CN109411437A - 一种具有表面复合膜的银合金线及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有表面复合膜的银合金线及其制作方法，包括银合金键合丝和包覆在所述银合金键合丝外的复合钯膜，所述银合金键合丝按重量计含有0.8％‑1.2％的铟；所述复合钯膜由纳米钯颗粒和高分子聚乙烯吡咯烷酮组成。本发明通过向银合金键合丝中加入0.8％‑1.2％的铟，这样在烧球过程中，由于铟会向自由空气球表面富集而不能扩散到铝层内，在球焊后富集于银铝界面的铟能有效地阻止铝向银主体的扩散，使得IMC的形成速率下降，可靠性提升。而且复合钯膜由纳米钯颗粒和高分子聚乙烯吡咯烷酮组成，因此本发明的银合金线的导电性比常规在银合金键合丝外镀3‑4％钯的银合金线的高，且硬度会大幅度下降。

Description

一种具有表面复合膜的银合金线及其制作方法

技术领域

本发明涉及银合金线技术领域，更具体地说是涉及一种具有表面复合膜的银合金线及其制作方法。

背景技术

键合丝(bonding wire)是连接芯片与外部封装基板(substrate)和/或多层线路板(PCB)的主要连接方式。键合丝发展趋势，从应用方向上主要是线径细微化、高车间寿命(floor life)以及高线轴长度的产品；从化学成分上，主要有铜线(包括裸铜线、镀钯铜线、闪金镀钯铜线)在半导体领域大幅度取代金线，而银线和银合金线在LED以及部分IC封装应用上取代金线。

相对于金线来说，银线主要的优势是：产品成本低，早期银合金的主要问题是线材表面容易硫化、氧化从而影响打线性能以及高温高湿可靠性(PCT,HAST)问题，另外还有严重的电迁移问题，导致电路短路失效，可靠性低。

在球焊的烧球过程中(electric flame off,EFO)，电弧高压击穿球焊时的保护气体(95％氮气和5％氢气)，放出大量的热，熔化键合丝的末端，由于表面张力的作用，在键合丝末端形成一个圆球即自由空气球(Free air ball)，由于钯可以和银形成固体溶液，所以钯可以熔入到银合金球的主体中，从而在FAB的表面消失，因此钯是很难均匀分布于FAB的四周的，尤其是不能富集于FAB底部与IC铝焊盘接触的部分，然而钯在该区域的富集对后续焊点的可靠性是十分有益的。

所以上述的问题都可以通过向银线中引入钯(Pd，引入的用量为3-4％)而得到改善，尤其是其高温、高湿可靠性(PCT,HAST)问题。但是引入3-4％的钯到银合金线中会导致导电率上升，同时线材的硬度也上升，而这两点对于高端IC封装，例如记忆体(memory)中的封装是十分重要。

发明内容

本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。

本发明的目的在于提供一种可靠性高的具有表面复合膜的银合金线及其制作方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：提供一种具有表面复合膜的银合金线，包括银合金键合丝和包覆在所述银合金键合丝外的复合钯膜，所述银合金键合丝按重量计含有0.8％-1.2％的铟。

所述银合金键合丝按重量计还含有小于5ppm的氧，8-100ppm的掺杂元素，其余为银，所述掺杂元素为钙、铜、铁和硅中的一种或其中多种的组合。

在一具体实施例中，所述复合钯膜由纳米钯颗粒和高分子聚乙烯吡咯烷酮组成。

所述复合钯膜的厚度为3-15纳米。

本发明还提供一种具有表面复合膜的银合金线的制作方法，包括以下步骤：

S1、按重量计，在银中加入0.8％-1.2％的铟，经定向连续拉工艺，获得直径为6-8毫米的线材，再经过拉丝，获得线径为15-50微米的银合金键合丝；

S2、在银合金键合丝的表面涂敷复合钯膜。

所述步骤S2中在银合金键合丝的表面涂敷复合钯膜的步骤为：

S21、将步骤S1中获得的银合金键合丝浸入由聚乙烯吡咯烷酮所稳定的纳米钯乙醇胶液中，让银合金键合丝的表面均匀地涂敷上一层胶液，然后将涂敷有胶液的银合金键合丝进行烘干，使得银合金键合丝上的胶液固化，获得厚度为3-15纳米的复合钯膜，然后再冷却至室温，获得银合金线。

在一具体实施例中，所述步骤S21中，银合金键合丝浸入胶液中的长度不小于0.1m,在胶液中停留的时间不小于2秒。

所述步骤S21中，聚乙烯吡咯烷酮与纳米钯的重量比为8：1到12：1。

所述步骤S21中，将涂敷有胶液的银合金键合丝进行烘干的条件为：以氮气作为退火气氛，退火炉中的温度为150-190℃。

在步骤S1中，所述银中氧含量小于5ppm，所述银中还加入8-100ppm的掺杂元素，所述掺杂元素为钙、铜、铁和硅中的一种或其中多种的组合。

本发明通过向银合金键合丝中加入0.8％-1.2％的铟，这样在烧球过程中，由于铟会向自由空气球表面富集而不能扩散到铝层内，在球焊后富集于银铝界面的铟能有效地阻止铝向银主体的扩散，使得IMC的形成速率下降，可靠性提升。而且复合钯膜由纳米钯颗粒和高分子聚乙烯吡咯烷酮组成，因此本发明的银合金线的导电性比常规在银合金键合丝外镀3-4％钯的银合金线的高，且硬度会大幅度下降。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1为本发明实施例中银合金线的结构示意图。

图2为本发明实施例中银合金线制作流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例中提出的具有表面复合膜的银合金线，包括银合金键合丝10和包覆在银合金键合丝10外的复合钯膜20，银合金键合丝10按重量计含有小于5ppm的氧，0.8％-1.2％的铟，8-100ppm的掺杂元素，其余为银，掺杂元素为钙、铜、铁和硅中的一种或其中多种的组合。在烧球过程中，由于铟会向自由空气球表面富集而不会扩散到铝层内，在球焊后富集于银铝界面的铟能有效地阻止铝向银主体的扩散，使得IMC的形成速率下降，可靠性提升。

另外，复合钯膜能有效提升银线材的抗电迁移特性，复合钯膜20由纳米钯颗粒和高分子聚乙烯吡咯烷酮组成，因此本发明的银合金线的导电性比常规在银合金键合丝外镀3-4％钯的银合金线的高，且硬度会大幅度下降。

本实施例中，纳米钯颗粒的粒径在2-15纳米之间。

如图2所示，本发明还提供一种具有表面复合膜的银合金线的制作方法，包括以下步骤：

S1、按重量计，在银中加入0.8％-1.2％的铟，经定向连续拉工艺，获得直径为6-8毫米的线材，再经过拉丝，获得线径为15-50微米的银合金键合丝；

S2、在银合金键合丝的表面涂敷复合钯膜。

步骤S1中，银中氧含量小于5ppm，银中还加入8-100ppm的掺杂元素，掺杂元素为钙、铜、铁和硅中的一种或其中多种的组合，银的纯度为4N。

步骤S1中，拉丝过程包括粗拉、中粗拉、细拉、微拉等四个阶段。在拉丝过程中对线材进行一次以上的中间退火，中间退火中采用氮气或Forming gas作为退火气氛。拉丝结束后，对银合金键合丝进行最后退火，最后退火中采用氮气或Forming gas作为退火气氛。

步骤S2中在银合金键合丝的表面涂敷复合钯膜的步骤为：

S21、将步骤S1中获得的银合金键合丝浸入由聚乙烯吡咯烷酮所稳定的纳米钯乙醇胶液中，让银合金键合丝的表面均匀地涂敷上一层胶液，然后将涂敷有胶液的银合金键合丝进行烘干，使得银合金键合丝上的胶液固化，获得厚度为3-15纳米的复合钯膜，然后再冷却至室温，获得银合金线，最后可以绕线。

步骤S21中，银合金键合丝浸入胶液中的长度不小于0.1m,在胶液中停留的时间不小于2秒。

步骤S21中，聚乙烯吡咯烷酮与纳米钯的重量比为8：1到12：1。

步骤S21中，将涂敷有胶液的银合金键合丝进行烘干的条件为：以氮气作为退火气氛，退火炉中的温度为150-190℃。

下面给出本发明银合金线的制作方法的一个具体实施例。

实施例一：

S1、按重量计，在氧含量低于5ppm的4N(纯度为99.99％)银中加入8ppm的钙(Ca)，并加入1％的4N铟，经定向连续拉工艺，获得直径为6-8毫米的线材，再经过拉丝，获得线径为20微米的银合金键合丝；拉丝过程中对线材进行一次中间退火，中间退火中采用氮气作为退火气氛，拉丝结束后，对银合金键合丝进行最后退火，最后退火中采用氮气作为退火气氛；

S2、将由聚乙烯吡咯烷酮(分子量为10000)所稳定的纳米钯(粒径为2-10nm)乙醇胶液放入一储槽内，将银合金键合丝浸入胶液中，银合金键合丝浸入胶液中的长度不小于0.1m，银合金键合丝在胶液中停留的时间不小于2秒，让银合金键合丝的表面均匀地涂敷上一层胶液，然后以氮气作为退火气氛，退火炉中的温度为150-190℃，进行烘干，完成胶液的固化(包括乙醇的蒸发)，得到厚度在3-15纳米之间的复合钯膜，然后再冷却至室温，获得银合金线。

下面给出一种常规的制作银合金键合丝的方法，与实施例一作为对比。

对比例一：

S1、按重量计，在4N银(纯度为99.99％)中加入4.0％的钯，8ppm的钙(Ca)，经过定向连续拉工艺，获得直径为8毫米的线材；

S2、对得到的线材进行拉丝，获得直径为20微米的银合金键合丝；在拉丝过程中，对线材进行一次中间退火，中间退火在拉丝至直径为0.0877mm时进行，在退火过程中采用氮气作为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为600℃，退火速率为90m/min；

S3、拉丝完成后，对银合金键合丝进行最后退火，在退火过程中采用氮气作为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为450℃，退火速率为100m/min，线材最后退火段的张力设定为0.3克。

下面表1为采用实施例一和对比例一制作的银合金线的电阻率的比较：

实验	实施例一	对比例一
			电阻率(μΩcm)	2.8	3.8

下面表2为采用实施例一和对比例一制作的银合金线的硬度的比较：

将两种线材沿着中轴线剖开，然后对线材的剖面进行Vicker硬度测定。每组读数取十个测量的平均值，采用FM-810e显微维氏硬度计，在1克的作用力下，保留15秒，通过压印的大小来测定硬度，结果如下。

下面表3为采用实施例一和对比例一制作的银合金线的可靠性的比较：

采用两种线材(23微米)进行第一焊点的球焊，然后进行灌胶封装。在温度为130℃，相对湿度为85％的条件下，进行高温保存实验400个小时，实验结束后，用酸剥离灌封胶，然后进行第一焊点的剪切强度测试来评估两种线材在高温存储可靠性上的表现。

实验	实施例一	对比例一
			剪切强度(gf)	18	8

可见，本发明通过向银合金键合丝中加入0.8％-1.2％的铟，这样在烧球过程中，由于铟会向自由空气球表面富集而不能扩散到铝层内，在球焊后富集于银铝界面的铟能有效地阻止铝向银主体扩散，使得IMC的形成速率下降，可靠性提升。而且复合钯膜由纳米钯颗粒和高分子聚乙烯吡咯烷酮组成，因此本发明的银合金线的导电性比常规在银合金键合丝外镀3-4％钯的银合金线的高，且硬度会大幅度下降。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种具有表面复合膜的银合金线，其特征在于，包括银合金键合丝和包覆在所述银合金键合丝外的复合钯膜，所述银合金键合丝按重量计含有0.8％-1.2％的铟。

2.根据权利要求1所述的具有表面复合膜的银合金线，其特征在于，所述银合金键合丝按重量计还含有小于5ppm的氧，8-100ppm的掺杂元素，其余为银，所述掺杂元素为钙、铜、铁和硅中的一种或其中多种的组合。

3.根据权利要求1所述的具有表面复合膜的银合金线，其特征在于，所述复合钯膜由纳米钯颗粒和高分子聚乙烯吡咯烷酮组成。

4.根据权利要求3所述的具有表面复合膜的银合金线，其特征在于，所述复合钯膜的厚度为3-15纳米。

5.一种具有表面复合膜的银合金线的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、按重量计，在银中加入0.8％-1.2％的铟，经定向连续拉工艺，获得直径为6-8毫米的线材，再经过拉丝，获得线径为15-50微米的银合金键合丝；

S2、在银合金键合丝的表面涂敷复合钯膜。

6.根据权利要求5所述的具有表面复合膜的银合金线的制作方法，其特征在于，所述步骤S2中在银合金键合丝的表面涂敷复合钯膜的步骤为：

S21、将步骤S1中获得的银合金键合丝浸入由聚乙烯吡咯烷酮所稳定的纳米钯乙醇胶液中，让银合金键合丝的表面均匀地涂敷上一层胶液，然后将涂敷有胶液的银合金键合丝进行烘干，使得银合金键合丝上的胶液固化，获得厚度为3-15纳米的复合钯膜，然后再冷却至室温，获得银合金线。

7.根据权利要求6所述的具有表面复合膜的银合金线的制作方法，其特征在于，所述步骤S21中，银合金键合丝浸入胶液中的长度不小于0.1m,在胶液中停留的时间不小于2秒。

8.根据权利要求6所述的具有表面复合膜的银合金线的制作方法，其特征在于，所述步骤S21中，聚乙烯吡咯烷酮与纳米钯的重量比为8：1到12：1。

9.根据权利要求6所述的具有表面复合膜的银合金线的制作方法，其特征在于，所述步骤S21中，将涂敷有胶液的银合金键合丝进行烘干的条件为：以氮气作为退火气氛，退火炉中的温度为150-190℃。

10.根据权利要求5所述的具有表面复合膜的银合金线的制作方法，其特征在于，在步骤S1中，所述银中氧含量小于5ppm，所述银中还加入8-100ppm的掺杂元素，所述掺杂元素为钙、铜、铁和硅中的一种或其中多种的组合。