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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Legierungsdrähte und deren Herstellungsverfahren und insbesondere Legierungsdrähte, welche zum Drahtbonden von Baugruppen elektronischer Vorrichtungen verwendet werden, und deren Herstellungsverfahren.
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Beschreibung vom Stand der Technik
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Drahtbonden ist ein außerordentlich wichtiger Schritt in den Packaging-Prozessen von Halbleitervorrichtungen und Leuchtdioden (LED). Bonddrähte stellen nicht nur eine Signalübertragung und Stromübertragung zwischen Chips und Chipträgern (Substraten) sondern auch eine Wärmeableitungsleistung bereit. Deshalb ist es für Metalldrähte zum Drahtbonden notwendig, nicht nur eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit sondern auch eine ausreichende Festigkeit und Duktilität aufzuweisen. Die Härte der Metalldrähte kann nicht zu hoch sein, um zu verhindern, dass Chips während eines Heißpressens in dem Drahtbonden-Schritt brechen, und einen guten Kontakt zwischen den Metalldrähten und den Bondpads aufzuweisen, um eine hervorragende Verbindbarkeit aufzuweisen. Weiterhin ist es notwendig, dass die Metalldrähte eine gute antioxidative Wirkung und Korrosionsbeständigkeit aufweisen, weil die Polymerverkapselungsstoffe für das Packaging im Allgemeinen korrosive Chloridionen und eine hygroskopische Eigenschaft aufweisen, Feuchtigkeit aus der Umgebung absorbierend. Zudem leitet der Metalldraht ein hohes Volumen an Wärme zu dem ersten Bond (Ballbond), wenn der Ballbond von dem geschmolzenen Zustand auf Raumtemperatur abkühlt, und folglich wird eine wärmebeeinflusste Zone in dem Metalldraht bei dem Ballbond gebildet. Bei dem Metalldraht findet in der wärmebeeinflussten Zone aufgrund der Wärmebildung ein Kornwachstum statt, was zur Bildung von lokalen groben Körnern führt. Die lokalen groben Körner stellen eine niedrigere Festigkeit bereit, und folglich bricht der Metalldraht in der wärmebeeinflussten Zone während des Drahtziehtests, was die Bindefestigkeit negativ beeinflusst. Beim Vollenden der Packaging-Prozesse der Halbleitervorrichtungen oder der Leuchtdioden aktiviert die hohe Stromdichte durch die Metalldrähte möglicherweise Atome in den Metalldrähten und erzeugt folglich eine Elektronenwanderung während der Verwendung der verpackten Produkte. Als eine Folge werden Löcher an dem Anschluss der Metalldrähte gebildet, was zu einer Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit und sogar zu dem Auftreten von gebrochenen Drähten führt.
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Die in der gegenwärtigen Elektronikindustrie verwendeten Bonddrähte stellen hauptsächlich reines Gold und reines Aluminium dar. Kürzlich werden reine Kupferdrähte (unter Bezugnahme auf
US20060186544A1 und
US 4986856 ) und Verbundmetalldrähte wie beispielsweise Kupferdrähte mit Goldplattierung (unter Bezugnahme auf
US 7645522B2 ), Kupferdrähte mit Palladiumplattierung (unter Bezugnahme auf
US 20030173659A1 ), Kupferdrähte mit Platinplattierung (unter Bezugnahme auf
US 20030173659A1 ) und Aluminiumdrähte mit Kupferplattierung (unter Bezugnahme auf
US 6178623B1 ) ebenfalls für die Bonddrähte verwendet. Die inneren Strukturen der herkömmlichen Metalldrähte zum Drahtbonden stellen alle equi-axiale feine Körner dar. Die herkömmliche feinkörnige Struktur kann eine ausreichende Bruchfestigkeit und Duktilität bereitstellen. Es gibt jedoch eine Menge Großwinkelkorngrenzen, welche zwischen den feinen Körnern vorhanden sind. Die Großwinkelkorngrenzen streuen die Elektronenübertragung und erhöhen folglich den elektrischen Widerstand der Metalldrähte und verringern gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit der Metalldrähte. Andererseits weisen die Großwinkelkorngrenzen eine höhere Grenzflächenenergie auf und stellen vorteilhafte Wege zur umgebungsbedingten Oxidation, Sulfurierung und Chloridion-Korrosion bereit, was die Zuverlässigkeit der verpackten elektronischen Produkte verringert. Zudem neigt die wärmebeeinflusste Zone dazu, in dem Metalldraht mit einer feinkörnigen Struktur nahe des ersten Bonds (Ballbond) während des Drahtbondens gebildet zu werden. Die Drahtbonden-Festigkeit wird daher verringert, und eine Elektronenwanderung neigt dazu, bei dem Metalldraht mit einer feinkörnigen Struktur während der Verwendung von verpackten Halbleitervorrichtungen und Leuchtdioden aufzutreten, welche alle Hauptfaktoren darstellen, welche die Verschlechterung der Qualität und Zuverlässigkeit von herkömmlichen verpackten Produkten unter Verwendung der Drahtbonden-Technologie verursachen.
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US 2011/0011619 betrifft einen Halbleiter-Vorrichtungs-Bonddraht, umfassend ein Kernelement, welches aus einem elektrisch leitfähigen Metall gebildet ist, und eine darauf ausgebildete Hautschicht, welche hauptsächlich aus einem von dem Kernelement verschiedenen kubisch-flächenzentrierten Metall besteht.
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US 2004/0014266 betrifft einen Bonddraht für eine Halbleitervorrichtung, bestehend aus einem Kerndraht, einer Peripherie, und einer dazwischen ausgebildeten Diffusionsschicht oder Zwischenschicht.
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WO 2009/032984 offenbart Verfahren zur Herstellung von Multi-Element-, feinteiligen Legierungspulvern, die Silber und wenigstens zwei nicht-silberhaltige Elemente enthalten und die Verwendung dieser Pulver in keramischen piezoelektrischen Vorrichtungen.
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Es werden daher Legierungsdrähte und deren Herstellungsverfahren benötigt, um die beschriebenen Probleme zu lösen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Ausführungsform der Erfindung stellt einen kaltbearbeitungsverformten, temperbehandelten Legierungsdraht nach Anspruch 1 bereit.
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Bei dem Legierungsdraht ist es bevorzugt, dass die Silber-Gold-Legierung 0,01 bis 30,00 Gewichtsprozent Gold und einen Ausgleich an Silber umfasst, die Silber-Palladium-Legierung 0,01 bis 10,00 Gewichtsprozent Palladium und einen Ausgleich an Silber umfasst, und die Silber-Gold-Palladium-Legierung 0,01 bis 30,00 Gewichtsprozent Gold, 0,01 bis 10,00 Gewichtsprozent Palladium und einen Ausgleich an Silber umfasst.
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Ein Drahtdurchmesser des Legierungsdrahts liegt bevorzugt zwischen 10 μm und 50 μm.
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Eine Ausführungsform der Erfindung stellt einen kaltbearbeitungsverformten, temperbehandelten Legierungsdraht nach Anspruch 4 bereit, welcher einen Basisdraht und eine oder mehrere Schichten einer Metallbeschichtung umfasst. Bei dem Legierungsdraht ist es bevorzugt, dass die Silber-Gold-Legierung 0,01 bis 30,00 Gewichtsprozent Gold und einen Ausgleich an Silber umfasst, die Silber-Palladium-Legierung 0,01 bis 10,00 Gewichtsprozent Palladium und einen Ausgleich an Silber umfasst, und die Silber-Gold-Palladium-Legierung 0,01 bis 30,00 Gewichtsprozent Gold, 0,01 bis 10,00 Gewichtsprozent Palladium und einen Ausgleich an Silber umfasst.
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Ein Drahtdurchmesser des Legierungsdrahts liegt bevorzugt zwischen 10 μm und 50 μm. Die Metallbeschichtung ist bevorzugt zwischen 0,1 μm und 5 μm dick.
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Eine Ausführungsform der Erfindung stellt ein Herstellungsverfahren eines Legierungsdrahts nach Anspruch 8 bereit.
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In dem Herstellungsverfahren des Legierungsdrahts stellen die Kaltbearbeitungsformschritte bevorzugt Drahtziehschritte, Extrusionsschritte oder deren Kombination dar.
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In dem Herstellungsverfahren des Legierungsdrahts kann die Bereitstellung des dicken Drahts Schritte Schmelzen von Rohmaterialien des Materials des dicken Drahts, gefolgt von Gießen zur Bildung eines Barrens, und Durchführen einer Kaltbearbeitung an dem Barren zur Fertigstellung des dicken Drahts umfassen. Die Bereitstellung des dicken Drahts kann alternativ Schritte Schmelzen von Rohmaterialien des Materials des dicken Drahts, gefolgt von einem Stranggießverfahren zur Bildung des dicken Drahts umfassen.
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In dem Herstellungsverfahren des Legierungsdrahts umfasst das Verfahren bevorzugt weiterhin Plattieren einer Metallbeschichtung, welche eine Oberfläche des dicken Drahts überzieht, unter Verwendung von elektrischem Plattieren, Bedampfen oder Sputtern vor den Kaltbearbeitungsformschritten. Die Metallbeschichtung wird bevorzugt aus einem Material hergestellt, welches ausgewählt ist aus einem aus einer Gruppe, bestehend aus im Wesentlichen reinem Gold, im Wesentlichen reinem Palladium und einer Gold-Palladium-Legierung. Die Metallbeschichtung ist bevorzugt zwischen 0,1 μm und 10 μm dick.
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In dem Herstellungsverfahren des Legierungsdrahts umfasst das Verfahren bevorzugt weiterhin Plattieren einer Metallbeschichtung, welche eine Oberfläche des dicken Drahts überzieht, unter Verwendung von elektrischem Plattieren, Bedampfen oder Sputtern nach dem Nten Schritt der Kaltbearbeitungsformschritte. Die Metallbeschichtung wird bevorzugt aus einem Material hergestellt, welches ausgewählt ist aus einem aus einer Gruppe, bestehend im Wesentlichen reinem Gold, im Wesentlichen reinem Palladium und einer Gold-Palladium-Legierung. Die Metallbeschichtung ist bevorzugt zwischen 0,1 μm und 5 μm dick.
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In dem Herstellungsverfahren des Legierungsdrahts ist es bevorzugt, dass die Silber-Gold-Legierung 0,01 bis 30,00 Gewichtsprozent Gold und einen Ausgleich an Silber umfasst, die Silber-Palladium-Legierung 0,01 bis 10,00 Gewichtsprozent Palladium und einen Ausgleich an Silber umfasst und die Silber-Gold-Palladium-Legierung 0,01 bis 30,00 Gewichtsprozent Gold, 0,01 bis 10,00 Gewichtsprozent Palladium und einen Ausgleich an Silber umfasst.
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In dem Herstellungsverfahren des Legierungsdrahts liegt ein Drahtdurchmesser des dicken Drahts zwischen 5 mm und 10 mm, und liegt ein Drahtdurchmesser des dünnen Drahts zwischen 10 μm und 50 μm.
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Ein weiterer Umfang der Anwendbarkeit der Erfindung wird aus den hier nachstehend gegebenen detaillierten Beschreibungen klar werden. Es sollte jedoch verstanden sein, dass die detaillierten Beschreibungen und spezifischen Beispiele, während sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anzeigen, nur beispielhaft angegeben sind, weil verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Wesens und Umfangs der Erfindung dem Fachmann aus den detaillierten Beschreibungen klar werden werden.
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Eine detaillierte Beschreibung wird in den folgenden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gegeben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung kann durch Lesen der anschließenden detaillierten Beschreibung und Beispiele unter Bezugnahmen, die auf die begleitenden Zeichnungen gemacht werden, vollständiger verstanden werden, wobei:
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1A, 1B und 1C einen Legierungsdraht einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen, wobei 1A schematisch ein Segment des Legierungsdrahts der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, 1B einen längsgerichteten Querschnitt des in 1A gezeigten Legierungsdrahts entlang einer Richtung parallel zu der Längsrichtung des in 1A gezeigten Legierungsdrahts darstellt und 1C einen querverlaufenden Querschnitt des in 1A gezeigten Legierungsdrahts entlang einer Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des in 1A gezeigten Legierungsdrahts darstellt;
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2A, 2B und 2C einen Legierungsdraht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen, wobei 2A schematisch ein Segment des Legierungsdrahts der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt, 2B einen längsgerichteten Querschnitt des in 2A gezeigten Legierungsdrahts entlang einer Richtung parallel zu der Längsrichtung des in 2A gezeigten Legierungsdrahts darstellt und 2C einen querverlaufenden Querschnitt des in 2A gezeigten Legierungsdrahts entlang einer Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des in 2A gezeigten Legierungsdrahts darstellt;
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3 ein Ablaufdiagramm darstellt, welches ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens des Legierungsdrahts der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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4 ein Ablaufdiagramm darstellt, welches ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens des Legierungsdrahts der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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5 ein Ablaufdiagramm darstellt, welches ein anderes Beispiel eines Herstellungsverfahrens des Legierungsdrahts der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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6 ein Ablaufdiagramm darstellt, welches ein Beispiel zur Bereitstellung des dicken Drahts in den in 3–5 gezeigten Ablaufdiagrammen zeigt;
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7 schematisch ein anderes Beispiel zur Bereitstellung des dicken Drahts in den in 3–5 gezeigten Ablaufdiagrammen zeigt; und
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8A und 8B Röntgenbeugungsdiagramme darstellen, wobei 8A das Röntgenbeugungsdiagramm des Legierungsdrahts eines Beispiels der Erfindung zeigt und 8B das Röntgenbeugungsdiagramm eines herkömmlichen Drahts zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende Beschreibung ist die beste in Erwägung gezogene Weise zur Ausführung der Erfindung. Die Beschreibung ist zu dem Zweck der Veranschaulichung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung gemacht und sollte nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden. Der Schutzumfang der Erfindung wird am besten unter Bezugnahme auf die angehängten Ansprüche bestimmt.
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Bemerke, dass die Konzepte und spezifischen Anwendungsweisen der Erfindung durch die Ausführungsformen und die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben werden. In den Zeichnungen oder der Beschreibung werden ähnliche Elemente durch ähnliche Bezugsziffern und/oder -buchstaben angezeigt. Weiterhin kann die Elementform oder -dicke in den Zeichnungen der Einfachheit oder Anzeigezweckmäßigkeit halber aufgeweitet sein.
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Zudem können Elemente, welche nicht gezeigt oder beschrieben werden, jede Form aufweisen, die dem Fachmann bekannt ist.
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Es ist klar, dass die folgende Offenbarung viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zur Ausführung verschiedener Merkmale der Erfindung bereitstellt. Spezifische Beispiele von Komponenten und Anordnungen werden nachstehend beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Bemerke, dass diese nur Beispiele sind und nicht beabsichtigt sind, einschränkend zu sein. Zum Beispiel kann die Bildung eines ersten Merkmals über oder an einem zweiten Merkmal in der Beschreibung, welche folgt, Ausführungsformen einschließen, in denen die ersten und zweiten Merkmale in direktem Kontakt gebildet sind, und können ebenfalls Ausführungsformen einschließen, in denen zusätzliche Merkmale zwischen den ersten und zweiten Merkmalen gebildet sind, sodass die ersten und zweiten Merkmale nicht in direktem Kontakt sein können. Zusätzlich kann die vorliegende Offenbarung Bezugsziffern und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen.
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In der anschließenden Beschreibung bedeuten Formulierungen wie beispielsweise ”im Wesentlichem reines Gold”, ”im Wesentlichem reines Palladium” und usw..., dass erwartet wird, das sie reines Gold, reines Palladium und usw. ohne irgendwelche Verunreinigungen in der Ausgestaltung darstellen, weil es in der Praxis schwierig ist, mathematisch oder theoretisch reines Gold, reines Palladium und usw. aufgrund der Grenzen der angewandten Schmelz-, Veredelungs- und Filmbeschichtungsprozessen darzustellen, so ist es weniger möglich, Verunreinigungen aus den Rohmaterialien vollständig zu entfernen. Zusätzlich ist es, wenn eine Abweichung in einem annehmbaren Bereich eines entsprechenden Standards oder Spezifikation liegt, ebenfalls anerkannt, reines Gold, reines Palladium und usw. darzustellen. Von den Fachleuten wird erwartet, anzuerkennen, dass verschiedene Standards oder Spezifikationen von verschiedenen Eigenschaften und Bedingungen abhängen und folglich nicht speziell aufgelistet werden können.
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Spezifische Ausführungsformen der Erfindung für Legierungsdrähte und deren Herstellungsverfahren werden beschrieben. Es wird bemerkt, dass die Konzepte der Erfindung auf irgendwelche bekannten oder neu entwickelten Legierungsdrähte und deren Herstellungsverfahren angewendet werden können.
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Unter Bezugnahme auf 1A, 1B und 1C, welche einen Legierungsdraht 10 einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen, zeigt 1A schematisch ein Segment des Legierungsdrahts 10, stellt 1B einen längsgerichteten Querschnitt des in 1A gezeigten Legierungsdrahts 10 entlang einer Richtung parallel zu der Längsrichtung des in 1A gezeigten Legierungsdrahts 10 dar, und stellt 1C einen querverlaufenden Querschnitt des in 1A gezeigten Legierungsdrahts 10 entlang einer Richtung senkrecht zu Längsrichtung des in 1A gezeigten Legierungsdrahts 10 dar.
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Wie in 1A gezeigt ist, ist der Legierungsdraht 10 der ersten Ausführungsform der Erfindung aus einem Material hergestellt, welches ausgewählt ist aus einem aus einer Gruppe, bestehend aus einer Silber-Gold-Legierung, einer Silber-Palladium-Legierung und einer Silber-Gold-Palladium-Legierung. Wie in 1B gezeigt ist, zeigt der längsgerichtete Querschnitt des Legierungsdrahts 10 eine polykristalline Struktur einer flächenzentrierten Phase und den Legierungsdraht 10, welcher eine Vielzahl an Körner umfasst. Die meisten der Körner stellen equi-axiale Körner 12 dar. Großwinkelkorngrenzen 14 befinden sich zwischen jedem equi-axialen Korn 12. Eine Menge der Körner, welche Temperzwillinge 16 umfassen, beträgt 20 Prozent oder mehr der Gesamtmenge der Körner des Legierungsdrahts 10. Zusätzlich zu den beschriebenen equi-axialen Körnern 12 können einige schmale Körner 18 in einem zentralen Teil des Legierungsdrahts 10 vorhanden sein.
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Der ”zentrale Teil des Legierungsdrahts”, welcher in der ganzen Beschreibung beschrieben ist, meint den Legierungsdrahtteil in einem Bereich, welcher sich entlang der radialen Richtung des Legierungsdrahts von einer Achse des Legierungsdrahts zu Positionen mit einem Abstand von 30 Prozent des Legierungsdrahtradius von der Achse erstreckt. Der ”zentrale Teil des Legierungsdrahts” kann vollständig aus einer Vielzahl an schmalen Körnern 18 oder equi-axialen Körnern 12 zusammengesetzt sein, oder alternativ sowohl equi-axiale Körner 12 als auch schmale Körner 18 umfassen. Andere Teile des Legierungsdrahts jenseits des ”zentralen Teils des Legierungsdrahts” bestehen aus einer Vielzahl an equi-axialen Körnern 12.
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Als Nächstes unter Bezugnahme auf 2A, 2B und 2C, welche einen Legierungsdraht 20 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen, zeigt 2A schematisch ein Segment des Legierungsdrahts 20 der zweiten Ausführungsform der Erfindung, stellt 2B einen längsgerichteten Querschnitt des in 2A gezeigten Legierungsdrahts 20 entlang einer Richtung parallel zu der Längsrichtung des in 2A gezeigten Legierungsdrahts 20 dar, und stellt 2C einen querverlaufenden Querschnitt des in 2A gezeigten Legierungsdrahts 20 entlang einer Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des in 2A gezeigten Legierungsdrahts 20 dar.
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Eine zweite Ausführungsform der Erfindung stellt einen Legierungsdraht 20 bereit, welcher einen Basisdraht 21 und eine Metallbeschichtung 25 umfasst. Der Basisdraht 21 ist aus einem Material hergestellt, welches ausgewählt ist aus einem aus einer Gruppe, bestehend aus einer Silber-Gold-Legierung, einer Silber-Palladium-Legierung und einer Silber-Gold-Palladium-Legierung. Der Basisdraht 21 weist eine polykristalline Struktur einer flächenzentrierten Phase auf und umfasst eine Vielzahl an Körnern, wobei die meisten der Körner equi-axiale Körner 22 darstellen. Großwinkelkorngrenzen 24 befinden sich zwischen jedem equi-axialem Korn 22. Eine Menge der Körner, welche Temperzwillinge 26 umfassen, beträgt 20 Prozent oder mehr der Gesamtmenge der Körner des Basisdrahts 21. Zusätzlich zu den beschriebenen equi-axialen Körnern 22 können sich einige schmale Körner 28 in einem zentralen Teil des Legierungsdrahts 20 befinden, sodass der zentrale Teil des Legierungsdrahts 20 schmale Körner 28, equi-axiale Körner 22 oder deren Kombination umfassen kann. Die Metallbeschichtung 25 ist plattiert, den Basisdraht 21 überziehend. Das Metall 25 kann aus einer einzelnen Schicht oder einer Vielzahl an Schichten aus Metallfilmen zusammengesetzt sein. Die Metallbeschichtung 25 ist aus einem Material hergestellt, welches ausgewählt ist aus einem aus einer Gruppe, bestehend aus im Wesentlichen reinem Gold, im Wesentlichen reinem Palladium und einer Gold-Palladium-Legierung. Der Basisdraht 21, welcher durch die Metallbeschichtung 25 bedeckt ist, kann aufgrund chemischer Inertheit des Materials der Metallbeschichtung 25 gegen Korrosion geschützt werden. Die Metallbeschichtung 25 kann ebenfalls als ein Schmiermittel während der Drahtziehschritte verwendet werden. Zudem ist die Metallbeschichtung 25 bevorzugt zwischen 0,1 μm und 5,0 μm dick. Die Kornstruktur der Metallbeschichtung 25 ist nicht in 2B und 2C gezeigt.
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Die Silber-Gold-Legierung, Silber-Palladium-Legierung und Silber-Gold-Palladium-Legierung, welche in der ganzen Beschreibung beschrieben sind, meinen Legierungen, die Silber als eine Hauptzusammensetzung mit dazu zugesetztem Gold und/oder Palladium umfassen, wobei die Gehalte an Gold und Palladium nicht größer als der Gehalt an Silber sind, welches als die Hauptzusammensetzung fungiert.
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Weiterhin liegen Drahtdurchmesser der Legierungsdrähte 10 und 20 der ersten und zweiten Ausführungsformen der Erfindung zwischen 10 μm und 50 μm, welche für Drähte geeignet sind, welche beim Drahtbonden für Bauteile elektronischer Vorrichtungen verwendet werden. Bemerke, dass ein Nutzer ebenfalls die erfinderischen Legierungsdrähte auf andere technische Gebieten und Zwecke wie beispielsweise Audiodrähte, Signal- oder Stromübertragungsdrähte, Spannungsumwandlungsdrähte und usw. wie gewünscht anwenden kann. Der Drahtdurchmesser der erfinderischen Legierungsdrähte kann ebenfalls wie gewünscht modifiziert werden und ist nicht auf den beschriebenen Beispielbereich beschränkt.
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Eine der Charakteristiken des Legierungsdrahts der Erfindung ist, dass der Legierungsdraht eine polykristalline Struktur aufweist und eine Vielzahl an Körnern umfasst.
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Der zentrale Teil des Legierungsdrahts umfasst schmale Körner, und die anderen Teile des Legierungsdrahts bestehen aus equi-axialen Körnern. Ein durchschnittlicher Durchmesser der Körner liegt zwischen 1 μm und 10 μm, leicht größer als der durchschnittliche Durchmesser eines herkömmlichen Drahts zum Drahtbonden, welcher zwischen 0,5 μm und 1 μm liegt. Als eine Folge ist die Dichte der Großwinkelkorngrenzen des erfinderischen Legierungsdrahts verringert, was Nachteile mindert, welche durch die vielen Großwinkelkorngrenzen zwischen feinen Körnern, vorstehend beschrieben, verursacht werden. Eine wichtigere Charakteristik des Legierungsdrahts der Erfindung ist, dass mindestens 20 Prozent der Körner des erfinderischen Legierungsdrahts eine Temperzwillingsstruktur darin umfassen. Die Zwillingsgrenzen der Temperzwillingsstruktur stellen zusammenhängende Kristallstrukturen dar, die zu Σ3 speziellen Korngrenzen mit niedriger Energie gehören. Die Grenzflächenenergie der Zwillingsgrenzen beträgt nur 5 Prozent von der üblicher Großwinkelkorngrenzen (unter Bezugnahme auf George E. Dieter, Mechanical Metallurgy, McGRAW-HILL Book Company, 1976, S. 135–141). Die niedrigere Grenzflächenenergie der Zwillingsgrenzen verhindert, dass Zwillingsgrenzen Wege zur Oxidation, Sulfurierung und Chloridion-Korrosion darstellen und stellen folglich eine bessere antioxidative Aktivität und bessere Korrosionsbeständigkeit bereit. Weiterhin stellt die symmetrische Gitteranordnung der Temperzwillinge wenig Streuung zur Elektronenübertragung bereit und stellt folglich eine bessere elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit bereit. Ein solcher Effekt wurde in gepulsten elektrolytisch hergestellten Kupferfolien nachgewiesen (unter Bezugnahme auf L. Lu, Y. Shen, X. Chen, L. Qian, and K. Lu, Ultrahigh Strength and High Electrical Conductivity in Copper, Science, Bd. 304, 2004, S. 422–426). Die Zwillingsgrenzen der Niedrig-Energie-Zwillingsstruktur sind aufgrund niedrigerer Grenzflächenenergie stabiler als die üblichen Großwinkelkorngrenzen. Bei hohen Temperaturen ist es nicht nur leicht, die Zwillingsgrenzen nicht zu bewegen, sondern die Zwillingsgrenzen stellen ebenfalls einen Ankereffekt für die Großwinkelkorngrenzen um die Körner bereit. Als eine Folge können sich die Großwinkelkorngrenzen ebenfalls nicht bewegen, und kein sichtbares Kornwachstum tritt in der ganzen Kornstruktur auf. Sogar wenn der erste Bond (Ballbond) aus dem geschmolzenen Zustand auf Raumtemperatur während des Drahtbondens abkühlt, ist die ursprüngliche Korngröße des erfinderischen Legierungsdrahts immer noch in der Lage, gehalten zu werden, was verhindert, dass die wärmebeeinflusste Zone sich aufgrund von schnellem Kornwachstum bildet, welche aus Erstarrungswärme des Ballbonds resultiert, welche in dem herkömmlichen Feinkornstruktur-Metalldraht bei dem Ballbond gebildet wird, und was eine Abnahme der Festigkeit verhindert, welche aus dem Drahtziehtest resultiert. Andererseits ist eine Diffusionsrate von Atomen von oder durch die Zwillingsgrenzen außerordentlich niedrig, und das Auftreten der inneren Atombewegung in dem Legierungsdraht, eingeleitet durch eine hohe Stromdichte, ist ziemlich schwierig während der Verwendung der elektronischen Produkte. Das Elektronenwanderungsproblem, welches in den herkömmlichen Metalldrähten zum Drahtbonden auftritt, wie beschrieben, ist folglich gelöst. Es gibt eine Veröffentlichung, die belegt, dass die Zwillinge die Elektronenwanderung des Materials in dünnen Filmen aus Kupfer unterdrücken können (unter Bezugnahme auf K. C. Chen, W. W. Wu, C. N. Liao, L. J. Chen, and K. N. Tu, Observation of Atomic Diffusion at Twin-Modified Grain Boundaries in Copper, Science, Bd. 321, 2008, S. 1066–1069.). Um zusammenzufassen, der Legierungsdraht der Erfindung stellt eine bessere Qualität und Zuverlässigkeit als jene der herkömmlichen Metalldrähte bereit, wenn der Legierungsdraht der Erfindung als ein Draht zum Drahtbonden in Produkten von Halbleitervorrichtungen und Leuchtdioden verwendet wird.
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Weiterhin ist es notwendig, dass mindestens 20 Prozent der Körner des erfinderischen Legierungsdrahts eine Temperzwillingsstruktur darin umfassen, um die Effekte sichtbar zu machen. In den herkömmlichen Metalldrähten zum Drahtbonden kann die Temperzwillingsstruktur in seltenen Gelegenheiten gefunden werden. Die Menge an Körnern, welche die Temperzwillingsstruktur umfassen, beträgt jedoch 10 Prozent oder weniger der Gesamtkörner des herkömmlichen Drahts. Die herkömmlichen Metalldrähte können folglich nicht die vorstehend erwähnten Effekte bereitstellen, die von dem Legierungsdraht der Erfindung bereitgestellt werden.
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Detaillierter kann, obwohl die Korngröße des Legierungsdrahts der Erfindung leicht größer als die Korngröße der herkömmlichen Metalldrähte ist, die Bewegung von Versetzungen ebenfalls blockiert werden, um das Material aufgrund von vielen der Körner in dem Legierungsdraht der Erfindung zu festigen, welcher Temperzwillinge mit unterschiedlichen Kristallorientierungen von der der Körner umfassen, wo sich die Temperzwillinge befinden. Der Festigungsmechanismus ist von dem der herkömmlichen Metalldrähte mit feinkörnigen Strukturen verschieden, welche Großwinkelkorngrenzen erfordern, um die Bewegung der Versetzungen zu blockieren, aber Probleme einführen, welche die Drahtbondqualität und -zuverlässigkeit negativ beeinflussen. Der Legierungsdraht zum Drahtbonden, welcher Temperzwillingsstrukturen umfasst, kann folglich eine Zugfestigkeit aufweisen, die ähnlich oder höher zu der der herkömmlichen Metalldrähte ist, welche feinkörnige Strukturen umfassen. Die Duktilität des Legierungsdrahts der Erfindung ist jedoch höher als die der herkömmlichen Metalldrähte, weil die Versetzungen sich an den Zwillingsgrenzen akkumulieren können. Die mechanischen Eigenschaften des Legierungsdrahts der Erfindung sind folglich besser als jene der herkömmlichen Metalldrähte.
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Gemäß Mechanismen der Physikalischen Metallurgie (unter Bezugnahme auf George E. Dieter, Mechanical Metallurgy, McGRAW-HILL Book Company, 1976, S. 135–141. R. W. Cahn, Physical Metallurgy, 1970, S. 1184–1185) wird eine Formänderungsenergie in dem Material während der Kaltbearbeitung aufgebaut und Atome in einigen Bereichen in einem Korn werden durch die Formänderungsenergie angetrieben und scheren folglich gleichmäßig zu Gitterpunkten unter Bildung von Spiegelsymmetrie mit den Atomen, welche nicht in das Korn scheren, wo sich die Atome befinden. Als eine Folge werden die Temperzwillinge gebildet, und deren symmetrische Grenzflächen stellen Zwillingsgrenzen dar. Die Temperzwillinge treten hauptsächlich in Materialien mit kubisch-flächenzentrierten (FCC) Gittern auf, welche die dichtesten in einer Kristallgitteranordnung darstellen. Die Zwillingsgrenzen sind Σ3 speziale Grenzen mit niedriger Energie, und deren Kristallorientierungen sind alle {111} Ebenen. Im Vergleich zu den Großwinkelkorngrenzen, welche durch übliche Rekristallisation aufgrund des Temperns gebildet werden, beträgt die Grenzflächenenergie der Zwillingsgrenzen nur 5 Prozent von der der Großwinkelkorngrenzen. Zusätzlich zu der FCC-Gitterstruktur ist es im Allgemeinen einfacher, die Temperzwillinge in Materialien mit weniger Stapelfehlerenergie zu bilden. Die Stapelfehlerenergien von Gold, Silber, Palladium, Silber-Gold-Legierungen, Silber-Palladium-Legierungen und Silber-Gold-Palladium-Legierungen, welche in dem Legierungsdraht der Erfindung verwendet werden, betragen alle weniger als 100 erg/cm2, und es ist folglich einfach, die Temperzwillinge zu bilden. Obwohl Aluminium ein Material mit einer FCC-Gitterstruktur darstellt, ist es außerordentlich wenig möglich, Temperzwillinge in Aluminium zu bilden, weil die Stapelfehlerenergie von Aluminium ungefähr 200 erg/cm2 beträgt. Als eine Folge passt Aluminium nicht zu den Bedingungen des Legierungsdrahts der Erfindung.
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Der Legierungsdraht der Erfindung ist aus einem Material hergestellt, welches aus einem aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer Silber-Gold-Legierung, einer Silber-Palladium-Legierung und einer Silber-Gold-Palladium-Legierung. Die Stapelfehlerenergien der Silber-Gold-Legierung, der Silber-Palladium-Legierung und der Silber-Gold-Palladium-Legierung betragen alle weniger als 100 erg/cm2, unabhängig von dem Silbergehalt, Goldgehalt und Palladiumgehalt darin. Es ist bevorzugt, dass die Silber-Gold-Legierung 0,01 bis 30,00 Gewichtsprozent Gold und einen Ausgleich an Silber umfasst, die Silber-Palladium-Legierung 0,01 bis 10,00 Gewichtsprozent Palladium und einen Ausgleich an Silber umfasst und die Silber-Gold-Palladium-Legierung 0,01 bis 30,00 Gewichtsprozent Gold, 0,01 bis 10,00 Gewichtsprozent Palladium und einen Ausgleich an Silber umfasst, wenn andere Faktoren wie beispielsweise Rohmaterialkosten, Verfügbarkeit, Segregation während des Gießens, Formbarkeit während des Drahtziehens, Oxidationsbeständigkeit, Zugfestigkeit, Härte, Duktilität, Ballbondqualität beim Drahtbonden, Bindefestigkeit und usw. berücksichtigt werden.
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Weiterhin ist eine Kaltbearbeitungsverformung vor der Temperbehandlung ebenfalls eine kritische Bedingung. Durch ausreichende Kaltbearbeitungsverformung aufgebaute Formänderungsenergie kann Atome antreiben, Temperzwillinge zu bilden. Wenn die Kaltbearbeitungsverformung jedoch zu groß ist, werden Kerne von rekristallisierten Körnern frühzeitig in der primären Rekristallisationsstufe der Temperbehandlung induziert werden. Folglich wird eine Vielzahl von feinen Körnern gebildet, und es ist weniger möglich, Temperzwillinge zu bilden. Im Gegenteil wird eine Struktur herkömmlicher Drähte gebildet. Die feinen Körner stellen eine gute Zugfestigkeit und Duktilität bereit. Die vielen Großwinkelkorngrenzen in den herkömmlichen Metalldrähten streuen jedoch den Elektronenfluss und Wärmetransfer und vermindern ebenfalls eine antioxidative Aktivität und Korrosionsbeständigkeit der Metalldrähte. Während des Ballbildens des ersten Bonds zum Drahtbonden werden die feinen Körner mit einer Vielzahl an Großwinkelkorngrenzen grobe Körner während schnellem Kornwachstums aufgrund des Empfangens von hoher Wärmeenergie von der Erstarrungswärme des geschmolzenen Free-Air-Balls (FAB). Als eine Folge wird das Problem der wärmebeeinflussten Zone, das schrecklichste Problem während des Drahtbondens, induziert. Die Festigkeit in dem Drahtziehtest wird vermindert. Anschließend wird oft eine Elektronenwanderung aufgrund Atomübertragung in dem Material des Metalldrahts eingeführt, welche durch Strom verursacht wird, wenn die elektronischen Produkte elektrisch geladen werden und arbeiten. Diese Faktoren beeinflussen außerordentlich negativ die Zuverlässigkeit von verpackten Produkten von Halbleitervorrichtungen und Leuchtdioden.
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Folglich kann unter Bezugnahme auf das in 3 gezeigte Ablaufdiagramm ein Beispiel des Herstellungsverfahrens des Legierungsdrahts der ersten Ausführungsform der Erfindung die nachfolgenden Schritte 102, 104 und 106 umfassen.
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In dem Schritt 102 wird ein dicker Draht bereitgestellt, welcher aus einem Material hergestellt ist, welches von einem aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer Silber-Gold-Legierung, einer Silber-Palladium-Legierung und einer Silber-Gold-Palladium-Legierung.
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In dem Schritt 104 wird ein Drahtdurchmesser des dicken Drahts stufenweise zur Bildung eines dünnen Drahts mit einem Drahtdurchmesser weniger als dem des dicken Drahts unter Verwendung von N Schritten an Kaltbearbeitungsformschritten verringert. In jedem der (N – 1)ten und Nten Schritte der Kaltbearbeitungsformschritte beträgt die Verformung zwischen 1% und 15% im Vergleich zu einem prozessinternen Draht aus seinem unmittelbar vorangehenden Kaltbearbeitungsformschritt, wobei N eine positive ganze Zahl gleich 3 oder größer ist.
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In dem Schritt 106 werden N Schritte von Temperschritten an dem prozessinternen Draht jeweils zwischen jedem der Kaltbearbeitungsformschritte und nach dem Nten Schritt der Kaltbearbeitungsformschritte durchgeführt. Der (N – 1)te Schritt der Temperschritte zwischen dem (N – 1)ten und Nten Schritten der Kaltbearbeitungsformschritte wird bei einer Tempertemperatur zwischen 0,5 Tm und 0,7 Tm während einer Temperdauer zwischen 1 Sekunde und 10 Sekunden durchgeführt, wobei Tm ein Schmelzpunkt in der Kelvintemperaturskala des Materials des dicken Drahts darstellt. Der Nte Schritt der Temperschritte nach dem Nten Schritt der Kaltbearbeitungsformschritte wird bei einer Tempertemperatur zwischen 20 K und 100 K höher als die des (N – 1)ten Schritts der Temperschritte während einer Temperdauer zwischen 2 Sekunden und 60 Sekunden durchgeführt.
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Die Schritte 102, 104 und 106 führen zu dem dünnen Draht, welcher eine polykristalline Struktur einer flächenzentrierten Phase aufweist und welcher eine Vielzahl an Körnern umfasst und welcher Temperzwillinge in mindestens einigen der Körner bildet. Ein zentraler Teil des dünnen Drahts umfasst schmale Körner oder equi-axiale Körner, und die anderen Teile des dünnen Drahts bestehen aus equi-axialen Körnern. Eine Menge der Körner, welche die Temperzwillinge umfassen, beträgt 20 Prozent oder mehr der Gesamtmenge der Körner des dünnen Drahts.
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Weiterhin kann in den N Schritten der in Schritt 106 beschriebenen Temperschritte eine Tempervorrichtung verwendet werden, welche gleich zu denen ist, welche zur Herstellung herkömmlicher Drähte verwendet werden. Die Schrittmenge und die Temperbedingungen der anderen Temperschritte vor dem (N – 1)ten Temperschritt können gemäß Erfordernissen, Vorrichtungsbedingungen und/oder anderen Faktoren genau bestimmt werden, während die Bedingung, dass ”N eine positive ganze Zahl gleich 3 oder größer” nicht übertreten wird. Folglich werden nur die charakteristischen Temperbedingungen der Erfindung beschrieben, und Details im Hinblick auf Tempervorrichtungen, Temperschritte und Schrittmenge und Temperbedingungen von anderen Temperschritten werden abgekürzt.
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In den beschriebenen Schritten liegt ein Drahtdurchmesser des dicken Drahts bevorzugt zwischen 5 mm und 10 mm, und ein Drahtdurchmesser des dünnen Drahts liegt bevorzugt zwischen 10 μm und 50 μm. Der Legierungsdraht der Erfindung kann folglich für einen Draht zum Drahtbonden verwendet werden.
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In den beschriebenen Schritten stellt der Schmelzpunkt Tm der Silber-Gold-Legierung, der Silber-Palladium-Legierung und der Silber-Gold-Palladium-Legierung, welche als das Material des dicken Drahts fungieren, eine Temperatur für das Beginnen der Verflüssigung in der Kelvintemperaturskala der entsprechenden Zusammensetzung in dem betroffenen Gleichgewichtsphasendiagramm dar.
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In den beschriebenen Schritten bedeutet die ”Verformung” die Reduktionsrate der Querschnittfläche eines Materials während der Kaltbearbeitung.
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Unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm, wie es in 4 gezeigt ist, kann ein Beispiel des Herstellungsverfahrens des Legierungsdrahts der zweiten Ausführungsform der Erfindung Schritte 102, 103, 104 und 106 umfassen, wobei die Schritte 102, 104 und 106 die gleichen wie jene sind, welche in dem Beispiel des Herstellungsverfahrens des Legierungsdrahts der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben sind. Der Schritt 103 wird vor dem in 3 gezeigten Schritt 104 durchgeführt. In dem Schritt 103 wird eine oder mehrere Schichten einer Metallbeschichtung eine Oberfläche des dicken Drahts unter Verwendung von elektrischem Plattieren, Bedampfen oder Sputtern überziehend plattiert. Die Metallbeschichtung wird bevorzugt aus einem Material hergestellt, welches aus einem aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus im Wesentlichen reinem Gold, im Wesentlichen reinem Palladium und einer Gold-Palladium-Legierung. Weiterhin ist die Metallbeschichtung bevorzugt zwischen 0,1 μm und 10 μm dick. Als eine Folge ist die Erzeugung des Legierungsdrahts der zweiten Ausführungsform der Erfindung vollendet.
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Unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm, wie es in 5 gezeigt ist, kann ein anderes Beispiel des Herstellungsverfahrens des Legierungsdrahts der zweiten Ausführungsform der Erfindung Schritte 102, 104, 106 und 108 umfassen, wobei die Schritte 102, 104 und 106 die gleichen wie jene sind, welche in dem Beispiel des Herstellungsverfahrens des Legierungsdrahts der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben sind. Der Schritt 108 wird nach dem in 3 gezeigten Schritt 106 durchgeführt. In dem Schritt 108 wird eine oder mehrere Schichten einer Metallbeschichtung eine Oberfläche des dicken Drahts unter Verwendung von elektrischem Plattieren, Bedampfen oder Sputtern überziehend plattiert. Die Metallbeschichtung wird bevorzugt aus einem Material hergestellt, welches ausgewählt ist aus einem aus einer Gruppe, bestehend aus im Wesentlichen reinem Gold, im Wesentlichen reinem Palladium und einer Gold-Palladium-Legierung. Weiterhin ist die Metallbeschichtung bevorzugt zwischen 0,1 μm und 5 μm dick. Als eine Folge der Durchführung des Beispiels des Herstellungsverfahrens des Legierungsdrahts der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Legierungsdraht der zweiten Ausführungsform der Erfindung fertiggestellt.
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In jedem beschriebenen Verfahren stellen die Kaltbearbeitungsformschritte in dem Schritt 104 bevorzugt Drahtziehschritte, Extrusionsschritte oder deren Kombinationen dar.
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In jedem beschriebenen Verfahren umfasst ein Beispiel eines Verfahrens zur Bereitstellung des dicken Drahts bevorzugt den nachfolgenden Gießschritt 202 und Kaltbearbeitungsschritt 204 unter Bezugnahme auf das in 6 gezeigte Ablaufdiagramm.
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In dem Gießschritt 202 werden Rohmaterialien des Materials des dicken Drahts erhitzt und geschmolzen, gefolgt von Gießen zur Bildung eines Barrens.
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In dem Kaltbearbeitungsschritt 204 führt der Schritt eine Kaltbearbeitung an dem Barren zur Fertigstellung des dicken Drahts durch. Genauso kann der Kaltbearbeitungsschritt 204 ebenfalls ein Drahtziehschritt, ein Extrusionsschritt oder deren Kombinationen sein.
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In jedem beschriebenen Verfahren umfasst ein anderes Beispiel eines Verfahrens zur Bereitstellung des dicken Drahts bevorzugt den nachfolgenden Stranggießschritt 302 unter Bezugnahme auf die in 7 gezeigte schematische Zeichnung.
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In dem Stranggießschritt 302 werden Rohmaterialien des Materials des dicken Drahts erhitzt und geschmolzen, gefolgt von einem Stranggießprozess zur Bildung des dicken Drahts.
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In den beschriebenen Verfahren ist bevorzugt, dass die Silber-Gold-Legierung 0,01 bis 30,00 Gewichtsprozent Gold und einen Ausgleich an Silber umfasst, die Silber-Palladium-Legierung 0,01 bis 10,00 Gewichtsprozent Palladium und einen Ausgleich an Silber umfasst und die Silber-Gold-Palladium-Legierung 0,01 bis 30,00 Gewichtsprozent Gold, 0,01 bis 10,00 Gewichtsprozent Palladium und einen Ausgleich an Silber umfasst.
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Zusätzlich zu den Bedingungen der beschriebenen Herstellungsverfahren ist, wenn ein Draht, der zu dem in der Beschreibung beschriebenen Legierungsdraht der Erfindung passt, durch andere Verfahren wie beispielsweise verschiedene Kaltbearbeitungsverfahren, verschiedene Kaltbearbeitungsverformungen, verschiedene Temperbedingungen und usw. hergestellt wird, der Draht ebenfalls in dem Schutzumfang Erfindung enthalten.
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Die Erfinder studierten schwer über eine lange Zeitdauer und entdeckten geeignete Kaltbearbeitungsverformungsbedingungen unter Zusammenstellung optimaler Tempertemperaturen und Temperdauern, einen neuen Legierungsdraht fertigstellend, welcher eine Menge Temperzwillinge darin umfasst. Der neue Legierungsdraht stellt eine hohe elektrische Leitfähigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, hervorragende antioxidative Wirkung und hervorragende Korrosionsbeständigkeit bereit. Es ist äußerst interessant, dass die Zwillingsgrenzen die Elektronenwanderung effektiv unterdrücken können. Die Zwillingsgrenzen stellen einen Ankereffekt für die Großwinkelkorngrenzen um die Körner bereit, und es ist folglich nicht leicht, die Großwinkelkorngrenzen zu bewegen. Deshalb wird ein Kornwachstum unterdrückt und wird nahezu keine wärmebeeinflusste Zone gebildet. Andererseits können Temperzwillinge ebenfalls die Bewegung von Versetzungen blockieren, weil die Kristallorientierung von den Temperzwillingen von dem Korn verschieden ist, wo sich die Temperzwillinge befinden, und stellen folglich einen Verfestigungseffekt für das Material bereit. Deshalb ist die Zugfestigkeit des Legierungsdrahts der Erfindung ähnlich zu oder höher als die der herkömmlichen Metalldrähte, aber die Duktilität des Legierungsdrahts der Erfindung ist höher als die der herkömmlichen Drähte. Diese Vorteile stellen hervorragende Resultate in einem Zuverlässigkeitstest für verpackte Halbleitervorrichtungen und verpackte Leuchtdioden beim Drahtbonden unter Verwendung des Legierungsdrahts bereit, welcher viele Temperzwillinge umfasst. Zum Beispiel kann das elektronische Produkt, welches den Legierungsdraht der Erfindung verwendet, mehr als 128 Stunden lang Bedingungen von Ta = 121°C, 100%RF und 2 atm in dem strengsten Pressure-Cooker-Test (PCT) überstehen, und die Dauer von 128 Stunden ist viel höher als die Dauer von 96 Stunden, welche von dem Zuverlässigkeitstest für übliche elektronische Produkte benötigt wird. Das elektronische Produkt, welches den Legierungsdraht der Erfindung verwendet, kann mehr als 128 Stunden lang Bedingungen von Ta = 148°C, 90% RF und einer Vorspannung von 3,6 Volt in einem außerordentlich strengen Highly Accelerated Stress Test (HAST) überstehen, und die Dauer von 528 Stunden ist viel höher als die Dauer von 96 Stunden, welche von dem Zuverlässigkeitstest für übliche elektronische Produkte benötigt wird.
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Beispiel 1
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Eine Silber-8 Gew.-%-Gold-3 Gew.-%-Palladium-Legierung wird durch elektrisches Hochfrequenz-Schmelzen geschmolzen, gefolgt von Stranggießen zur Bildung eines dicken Drahts mit einem Drahtdurchmesser von 6 mm. Der dicke Draht wird ein dünner Draht mit einem Drahtdurchmesser von 22,6 μm nach einer Vielzahl an Schritten einer Drahtziehdehnungs- und Temperbehandlung, gefolgt von einer Durchführung des zweitletzten Schrittes der Drahtziehdehnung, ein dünner Draht mit einem Drahtdurchmesser von 20 μm werdend. Als Nächstes wird der dünne Draht bei 530°C 1,5 Sekunden lang getempert, gefolgt von einer Durchführung des letzten Schritts der Drahtziehdehnung, ein dünner Draht mit einem Drahtdurchmesser von 17,5 μm werdend. Schließlich wird der letzte Schritt der Temperbehandlung an dem dünnen Draht bei einer Tempertemperatur von 570°C 4,8 Sekunden lang durchgeführt. Den letzten Schritt der Temperbehandlung vollendend, wird der dünne Draht gewickelt, und dann ist ein Legierungsdrahtprodukt zum Drahtbonden fertig.
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Um zu prüfen, dass viele der Temperzwillingsstrukturen zu der hervorragenden Leistung des neuen Legierungsdrahts der Erfindung beitragen, wird die gleiche Legierung aus Silber-8 Gew.-%-Gold-3 Gew.-%-Palladium-Legierung verwendet, um einen dünnen Draht mit einem Drahtdurchmesser von 17,5 μm unter Verwendung herkömmlicher Drahtzieh- und Temperbedingungen zu bilden, welcher eine Kontrollgruppe in Bezug auf den Legierungsdraht mit vielen Temperzwillingsstrukturen der Erfindung darstellt. Es wird nicht erwartet, dass der Legierungsdraht der Kontrollgruppe viele Temperzwillingsstrukturen darin aufweist. Zudem werden die Eigenschaften des Legierungsdrahts ebenfalls mit jenen eines kommerziellen 4N reinen Golddrahts und einem Kupferdraht mit einer Palladiumbeschichtung verglichen.
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Eine Fotografie einer Metallografie-Struktur entlang eines längsgerichteten Querschnitts des erfindungsgemäßen Legierungsdrahts des Beispiel 1 zeigte, dass es einige schmale Körner gab, die in dem zentralen Teil des erfindungsgemäßen Legierungsdrahts vorhanden waren und andere Teile des erfindungsgemäßen Legierungsdrahts aus equi-axialen Körnern bestanden, wobei eine Menge der Körner, welche Temperzwillinge umfassten, mehr als 30 Prozent der Gesamtmenge der Körner des erfindungsgemäßen Legierungsdrahts betrug.
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Eine Fotografie einer Metallografie-Struktur entlang eines querverlaufenden Querschnitts des erfindungsgemäßen Legierungsdrahts des Beispiels 1 zeigte, dass eine Menge der Körner, welche Temperzwillinge umfassten, mehr als 40 Prozent der Gesamtmenge der Körner des erfindungsgemäßen Legierungsdrahts betrug, wie berechnet.
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Eine Fotografie einer Metallografie-Struktur entlang eines längsgerichteten Querschnitts des herkömmlichen Legierungsdrahts der Kontrollgruppe zeigte, dass es einige schmale Körner gab, welche mit einigen groben Körnern gemischt waren, welche in dem zentralen Teil des herkömmlichen Legierungsdrahts vorhanden waren, und andere Teile des herkömmlichen Legierungsdrahts aus feinkörnigen Strukturen bestehen, wobei eine Menge der Körner, welche Temperzwillinge umfassten, nur weniger als 10 Prozent der Gesamtmenge der Körner des herkömmlichen Legierungsdrahts betrug.
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Eine Fotografie einer Metallografie-Struktur entlang eines querverlaufenden Querschnitts des herkömmlichen Legierungsdrahts der Kontrollgruppe zeigt feinkörnige Strukturen, welche zeigten, dass eine Menge der Körner, welche Temperzwillinge umfassten, nur 15 Prozent der Gesamtmenge der Körner des herkömmlichen Legierungsdrahts betrug, wie berechnet.
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Genauso wiesen nur wenige Körner Temperzwillingsstrukturen auf, wie in den Fotografien der Metallografie-Struktur entlang längsgerichteter und querverlaufender Querschnitte des kommerziellen 4N reinen Golddrahts und des Kupferdrahts mit einer Palladiumbeschichtung gezeigt ist.
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Tatsächlich hat keine Veröffentlichung jemals offenbart, dass die vielen Temperzwillingsstrukturen der Charakteristika der Erfindung in herkömmlichen Metalldrähten zum Drahtbonden gefunden wurden (unter Bezugnahme auf George G. Harman, Reliability and Yield Problems of Wire Bonding in Microelectronics, National Institute of Standards and Technology, 1991 von der International Society for Hybrid Microelectronics.).
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8A und 8B sind Röntgenbeugungsdiagramme, wobei 8A das Röntgenbeugungsdiagramm des Legierungsdrahts des Beispiels 1 der Erfindung zeigt und 8B das Röntgenbeugungsdiagramm eines herkömmlichen Drahts zeigt. In 8A und 8B zeigt die X-Achse den Beugungswinkel an, und die Y-Achse zeigt die Beugungsintensität an, wobei die Einheit des Beugungswinkels ”Grad(e)” (°) darstellt, und die Einheit der Beugungsintensität üblicherweise eine ”Beliebige Einheit” darstellt, welche in den üblichen Röntgenbeugungsdiagrammen gekennzeichnet ist.
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Weiterhin zeigte im Vergleich zu den in 8A und 8B gezeigten Analyseergebnissen das Diagramm des Legierungsdrahts des Beispiels 1 der Erfindung eine sichtbare Spektrallinie von {111} Kristallorientierung. Die {111}-Spektrallinie stellt eine typische Kristallorientierungsspektrallinie von Temperzwillingen dar. Es gab keine sichtbare {111}-Spektrallinie in dem Röntgenbeugungsdiagramm des herkömmlichen Legierungsdrahts der Kontrollgruppe. Es gab ebenfalls keine sichtbare {111}-Spektrallinie, welche in dem Röntgenbeugungsdiagramm der Proben des kommerziellen 4N reinen Golddrahts und des Kupferdrahts mit einer Palladiumbeschichtung gefunden wurde. Als ein Ergebnis wurde bestätigt, dass es viele Temperzwillingsstrukturen in dem Material des Legierungsdrahts des Beispiels 1 der Erfindung gab.
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Um die hervorragenden Leistungen zu prüfen, die von dem Legierungsdraht mit vielen Temperzwillingsstrukturen der Erfindung bereitgestellt werden, um eine vollständige Darstellung der verbesserten Leistungen der Erfindung zu geben, wurde zuerst ein Zugtest durchgeführt. Die Testresultate zeigten, dass die Zugfestigkeiten des Legierungsdrahts mit vielen Temperzwillingsstrukturen der Erfindung und des Legierungsdrahts der Kontrollgruppe ungefähr 7.5 g betrugen, welche ähnlich zu den Zugfestigkeiten (zwischen 6,6 g und 10,7 g) des kommerziellen 4N reinen Golddrahts und des Kupferdrahts mit einer Palladiumbeschichtung sind. Die Dehnung des Legierungsdrahts mit wenigen Temperzwillingsstrukturen der Kontrollgruppe betrug jedoch nur 2.5%. Die Dehnung des Legierungsdrahts mit vielen Temperzwillingsstrukturen der Erfindung kann bei 4.5% liegen, was nahe an den Dehnungen (zwischen 4,0% und 6,0%) des kommerziellen 4N reinen Golddrahts und des Kupferdrahts mit einer Palladiumbeschichtung liegt.
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Dann wurde ein Test der elektrischen Eigenschaft durchgeführt. Die Testresultate zeigten, dass ein durchschnittlicher Wert des elektrischen Widerstands des Legierungsdrahts mit vielen Temperzwillingstrukturen des Beispiels 1 der Erfindung ungefähr 5.0 μΩ·cm betrug, wobei der minimale Wert darin 4.1 μΩ·cm betrug, welcher weniger als 5.5 μΩ·cm eines durchschnittlichen Werts des elektrischen Widerstands des Legierungsdrahts mit wenigen Temperzwillingsstrukturen der Kontrollgruppe war. Weiterhin war der elektrische Widerstand des Legierungsdrahts der Erfindung leicht größer als jene des kommerziellen 4N reinen Golddrahts (2.3 μΩ·cm) und des Kupferdrahts mit einer Palladiumbeschichtung (1.9 μΩ·cm).
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Um die Hochtemperaturstabilität des Legierungsdrahts mit vielen Temperzwillingsstrukturen des Beispiels 1 der Erfindung zu prüfen, wurden alle Arten der beschriebenen Drähte in einen Ofen mit Luftatmosphäre gelegt, welcher eine Wärmebehandlung bei 600°C 30 Minuten lang durchführte.
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Eine Fotografie einer Metallografie-Struktur des Legierungsdrahts mit vielen Temperzwillingsstrukturen des Beispiels 1 der Erfindung zeigte, dass die Korngröße nach der Wärmebehandlung nur leicht anstieg.
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Eine Fotografie der Metallografie-Struktur des herkömmlichen Legierungsdrahts der Kontrollgruppe zeigte, dass die Korngröße im Vergleich zu den ursprünglichen feinen Körnern abrupt anstieg und die angestiegene Korngröße größer als die des Legierungsdrahts des Beispiels 1 der Erfindung nach der Wärmebehandlung war.
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Weiterhin zeigte eine Fotografie einer Metallografie-Struktur des kommerziellen 4N reinen Golddrahts ein abruptes Kornwachstum nach der Wärmebehandlung, wobei die Korngröße nahe bei dem Drahtdurchmesser lag.
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Eine Fotografie einer Metallografie-Struktur des Kupferdrahts mit einer Palladiumbeschichtung zeigte, dass der Kupferdraht mit einer Palladiumbeschichtung nach der Wärmebehandlung nahezu vollständig oxidiert war, was zeigt, dass der Zusatz der Palladiumoberflächenbeschichtung nicht die beste Lösung ist, um das Oxidationsproblem von Kupferleitungen zu lösen.
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Um das Experiment zusammenzufassen, es wurde bestätigt, dass die Kornstruktur des Legierungsdrahts des Beispiels 1 der Erfindung die Bewegung der Korngrenzen aufgrund des Vorhandenseins von vielen Niedrigenergie-Zwillingen blockieren kann. Folglich zeigt im Vergleich zu dem herkömmlichen Legierungsdraht, dem kommerziellen 4N reinen Golddraht und dem Kupferdraht mit einer Palladiumbeschichtung der Legierungsdraht des Beispiels 1 der Erfindung eine hervorragende Hochtemperaturstabilität in Bezug auf die Bildung der wärmebeeinflussten Zone in dem Legierungsdraht nach dem Drahtbonden und eine hervorragende Zuverlässigkeitstestleistung.
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Free-Air-Balls (FAB) wurden durch eine Drahtbonden-Vorrichtung unter Verwendung des Legierungsdrahts mit vielen Temperzwillingsstrukturen des Beispiels 1 der Erfindung und des Legierungsdrahts mit wenigen Temperzwillingsstrukturen der, Kontrollgruppe hergestellt.
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Eine Fotografie der Querschnitt-Metallografie-Struktur des Free-Air-Balls des Legierungsdrahts mit wenigen Temperzwillingsstrukturen der Kontrollgruppe zeigte, dass die wärmebeeinflusste Zone 60 μm betrug und die Korngröße auf mehr als 10 Mal zu der der ursprünglichen Korngröße in der wärmebeeinflussten Zone wuchs.
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Eine Fotografie einer Querschnitt-Metallografie-Struktur des Free-Air-Balls des Legierungsdrahts mit vielen Temperzwillingsstrukturen des Beispiels 1 der Erfindung zeigte, dass die wärmebeeinflusste Zone nur ungefähr 15 μm betrug und die Korngröße auf weniger als 2 Mal auf die der ursprünglichen Korngröße in der wärmebeeinflussten Zone wuchs.
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Wie gezeigt, war die wärmebeeinflusste Zone in dem Legierungsdraht mit vielen Temperzwillingsstrukturen des Beispiels 1 der Erfindung außerordentlich klein, und das Kornwachstum verschlechterte nicht die Festigkeit des Kontakts des Balls.
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Halbleitervorrichtungen, welche durch ein Verfahren unter Verwendung des Legierungsdrahts mit vielen Temperzwillingstrukturen des Beispiels 1 der Erfindung fertiggestellt wurden, um ein Drahtbonden durchzuführen, überbestanden alle eine Reihe von Zuverlässigkeitstests. Die Resultate sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Halbleitervorrichtungen überstanden mehr als 128 Stunden lang Bedingungen des strengsten Pressure-Cooker-Tests (PCT), und die Dauer von 128 Stunden ist viel höher als die Dauer von 96 Stunden, welche für den Zuverlässigkeitstest für übliche elektronische Produkte erforderlich ist. Die Halbleitervorrichtungen überstanden mehr als 128 Stunden lang Bedingungen in einem außerordentlich strengen Highly Accelerated Stress Test (HAST), und die Dauer von 128 Stunden ist viel höher als die Dauer von 96 Stunden, welche für den Zuverlässigkeitstest für übliche elektronische Produkte erforderlich ist. Tabelle 1
| TESTGEGENSTAND | TESTBEDINGUNG | RESULTAT |
| 1. Vorbedingungstest | Einbrenn-(125 + 5–0°C, 24 Stunden)temperatur und Feuchtigkeitstest (30°C, 60% RF, 192 Stunden)
Reflow: (260 + 0/–5°C,3 Mal) | bestanden |
| 2. Pressure Cooker Test; PCT | Ta = 121°C, 100% RF, 2 atm
96 Stunden | bestanden |
| 3. Temperaturwechseltest; TCT | Ta = –65°C~150°C (Luft-zu-Luft-Wärmeschock), 15 Minuten/Kammer
1000 Durchläufe | bestanden |
| 4. Temperatur & Feuchtigkeitstest; THT | Ta = 85°C, 85% RF, keine Vorspannung
1000 Stunden | bestanden |
| 5. Hochtemperaturlagertest; HTST | Ta = 150°C
1000 Stunden | bestanden |
| 6. Niedrigtemperaturlagertest; LTST | Ta = –40°C
1000 Stunden | bestanden |
| 7. Lötfähigkeitstest | Dampfalterung: 93°C, 8 Stunden,
Löttauchen: 245°C, 5 Sekunden | bestanden |
| 8. Highly Accelerated Stress Test; HAST | Ta = 148°C, 90% RF, Vorspannung von 3,6 Volt
96 Stunden | bestanden |
| 9. Wärmeschocktest; TST | Ta = –65°C~150°C, 5 Minuten/Kammer
1000 Durchläufe | bestanden |
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Beispiel 2
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Eine Silber-8 Gew.-%-Gold-3 Gew.-%-Palladium-Legierung wird durch elektrisches Hochfrequenzschmelzen geschmolzen, gefolgt von Stranggießen, um einen dicken Draht mit einem Drahtdurchmesser von 6 mm zu bilden. Der dicke Draht wird ein dünner Draht mit einem Drahtdurchmesser von 22,6 μm nach einer Vielzahl von Schritten einer Drahtziehdehnungs- und Temperbehandlung, gefolgt von einer Durchführung des zweitletzten Schritts der Drahtziehdehnung, ein dünner Draht mit einem Drahtdurchmesser von 20 μm werdend. Als Nächstes wird der dünne Draht bei 650°C 10 Sekunden lang getempert, gefolgt von einer Durchführung des letzten Schritts der Drahtziehdehnung, ein dünner Draht mit einem Drahtdurchmesser von 17,5 μm werdend. Schließlich wird der letzte Schritt der Temperbehandlung an dem dünnen Draht bei einer Tempertemperatur von 700°C 60 Sekunden lang durchgeführt. Den letzten Schritt der Temperbehandlung vollendend, wird der dünne Draht gewickelt, und dann ist ein Legierungsdrahtprodukt zum Drahtbonden fertiggestellt.
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Eine Fotografie einer Metallografie-Struktur entlang eines längsgerichteten Querschnitts des erfindungsgemäßen Legierungsdrahts des Beispiels 2 zeigte, dass der ganze erfindungsgemäße Legierungsdraht aus equi-axialen Körnern besteht, wobei eine Menge der Körner, welche Temperzwillinge umfassten, mehr als 30 Prozent der gesamten Menge der Körner des erfindungsgemäßen Legierungsdrahts betrug.
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Eine Fotografie einer Metallographie-Struktur entlang eines längsgerichteten Querschnitts des erfindungsgemäßen Legierungsdrahts des Beispiels 2 nach Durchführung einer Wärmebehandlung in einem Ofen mit Luftatmosphäre bei 600°C 30 Minuten lang zeigte, dass die Korngröße nach der Wärmebehandlung nur leicht angestiegen ist.
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Während die Erfindung beispielhaft und in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte klar sein, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Es ist im Gegenteil beabsichtigt, verschiedene Modifikationen und ähnliche Anordnungen (wie sie dem Fachmann offensichtlich sein werden) abzudecken. Dem Schutzumfang der anhängenden Ansprüche sollte deshalb die breiteste Interpretation eingeräumt werden, um alle solche Modifikationen und ähnliche Anordnungen zu enthalten.