CN109930020A - 一种键合合金丝及其制备和应用 - Google Patents

一种键合合金丝及其制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种键合合金丝及其制备和应用，属于键合丝加工技术领域。本发明所述键合合金丝的组成成分以质量分数计，包括银92％～99％，钯0.5％～4％，铜0.1‑2％，金0.1‑2％，镓20‑200PPM，铈20‑200PPM，铂20‑200PPM，镧20‑200PPM，经熔铸和拉丝后，制成截面直径≤50μm的键合合金丝；本发明以高纯银材为基础，添加合金元素，制成了具有较小延伸率浮动范围的键合丝，减少异常短线频率，提高键合产能和设备稼动率；适用于集成电路、大规模集成电路微型化封装，也适用于分立器件、LED封装；所述键合合金丝制备方法简单，实用性好。

Description

一种键合合金丝及其制备和应用
技术领域
本发明涉及一种键合合金丝及其制备和应用，属于键合丝加工技术领域。
背景技术
半导体封装用键合丝是封装行业的基础材料之一，它决定着集成电路的发展水平，键合金丝所需要的合金丝需要具备机械强度好，成球特性好，接合性好，易于作业和焊接的特性。
传统使用的键合丝是一种微合金化高纯金丝，常用碱土金属、稀有金属和稀土金属、过渡金属以总质量分数0.0001％-0.01％加入高纯Au制成，但是近几年来，黄金市值一路飙升，不到十年时间黄金原料价格增长了140％，给使用键合金丝的厂家，增加了沉重的原材料成本，同时也大大增加了键合金丝生产厂商的生产及流动成本。
在研发方面，随着先进半导体封装技术进入中国大陆，对大陆键合金丝厂商也提出了更高的要求，键合金丝电参数、强度参数、成球参数等要求越来越高，而且由于封装器件尺寸的不断减小，常规的键合金丝已经达到了其能力极限，这就要求有直径更细、强度更高的合金丝来适应超细间距的封装器件，这就导致，键合丝在键合过程中或者应用过程中，线弧性能不稳定，容易出现异常断裂，导致键合产能低，设备稼动率低。
合金型金丝键合金丝，金和银在液态和固态都能无限固溶，显著提高键合金丝的强度，抗振动破断性能优良，当键合金丝合成环状时，球颈不会发生断裂，芯片也不会因为球软而发生破裂，现有中国专利文献CN103194637A公开了一种键合合金银丝，银＜90wt％，金3.0wt％-10.0wt％，钯3.0wt％-8.0wt％得到得合金导电能力强，具有一定的抗氧化性、良好的可塑性，较高的断裂负荷和较好的伸长率，但是，在实际的键合过程和使用过程中，仍然不可避免会产生较高的断线频率。
发明内容
因此，本发明为了解决现有技术中键合丝线弧性能不稳定，断线频率高的技术问题，公开了一种键合合金丝及其制备和应用。
本发明公开了一种合金组合物，以所述合金组合物的总质量计，包括:银 92％～99.3wt％，钯0.5％～4wt％，铜0.1-2wt％，金0.1-2wt％，镓20-200PPM，铈20-200PPM，铂20-200PPM，镧20-200PPM。
优选的，银94％～98wt％，钯1％～3wt％，铜0.5-1.5wt％，金0.5-1.5wt％，镓100-150PPM，铈100-150PPM，铂100-150PPM，镧100-150PPM。
优选的，银95％，钯3％，铜1％，金1％，镓100PPM，铈100PPM，铂 100PPM，镧100PPM。
优选的，所述银、铜和金的纯度均为99.99％。
本发明还公开了一种合金丝，所述合金丝截面直径≤50μm，由所述的合金组合物制备而成。
本发明还公开了一种所述合金丝的制备方法，包括以下步骤：
熔铸步骤：将银基材及其他合金元素组成的母材进行熔铸制成棒材；
拉丝步骤：将所述棒材进行拉丝加工，拉制到所需尺寸的微细丝材；
退火步骤：将所述微细丝材进行退火工艺处理即得所需键合丝。
优选的，所述退火工艺在氢氮混合气体保护下，退火温度为450-550℃，退火速度为55-65米/分钟。
优选的，所述氢氮混合气体中氢气和氮气的体积比为1:19。
本发明还公开了一种键合合金丝，由所述合金组合物制备而成或由所述合金丝制成或由所述合金丝制备方法制备而成。
本发明还公开了一种所述合金组合物、所述合金丝、所述合金丝制备方法制备的合金丝、所述键合合金丝在集成电路封装领域的应用。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明所述合金组合物，包括质量分数为92-99％的银，质量分数为 0.1-2％的铜，质量分数为0.1-2％的金，质量分数为0.5-4％的钯，首先，通过增加钯，减少铜的含量，平衡键合合金丝的机械性能和键合性能，表现在参数上则可见所述键合合金丝延伸度浮动率小，键合时，线弧性能稳定，断线频率低，键合设备稼动率高；其次，银的熔点为960.5℃，铜的熔点为1083℃，金的熔点为1063℃，钯的熔点为1554℃，金、银、铜和钯易于熔铸和固溶生产合金，增加生成的合金的硬度、塑性，并且在不损及合金性能的基础上降低半导体的生产成本；其中的微量金属元素镓(Ga)、铜与钯相互作用，能提高制成的合金的抗拉强度10％以上；微量金属元素铂(Pt)的加入，能显著提高生成的合金的耐热性，提高作为合金丝在进行封装时的耐流动性；微量金属元素铈(Ce) 和镧(La)的加入，能够细化生成的合金中的晶粒，增加键合球颈部强度。
2.本发明所述合金组合物制成的合金丝，相对于纯银线、纯金线或纯铜线，机械强度好，接合性好，易于作业和焊接的特性，成球性好，加入气体保护即可最大限度避免滑球现象产生；而且相对纯金线及纯银线，加入铜元素，提升拉力强度的前提下，显著节省成本，本发明所述合金丝作为键合金丝在封装半导体时由于延伸率浮动范围小，延伸性能稳定，键合时能显著减少断线频率，减少键合时的停机调整时间，提升设备的稼动率和键合产能。
3.本发明所述合金丝的制备方法操作简单，实用性好，易于批量生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明试验例1中拉力测试示意图；
附图标记说明：1、板体；11、第一焊点；12、芯片；13、上片板；2、框架；21、第二焊点；22、框架管脚；3、线弧；4、金属勾。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
本实施例提供了一种键合金丝的具体实施方式，如下所述：
熔铸步骤：坩埚内投入纯度为99.99％的银993g，纯度为99.99％的钯5g，纯度为99.99％的金1g，纯度为99.99％的铜1g，镓20PPM，铈20PPM，铂 20PPM，镧20PPM，将上述各组分混合后在高于9.8×10-4Pa真空度下熔炼，并制成合金棒材，真空熔炼的温度为1100℃，所述合金棒材直径8mm；
拉丝步骤：对所述合金棒材进行拉丝加工，形成预定线径的合金线材；经过粗拉、中拉、细拉、超细拉将棒材从粗到细拉制成直径为50μm 的微细丝材，即得所述合金丝；
退火步骤：在氢气和氮气的体积比为1:19的氢氮混合气体中对所述微细丝材进行退火处理，退火的温度为500℃，退火速度为60m/min即制得所述键合合金丝。
实施例2
本实施例提供了一种键合金丝的具体实施方式，如下所述：
熔铸步骤：坩埚内投入纯度为99.99％的银980g，纯度为99.99％的钯10g，纯度为99.99％的金5g，纯度为99.99％的铜5g，镓100PPM，铈100PPM，铂 100PPM，镧100PPM，将上述各组分混合后在高于9.8×10-4Pa真空度下熔炼，并制成合金棒材，真空熔炼的温度为1200℃，合金棒材直径8mm；
拉丝步骤：对所述合金棒材进行拉丝加工，形成预定线径的合金线材；经过粗拉、中拉、细拉、超细拉将棒材从粗到细拉制成直径为20μm 的微细丝材，即得所述合金丝；
退火步骤：在氢气和氮气的体积比为1:19的氢氮混合气体中对所述微细丝材进行退火处理，退火的温度为450℃，退火速度为55m/min即制得所述键合合金丝。
实施例3
本实施例提供了一种键合金丝的具体实施方式，如下所述：
熔铸步骤：坩埚内投入纯度为99.99％的银950g，纯度为99.99％的钯30g，纯度为99.99％的金10g，纯度为99.99％的铜10g，镓120PPM，铈120PPM，铂120PPM，镧120PPM，将上述各组分混合后在高于9.8×10-4Pa真空度下熔炼，并制成合金棒材，真空熔炼的温度为1150℃，合金棒材直径8mm；
拉丝步骤：对所述合金棒材进行拉丝加工，形成预定线径的合金线材；经过粗拉、中拉、细拉、超细拉将棒材从粗到细拉制成直径为23μm 的微细丝材，即得所述合金丝；
退火步骤：在氢气和氮气的体积比为1:19的氢氮混合气体中对所述微细丝材进行退火处理，退火的温度为500℃，退火速度为60m/min即制得所述键合合金丝。
实施例4
本实施例提供了一种键合金丝的具体实施方式，如下所述：
熔铸步骤：坩埚内投入纯度为99.99％的银940g，纯度为99.99％的钯30g，纯度为99.99％的金15g，纯度为99.99％的铜15g，镓150PPM，铈150PPM，铂150PPM，镧150PPM，将上述各组分混合后在高于9.8×10-4Pa真空度下熔炼，并制成合金棒材，真空熔炼的温度为1100℃，合金棒材直径8mm；
拉丝步骤：对所述合金棒材进行拉丝加工，形成预定线径的合金线材；经过粗拉、中拉、细拉、超细拉将棒材从粗到细拉制成直径为20μm 的微细丝材，即得所述合金丝；
退火步骤：在氢气和氮气的体积比为1:19的氢氮混合气体中对所述微细丝材进行退火处理，退火的温度为550℃，退火速度为65m/min即制得所述键合合金丝。
实施例5
本实施例提供了一种键合金丝的具体实施方式，如下所述：
熔铸步骤：坩埚内投入纯度为99.99％的银920g，纯度为99.99％的钯40g，纯度为99.99％的金20g，纯度为99.99％的铜20g，镓20PPM，铈20PPM，铂 20PPM，镧20PPM，将上述各组分混合后在高于9.8×10-4Pa真空度下熔炼，并制成合金棒材，真空熔炼的温度为1200℃，合金棒材直径8mm；
拉丝步骤：对所述合金棒材进行拉丝加工，形成预定线径的合金线材；经过粗拉、中拉、细拉、超细拉将棒材从粗到细拉制成直径为30μm 的微细丝材，即得所述合金丝；
退火步骤：在氢气和氮气的体积比为1:19的氢氮混合气体中对所述微细丝材进行退火处理，退火的温度为500℃，退火速度为60m/min即制得所述键合合金丝。
对比例1
本对比例提供了一种键合丝的具体实施方式，包括如下步骤：
熔铸步骤：坩埚内投入纯度为99.99％的银1000g，镓100PPM，铈100PPM，铂100PPM，镧100PPM，将上述各组分混合后在高于9.8×10-4Pa真空度下熔炼，并制成棒材，真空熔炼的温度为1200℃，棒材直径8mm；
拉丝步骤：对所述棒材进行拉丝加工，形成预定线径的线材；经过粗拉、中拉、细拉、超细拉将棒材从粗到细拉制成直径为20μm的银丝；
退火步骤：在氢气和氮气的体积比为1:19的氢氮混合气体中对所述微细丝材进行退火处理，退火的温度为500℃，退火速度为60m/min即制得所述纯银键合丝。
对比例2
本对比例提供了一种键合丝的具体实施方式，包括如下步骤：
熔铸步骤：坩埚内投入纯度为99.99％的金1000g，镓100PPM，铈100PPM，铂100PPM，镧100PPM，将上述各组分混合后在高于9.8×10-4Pa真空度下熔炼，并制成棒材，真空熔炼的温度为1200℃，棒材直径8mm；
拉丝步骤：对所述棒材进行拉丝加工，形成预定线径的线材；经过粗拉、中拉、细拉、超细拉将棒材从粗到细拉制成直径为20μm的金丝；
退火步骤：在在氢气和氮气的体积比为1:19的氢氮混合气体中对所述微细丝材进行退火处理，退火的温度为500℃，退火速度为60m/min即制得所述纯金键合丝。
对比例3
本对比例提供了一种键合丝的具体实施方式，包括如下步骤：
熔铸步骤：坩埚内投入纯度为99.99％的铜1000g，镓100PPM，铈100PPM，铂100PPM，镧100PPM，将上述各组分混合后在高于9.8×10-4Pa真空度下熔炼，并制成棒材，真空熔炼的温度为1200℃、真空度高于9.8×10-4Pa，棒材直径8mm；
拉丝步骤：对所述棒材进行拉丝加工，形成预定线径的线材；经过粗拉、中拉、细拉、超细拉将棒材从粗到细拉制成直径为20μm的铜丝；
退火步骤：在氢气和氮气的体积比为1:19的氢氮混合气体中对所述微细丝材进行退火处理，退火的温度为500℃，退火速度为60m/min即制得所述纯铜键合丝。
实验例1
拉力测试，测试方法：见图1所示，取实施例1-5、对比例1-3制备的键合丝作为键合丝线弧封装，具体结构为，板体1中上片板13设有芯片12，芯片上为线弧的第一焊点11，框架2上设有框架管脚22，框架管脚22上设有线弧 3的第二焊点21，所述金属勾4沿箭头方向向上施加一个力测试线弧的拉力，所述拉力为线弧拉断时的拉力，线弧的长度在1-3mm之间，本实验例线弧长度为3mm，金属钩针作用于线弧的最高点，同一方法制备的键合丝平行进行10 次测试取平均值，即为平均拉力值，如表1所示。
表1实施例1-5，对比例1-3所得键合丝拉力测试结果
实验例2
延伸率浮动范围测试，测试方法：依照GB/T 10573测试方法，对实施例1-5，对比例1-3所述键合丝进行延伸率测试，取100mm成品线材安放于张力测试仪，标准拉伸速度10mm/min，当线材被拉断后，记录下延伸率(EL，％)，重复100次，得到延伸率的范围，即延伸率浮动范围，如表2所示。
表2实施例1-5，对比例1-3所得键合丝延伸率浮动范围测试结果
上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种合金组合物，其特征在于，以所述合金组合物的总质量计，包括:银92％～99.3wt％，钯0.5％～4wt％，铜0.1-2wt％，金0.1-2wt％，镓20-200PPM，铈20-200PPM，铂20-200PPM，镧20-200PPM。
2.根据权利要求1所述的合金组合物，其特征在于，银94％～98wt％，钯1％～3wt％，铜0.5-1.5wt％，金0.5-1.5wt％，镓100-150PPM，铈100-150PPM，铂100-150PPM，镧100-150PPM。
3.根据权利要求1所述的合金组合物，其特征在于，银95％，钯3％，铜1％，金1％，镓100PPM，铈100PPM，铂100PPM，镧100PPM。
4.根据权利要求1所述的合金组合物，其特征在于，所述银、铜和金的纯度均为99.99％。
5.一种合金丝，其特征在于，所述合金丝截面直径≤50μm，由权利要求1-4任一项所述的合金组合物制备而成。
6.一种权利要求5所述合金丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
熔铸步骤：将银基材及其他合金元素组成的母材进行熔铸制成棒材；
拉丝步骤：将所述棒材进行拉丝加工，拉制到所需尺寸的微细丝材；
退火步骤：将所述微细丝材进行退火工艺处理即得所需键合丝。
7.根据权利要求6所述的合金丝的制备方法，其特征在于，所述退火工艺在氢氮混合气体保护下，退火温度为450-550℃，退火速度为55-65米/分钟。
8.根据权利要求7所述的合金丝的制备方法，其特征在于，所述氢氮混合气体中氢气和氮气的体积比为1:19。
9.一种键合合金丝，其特征在于，由包括权利要求1-4任一项所述合金组合物制备而成或由权利要求5所述合金丝制成或由权利要求6-8任一项所述合金丝制备方法制备而成。
10.一种权利要求1-4任一项所述合金组合物制备而成的合金丝或由权利要求5所述合金丝或由权利要求6-8任一项所述合金丝制备方法制备而成的合金丝或由权利要求9所述键合合金丝在集成电路封装领域的应用。
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