合金杆的拉制：将上述直径12mm 的银合金杆经过拉丝机拉制成直径为1.5mm 的银合金线，拉丝过程采用单向拉制；（3）银合金线的中间热处理：将直1.5mm的银合金线在管式炉中进行中间热处理，热处理过程采用N2气体保护，热处理温度为750℃，热处理时间为2分钟；（4）将经过中间热处理的银合金线经拉丝机拉制成直径0.08mm 的银合金线，然后将直径为0.08mm 的银合金线经过拉丝机连续拉拔成直径为0.05mm 细线， 再在微细拉丝机上通过多道拉拔，最终获得直径0.018mm 微细银合金键合线，拉丝过程中，线材变形率为7%，模具入口角度为14°。
从上表可以看出，本发明的低弧度LED封装用微细键合银合金线及其制造方法的银合金线可以在超低弧度LED封装中使用，能够满足低弧度LED封装的要求，且该银合金线及其制造方法可以拉制大长度的微细银合金线材，能够满足工业化生产需求。
Claims (3)
1.一种小晶片LED封装用微细银合金键合线的制造方法， 其特征在于：包括如下步骤：
（1）银合金键合线坯料的冶炼与连铸：
a．制造Ag/Ni中间合金：将质量分数90%的Ag和质量分数10%的Ni分层放入真空炉的氮化硼坩埚中，并在坩埚上放置中间开孔的氮化硼坩埚盖，对真空炉的炉膛抽真空，真空度高于3.0×10-2Pa后，开始升温至1450-1850℃，其中低于800℃时升温速率为20-40℃/min，温度高于800℃时升温速率为30-50℃/min，熔化过程中真空度高于3.0×10-2Pa，然后静置10-20分钟，待Ag/Ni合金完全熔解且金属液变清澈后，通过氮化硼管向Ag/Ni合金液中充入Ar搅拌5-10分钟，然后将合金浇注到水冷模具中冷却，得到Ag/Ni中间合金；
b．制造Ag/Ce和Ag/La中间合金：将质量分数90%的Ag放入真空炉的石墨坩埚中，将质量分数10%的Ce或La放入真空炉的加料盒中，对真空炉的炉膛抽真空，真空度高于3.0×10-2Pa后，充入Ar至0.1-0.5MPa，然后重新抽真空至真空度高于3.0×10-2Pa后，开始升温，待温度升至400-600℃后，停止抽真空并向真空炉中充入Ar至0.1-0.5MPa；然后继续升温至1150-1250℃，待银完全熔解且银液变清澈后，移动加料盒将Ce或La加入到坩埚中，并晃动坩埚搅拌5-10分钟，然后将合金熔体随炉冷却，得到Ag/Ce或Ag/La合金中间合金；采用相同的方法制造Ag/Ce和Ag/La中间合金中的另一种；
c．在真空冶炼炉中将Ag/Ni中间合金、Ag/Ce中间合金、Ag/La中间合金、Ag按下述比例称量计算后，其中镍（Ni）为3-5wt%；铈（Ce）为0.5-1.0 wt%；镧（La）为0.5-1.0 wt%，银为余量，且其中铈（Ce）和镧（La）的质量分数相同，混合加入到真空冶炼炉中，抽真空至5.0×10- 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0.1-0.5MPa；然后继续升温至1250-1450℃，待合金完全熔解后，向银合金液中充入Ar搅拌5-10分钟，将合金熔体冷却，得到银合金坯料；
d．将银合金坯料加入到真空熔炼电磁搅拌合金连铸机的坩埚中，坩埚为氮化硼坩埚，抽真空至5.0×10-1Pa以上，开始升温至1250-1450℃，待合金完全熔解，采用氮化硼搅拌棒搅拌10-15分钟，然后精炼静置15-20分钟后，充入高纯Ar至1.05-1.1MPa，开始采用间歇方式拉铸，形成直径为8-12mm的银合金杆；
（2）银合金线的拉制：
将上述直径为8-12mm 的银合金杆经过拉丝机拉制成直径为1.0-1.5mm 的银合金线，拉丝过程采用单向拉制；
（3）银合金线的中间热处理：
将直径1.0-1.5mm的银合金线在管式炉中进行中间热处理，热处理过程采用惰性气体或N2气体保护，热处理温度为550-750℃，热处理时间为2-5分钟；
（4）将经过中间热处理的银合金线经拉丝机拉制成直径0.06-0.08mm 的银合金线，然后将直径为0.06-0.08mm 的银合金线经过拉丝机连续拉拔成直径为0.03-0.05mm 细线，再在微细拉丝机上通过多道拉拔，最终获得直径0.012-0.018mm 微细银合金键合线，拉丝过程中，线材变形率为5%-7%；所述连铸机的结晶器上安装有电磁搅拌机构；银金合金杆牵引采用间歇式牵引，牵引速度为30-300mm/分钟，牵引时间1-5秒，停歇时间1-5秒；所述银合金线拉制过程中，拉丝模具的入口角度为11°-14°。
2. 根据权利要求1 所述的小晶片LED封装用微细银合金键合线的制造方法，其特征在于：所述浇注Ag/Ni合金的水冷模具材料为纯铜。
3.采用权利要求1或2所述的小晶片LED封装用微细银合金键合线的制造方法制造的小晶片LED封装用微细银合金键合线，其特征在于：所述银合金键合线材料的各成分重量百分含量是：Ni 3-5wt%，Ce 0.5-1.0wt%，La 0.5-1.0wt%，Ag余量，且Ce和La质量分数相同。
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