TWI394849B - 銀基合金線材及其製造方法 - Google Patents

Description

銀基合金線材及其製造方法

本發明係有關於銀基合金線材，且特別是有關於一種電子封裝打線接合之高可靠度的合金線材。

一般半導體及發光二極體(LED)之電子產品為了確保使用壽命，均要求良好的可靠度，而車用電子產品對可靠度的要求尤其嚴苛。以電動車的應用為例，電動車馬達控制單元的變頻器(Inverter)是將電池的電能轉換成車輛動能最重要元件，其最關鍵的絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor；IGBT)功率模組(power module)所承受的電壓與電流遠高於一般功率元件及消費性電子產品。另外，如高鐵、火車、捷運、工具機、廠房設備、船舶、電廠等也同樣需要使用高電壓大電流功率元件。針對這些高電壓大電流電子產品，其封裝打線接合需要可靠度更高的銲線材料。

封裝打線接合線材除了提供晶片與基板之訊號與功率傳輸，亦可兼具散熱功能，因此作為打線接合的金屬線材必須有極佳的導電性與導熱性，並且需要有足夠的強度與延展性。但為了避免打線接合之熱壓過程導致晶片破裂，同時使線材與銲墊接觸良好以確保良好的接合性，線材的硬度不能太高。此外，由於封裝之高分子封膠常含有腐蝕性氯離子，且高分子封膠本身具環境吸濕性，線材必須有良好的抗氧化性與耐腐蝕性。

另外，打線接合的第一接點(銲球點)從熔融狀態冷卻至室溫過程會有高熱量經由線材傳出，因而在銲球點附近的線材產生熱影響區(Heat Affected Zone)，亦即此區域的線材將因為熱量堆積而發生晶粒成長現象，產生局部的粗大晶粒，這些局部的粗大晶粒強度較低，導致拉線試驗(Wire Pull Test)時，線材會由此熱影響區斷裂而影響接合強度。

當半導體或發光二極體封裝完成，產品在使用過程，通過線材的高電流密度也可能帶動內部原子產生電遷移現象(Electron Migration)，使得線材一端形成孔洞，因而降低導電性與導熱性，甚至造成斷線及產品失效；通電流也可能使封裝線材局部燒熔，使電壓急速上升，最後同樣導致斷線及產品失效，此問題對於高電壓大電流電子產品的封裝尤其嚴重，是影響這些電子產品可靠度的主要因素。

目前常見的封裝導線，例如包括下列幾種選擇：

(1)金線：金線可具有低電阻率，但是金線與鋁墊打線接合界面會大量的形成脆性介金屬化合物(包括Au₂ Al、AuAl₄ 、Au₅ Al₂ 等)，使得導電性降低。此外，金/鋁界面介金屬反應會伴隨產生許多柯肯達孔洞(Kirkendall voids)，更加提高接合界面電阻率，而導致接點的可靠度降低。

(2)銅線：近年來，封裝產業開始採用銅線作為半導體及發光二極體打線接合的線材。銅線雖具有較佳的導電性，但卻很容易氧化，故在線材儲存及運送過程均需要密封保護，打線接合製程更需要昂貴的氮氣加氫氣輔助，且在後續封裝電子產品可靠度試驗仍然會遭遇氧化及腐蝕性的問題。此外，銅線材質太硬，打線接合容易造成晶片破裂等問題。雖然在一些研究中提出在銅線表面鍍上其他金屬鍍層以改善易氧化及腐蝕問題的方法(例如參照美國專利US 7645522B2、US 2003/0173659A1、US 7820913B2)，但由於銅線本身硬度高，造成打線接合步驟易失敗，故仍無法達到高電壓大電流電子產品封裝時所需的可靠度。

(3)銀線：銀是在所有材料中電阻率最低的元素，但是純銀在含硫的環境會有硫化腐蝕的問題，同時純銀線在鋁墊上打線接合時也會生成脆性的介金屬化合物(Ag₂ Al或Ag₄ Al)。此外，純銀線在含水氣的封裝材料內部很容易發生電解離子遷移現象(Ion Migration)。亦即，純銀在含水氣環境會經由電流作用水解溶出銀離子，再與氧反應成為不穩定的氧化銀(AgO)，此氧化銀因而會進行去氧化作用(Deoxidize)形成銀原子，並向正極成長出樹葉紋理狀(leaf vein)的銀鬚，最後造成正負電極的短路(請參考：H. Tsutomu,Metal Migration on Electric Circuit Boards,Three Bond Technical News,Dec. 1,1986.)。此外，在一些研究中提出在銀線表面鍍上其他金屬鍍層以改善硫化腐蝕及銀離子遷移的問題的方法(例如參照美國專利US 6696756)，但所形成的線材仍無法達到理想的可靠度及電阻率。

(4)合金線：合金線例如包括以金為主的合金以及以銀為主的合金。這些合金例如更包括銅、鉑、錳、鉻、鈣、銦等元素，然而這些合金線仍然無法同時兼具低阻抗及高可靠度的性質。

綜上所述，現有的各種純金屬線材、表面鍍金屬的複合線材、以及添加元素的合金線材都無法滿足高電壓大電流電子產品封裝的需求，因此，目前亟需一種具高可靠度的線材。

在本發明實施例中，提供一種銀基合金線材，其係至少由銀、鈀、鍺及鉑所形成之合金線材，其中該合金線材中銀：鈀的重量比=90~99.99：0.01~10，且鍺的含量在1500ppm以下，鉑的含量在350ppm以下，且該合金線材包括一中心部分及一外圍部分，且該中心部分具有長條形晶粒或等軸晶粒，該外圍部分具有等軸晶粒，且在該合金線材中具有退火孿晶結構(annealing twins structure)的晶粒數量佔該合金線材的所有晶粒數量的20%以上。

在本發明另一實施例中，提供一種銀基合金線材的製造方法，包括：提供一粗線材，該粗線材係至少由銀、鈀、鍺及鉑所形成之合金線材其中該合金線材中銀：鈀的重量比=90~99.99：0.01~10，且鍺的含量在1500ppm以下，鉑的含量在350ppm以下；以及交替進行複數道冷加工成形步驟及複數道退火步驟，以逐次縮減該粗線材的線徑而形成一細線材，其中，該些冷加工成形步驟及該些退火步驟至少包括下列步驟：進行倒數第二道冷加工成形步驟；之後，進行倒數第二道退火步驟，該倒數第二道退火步驟的退火溫度為0.5Tm~0.7Tm，退火時間為1~5秒，其中，Tm為該粗線材的材質的絕對溫標的熔點；之後，進行最後一道冷加工成形步驟，使得該最後一道冷加工成形步驟所形成的線材與該倒數第二道冷加工成形步驟所形成的線材之間的變形量為1%以上、不超過15%；以及之後，進行最後一道退火步驟，該最後一道退火步驟的退火溫度比倒數第二道退火步驟的退火溫度高20℃~100℃，退火時間為2~30秒。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

以下依本發明之不同特徵舉出數個不同的實施例。本發明中特定的元件及安排係為了簡化，但本發明並不以這些實施例為限。舉例而言，於第二元件上形成第一元件的描述可包括第一元件與第二元件直接接觸的實施例，亦包括具有額外的元件形成在第一元件與第二元件之間、使得第一元件與第二元件並未直接接觸的實施例。此外，為簡明起見，本發明在不同例子中以重複的元件符號及/或字母表示，但不代表所述各實施例及/或結構間具有特定的關係。

本發明提供一種銀基合金線材及其形成方法，除了藉由合金組成成分的控制之外，更由線材晶粒結構進行改良，使線材的可靠度可大幅提升。

在本發明一實施例中，銀基合金線材係至少由主成分銀添加鈀、鍺及鉑所形成之合金線材，該合金線材包括一中心部分及一外圍部分，且該中心部分具有長條形晶粒或等軸晶粒，該外圍部分具有等軸晶粒，且在該合金線材中具有退火孿晶結構(annealing twins structure)的晶粒數量佔該合金線材的所有晶粒數量的20%以上。

目前習知的合金線大多仍含有一定量的金元素，這些金原子在封裝打線接合時會與鋁墊形成介金屬化合物，造成接合界面脆裂，並伴隨著產生許多柯肯達孔洞(Kirkendall holes)，導致封裝產品接點的可靠度降低。因此，在本發明一較佳實施例中，合金線材以銀(Ag)為主成分，並完全避免添加金(Au)元素，故可避免脆性金鋁介金屬化合物的形成而提升合金線材的可靠度。此外，大量的退火孿晶結構可提升材料強度，故可提升可靠度。

第1圖顯示在本發明一實施例中之銀基合金線材的形成方法的流程圖。參照第1圖，在步驟102中，提供一粗線材，該粗線材係至少由銀、鈀、鍺及鉑所形成之合金線材。在步驟104中，交替進行複數道冷加工成形步驟及複數道退火步驟，以逐次縮減該粗線材的線徑，以形成一細線材。上述步驟的詳細方法敘述如下。

參照步驟102，提供一粗線材，該粗線材係至少由銀、鈀、鍺及鉑所形成之合金線材。銀、鈀、鍺及鉑之選擇是因為這四種元素在相平衡圖上可以完全互相固溶(Solid Solution)，不會產生任何脆性的介金屬相析出物，故所形成的合金線材可具有較佳的延展性，且鈀、鍺及鉑的添加也不會對電阻率有太大的影響。

經實驗發現，適量的鈀可以有效提升銀線材的抗氧化及抗硫化腐蝕能力，同時由於其擴散速率極低以及表面生成物的阻隔性，可以避免銀的離子遷移問題。此外，其對於銀與鋁墊的界面介金屬反應也有抑制效果。然而，當鈀的含量過高時，則會造成合金線材的電阻升高。此外，適量的鍺(Ge)可以有效提升線材的抗氧化及硫化性，同時可以提高銲點的接合強度，但是鍺的含量過高時，則會使線材延展性降低。另外，適量的鉑(Pt)可增強線材的抗氧化、硫化性及氯離子腐蝕性，並對於銀的離子遷移現象亦有明顯抑制效應，同時也減少銀合金線與鋁墊形成介金屬化合物，然而當鉑的含量過高時，則會使線材的電阻率明顯提高。

在一實施例中，粗線材中銀為主要成份，並添加鈀、鍺、鉑，其中鈀的含量約為0.01~10wt%；鍺含量在1500 ppm以下，較佳介於10 ppm~1500 ppm；鉑含量在350 ppm以下，較佳介於5 ppm~350 ppm；且銀、鈀、鍺、鉑的含量和為100wt%(例如，銀的含量約為90~99.99wt%)。在另一實施例中，合金線材更包括硼，且硼的含量在20 ppm以下，較佳介於1 ppm~20 ppm。在此實施例中，銀、鈀、鍺、鉑、硼的含量和為100wt%。適量的硼可以在銀合金產生晶界偏析(Grain Boundary Segregation)，一般雜質元素在材料晶界偏析大多會造成材料沿晶脆斷，但硼的晶界偏析不但不會引起晶界脆化，反而扮演晶界強化的有益角色，可以明顯提升線材的延展性及抗疲勞性。然而，硼的的含量過高時，仍會造成晶粒內部的脆化。在其他實施例中，上述粗線材也可包括其他元素，但應避免所添加的元素與銀形成介金屬相的析出物，造成材質脆化、腐蝕性提高、或導電性降低等問題。因此，所添加的元素較佳可以銀原子完全互溶而不會有析出物的形成，以確保線材的延展性。

應注意的是，在其他例子中，合金線材可更包括其他金屬、非金屬元素、或其他雜質成分，本發明並不限定為銀-鈀-鍺-鉑的四元合金或銀-鈀-鍺-鉑-硼的五元合金。因此，只要控制粗線材中銀：鈀的重量比=90~99.99：0.01~10，且銀為此粗線材的主要成份，且鈀、鍺、鉑、硼或其他成份的含量不大於銀的含量即在本發明之範疇內。此外，由於在實際冶煉、精煉、冷加工成形等的過程中，難以完全除去所有雜質而準確達成數學上或理論上的特定濃度，因此當上述雜質含量的範圍落於對應的標準或規格所訂定的允收範圍內，仍視為在本發明的範疇之內。本發明所屬技術領域中具有通常知識者應當瞭解依據不同的性質、條件、需求等等，上述對應的標準或規格會有所不同，故下文中並未列出特定的標準或規格。

在一實施例中，粗線材的形成方法係將銀、鈀、鍺及鉑加熱熔融後，經澆鑄而成為鑄錠。而後，對鑄錠進行冷加工，以形成上述至少由銀、鈀、鍺及鉑所形成之粗線材。在另一實施例中，則是將銀、鈀、鍺及鉑加熱熔融後，以連續鑄造的方式形成上述粗線材。在一實施例中，粗線材的線徑約為5~10 mm。

參照步驟104，交替進行複數道冷加工成形步驟及複數道退火步驟，以逐次縮減該粗線材的線徑。第2圖則顯示步驟104所述複數道冷加工成形步驟及退火步驟更詳細的步驟。在第2圖中，步驟104所述的複數道冷加工成形步驟及退火步驟至少包括下列步驟：在步驟104-1中，進行第一道冷加工成形步驟，該第一道冷加工成形步驟所形成的線材之間的變形量為10%以上、不超過90%。。在步驟104-2中，進行第一道退火步驟，該第一道退火步驟的退火溫度為0.5Tm~0.7Tm，退火時間為1~10秒，其中，Tm為該粗線材的材質的絕對溫標的熔點。步驟104-1及104-2的冷加工成形步驟及退火步驟可視需要重複交替進行數次。而後，在步驟104-3中，進行倒數第二道冷加工成形步驟。在步驟104-4中，進行倒數第二道退火步驟，該倒數第二道退火步驟的退火溫度為0.5Tm~0.7Tm，退火時間為1~5秒，其中，Tm為該粗線材的材質的絕對溫標的熔點。在步驟104-5中，進行最後一道冷加工成形步驟，使得該最後一道冷加工成形步驟所形成的線材與該倒數第二道冷加工成形步驟所形成的線材之間的變形量為1%以上、不超過15%。上述變形量係指因冷加工成形步驟而對被冷加工的材料所造成的截面積縮減率。在步驟104-6中，進行最後一道退火步驟，該最後一道退火步驟的退火溫度比倒數第二道退火步驟的退火溫度高20℃~100℃，退火時間為2~30秒。應注意的是，在一實施例中，步驟104也可只進行二道冷加工成形步驟(步驟104-3、104-5)及二道退火步驟(步驟104-4、104-6)。

在一實施例中，上述冷加工成形步驟包括抽線、擠型或前述之組合。或者，上述冷加工成形步驟及退火步驟可為任何已知或未來發展的冷加工/退火方式。

在上述冷加工成形及退火步驟後所形成的細線材為至少由銀、鈀、鍺及鉑所形成之合金線材，其中，該合金線材包括一中心部分及一外圍部分，且該中心部分具有長條形晶粒或等軸晶粒，該外圍部分具有等軸晶粒，且在該細線材中具有退火孿晶結構(annealing twins structure)的晶粒數量佔該細線材的所有晶粒數量的20%以上。在一實施例中，細線材的線徑為10~50 μm。相較於傳統的金屬線材，上述細線材可具有較佳的可靠度。

上述退火孿晶結構的形成原因可根據物理冶金學原理推論(請參考George E. Dieter,Mechanical Metallurgy,McGRAW-HILL Book Company,1976,P. 135-141.及R.W. Cahn,Physical Metallurgy,1970,P.1184-1185)。退火孿晶結構的形成是由於在冷加工製程時在材料內部累積應變能(strain)，這些應變能在後續退火熱處理時會驅動部分區域之原子均勻剪移(Shear)至與其所在晶粒內部未剪移原子形成相互鏡面對稱之晶格位置，此即為退火孿晶(Annealing Twin)，而其相互對稱之界面即為孿晶界(Twin Boundary)。退火孿晶主要發生在晶格排列最緊密之面心立方(Face Centered Cubic；FCC)結晶材料，其孿晶界為低能量之Σ3特殊晶界，結晶方位均為{111}面。相較於一般退火再結晶(Recrystallization)所形成高角度晶界(High Angle Grain Boundary)，孿晶界的界面能大約只有高角度晶界的5%。此外，一般而言，疊差能(Stacking Fault Energy)愈小的材料愈容易產生退火孿晶，而合金線材的主要成份銀、鈀的疊差能均大約在50 erg/cm² 以下，故容易形成退火孿晶。亦即，並非所有金屬都能輕易形成孿晶結構。例如，鋁雖為面心立方結晶構造材料，但其疊差能大約200 erg/cm² ，故極少出現退火孿晶。

此外，第2圖所述的冷加工成形步驟也為退火孿晶結構形成的因素之一。足夠的冷加工變形量所累積應變能可提供原子驅動力以產生退火孿晶，但如果冷加工變形量太大，在退火熱處理初始再結晶(Primary Recrystallization)階段即會引發多數晶粒成核(Nuclei of Recrystallized Grains)，因而形成大量的微細晶粒，降低退火孿晶的產生機會。應注意的是，第2圖所述形成合金線材的方法僅為本發明一較佳實施例，然而本發明之合金線材的形成方法並非以此為限。

第3A、3B圖顯示本發明一實施例所形成之銀基合金線材300。第3A圖顯示銀基合金線材300的一部分的線段的示意圖。第3B圖顯示沿著平行於第3A圖所示合金線材300的長度方向的縱切面圖。

參照第3A圖，銀基合金線材300為主成分銀至少添加鈀、鍺、鉑所形成的合金線材。參照第3B圖，合金線材300的縱切面為面心立方(face-centered cubic)晶相的多晶結構(polycrystalline structure)，且整體皆為等軸晶粒302。此外，各晶粒之間是以高角度晶界304為界，其中具有退火孿晶結構(annealing twins structure)306的晶粒的數量，是佔此銀基合金線材300的所有晶粒數量的20%以上。在一較佳實施例中，退火孿晶結構的晶粒的數量佔合金線材的所有晶粒數量的30%至60%，其中，等軸晶粒302的尺寸例如介於0.1μm至6μm，其長徑比介於1至2。在第3C圖中，合金線材雖大體仍為等軸晶粒302，但其中心部分更包括長條形晶粒308。其中，長條形晶粒的長徑比大於2。上述中心部位係指從線材的軸心起算沿著線材半徑方向的30%的線材半徑值的範圍內的部位。

在一實施例中，合金線材300中銀：鈀的重量比=90~99.99：0.01~10，鍺含量在1500 ppm以下，較佳介於10 ppm~1500 ppm。鉑含量在350 ppm以下，較佳介於5 ppm~350 ppm。其中，銀為此合金線材300的主要成份，鈀、鍺、鉑或其他成份的含量不大於銀的含量。在另一實施例中，合金線材更包括硼，且硼的含量在20 ppm以下，較佳介於1 ppm~20 ppm。上述合金之優點例如包括：1.未添加金，故可避免金鋁界面介金屬脆裂；2.添加鈀以改善銀合金線材的抗腐蝕及離子遷移破壞，並且抑制銀合金線與鋁墊的界面介金屬反應；3.添加鍺以增強銀合金線材的抗氧化及硫化性，同時提高銲點的接合強度；4.添加鉑以增強線材的抗氧化、硫化性及氯離子腐蝕性，同時抑制銀的離子遷移現象及銀/鋁界面介金屬反應；5.添加硼以強化合金晶界，提升線材的延展性及抗疲勞性。

然而，應注意的是，上述銀基合金線材雖以銀為主要成分並包含特定比例的鈀、鍺、鉑、硼，然而本發明之範疇並非以此為限。在其他例子中，銀基合金線材可更包括其他金屬、非金屬元素、或其他不可避免的雜質成分。應注意的是，其他金屬元素的添加需視應用上的需要調整，以避免影響合金線材的性質。例如，在上述合金線材中加入銅時，固然會產生材質強化效應，但是銅元素會使合金線材的抗氧化及硫化腐蝕性能大幅降低，而且由於銀-銅合金會在晶界產生不連續析出物，而造成斷線。此外，銅也會使合金的硬度增高變脆，使得抽線製程困難，同時在打線接合過程也容易造成晶片擊穿。

另外，雖然添加稀土元素可以使合金的晶粒細化，但對於封裝打線接合的線材應用需求，細晶粒有較多晶界，這些晶界會阻礙電子傳輸，使合金電阻率提高，故不適用於高速運作及高頻積體電路電子產品之封裝需求。此外，稀土的化學活性會提高其氧化及腐蝕破壞，使得封裝線材在通電流時較容易熔斷，而不利於電子產品的可靠度。再者，在合金中添加鈣會使材料延展性變差；在合金中添加低熔點的銦或錫會形成低溫相，使線材耐溫性變差，持續通電流容易造成線材融斷；添加鈹(Be)為具毒性之易燃性固體，乾燥粉塵或煙霧都是有毒的；添加釕(Ru)、銠(Rh)、鋨(Os)、銥(Ir)時，其熔點(分別為2310℃、1965℃、3045℃和2410℃)均遠高於銀的沸點(2212℃)，因此其熔煉極為困難，且會大幅增加電阻率。又，部分添加元素在相平衡圖上會與銀形成介金屬相的析出物(Precipitation)，而造成材質的脆化及較高腐蝕性，更會降低線材的導電性。

相較於傳統的線材，本發明各種實施例中之合金線材例如可具有下列優點，包括：

(1)電阻低：

雖然銀具有較低的電阻率，但在傳統製程中之銀線材之晶粒係微細晶粒(平均粒徑約為0.5~2 μm)，故具有大量高角度晶界，因而造成電阻率提高。此外，銀線材在鋁墊上打線接合時會生成脆性的介金屬化合物(鋁化二銀(Ag₂ Al)或鋁化四銀(Ag₄ Al))，故會造成導電性降低。

而本發明之合金線材係包括大量的退火孿晶(Annealing Twin)，退火孿晶組織的孿晶界(Twin Boundary)為調諧(Coherent)結晶構造，屬於低能量之Σ3特殊晶界，其界面能僅為一般高角度晶界的5%。因此這些退火孿晶之對稱晶格排列對電子傳輸的阻礙極小，而能展現較低的電阻率。

(2)機械強度佳：

本發明各實施例中之合金線材中包括至少20%的晶粒內部含有退火孿晶(Annealing Twin)組織，故可維持線材較佳的機械強度。更進一步說明，由於孿晶結構與其所在之晶粒具有不同結晶方位(Crystal Orientation)，因此可以阻擋差排(Dislocation)的移動，而產生材料強化效應。藉此可維持與一般微細晶粒結構線材相近之拉伸強度，但由於差排及原子可經由孿晶界跨移(Cross Slip)，其延展性反而高於一般微細晶粒形成的線材。

(3)具抗氧化、抗腐蝕能力：

一般而言，銀在含硫環境下常有硫化腐蝕的問題，故會在銀上鍍其他貴金屬以避免硫化。然而，貴金屬在打線接合結球過程也會完全溶入熔融的銀銲球基材內，使得打線接合完成的球銲點成分僅是含微量保護性貴金屬的銀合金，因此打線接合的球銲點仍會發生硫化腐蝕現象，因此仍無法有效避免銀電解離子遷移所造成球銲點短路現象，以及在鋁墊打線接合時的柯肯達孔洞效應。

然而，本發明各實施例中之合金線材中包括至少20%的晶粒內部含有退火孿晶(Annealing Twin)組織，由於孿晶界的較低的界面能，可以避免成為氧化、硫化及氯離子腐蝕的路徑，故能展現較佳的抗氧化性與耐腐蝕性。

(4)封裝過程中晶粒成長不易：

傳統的線材之微細晶粒結構經過打線接合後，銲球點凝固熱量在其附近線材累積，會使得其晶粒迅速成長而形成熱影響區，因而降低拉線試驗強度。然而，本發明各實施例之合金線材至少20%的晶粒內部含有退火孿晶(Annealing Twin)組織，這些退火孿晶(Annealing Twin)組織具有較低的界面能，結構較一般高角度晶界穩定。因此，不僅在高溫狀態下孿晶界本身不易移動，更會對其所在晶粒之周圍的高角度晶界產生固鎖作用，使這些高角度晶界亦無法移動，因而整體晶粒組織不會有明顯晶粒成長現象。故即使在打線接合過程中第一接點(銲球點)從熔融狀態冷卻至室溫，也可以維持原有晶粒尺寸。此外，當封裝產品在經歷各種高溫可靠度試驗時，也較不易導致晶粒不穩定成長。

(5)電子遷移率低：

在傳統製程中，純銀線材在含水氣的封裝材料內部很容易發生電解離子遷移現象(Ion Migration)，最後造成正負電極的短路。此外，純銀線與鋁墊打線接合時，由於銀在鋁原子基地(Matrix)的擴散係數較鋁原子在銀基地快大約10² 至10³ 倍，此一界面擴散速度的巨大差異會造成所謂的柯肯達孔洞，導致電阻率升高及打線接合銲球失效。

而在本發明的合金線材中，由於原子經由低能量孿晶界或跨越孿晶界的擴散速率極低，因此當應用於電子產品時，即使在高密度電流下其線材內部原子也不易移動。

綜合上述優點，本發明之合金線材可以用於要求高可靠性的高電壓大電流電子產品，尤其是功率元件的封裝打線接合用的線材。當然，依使用者的需求，亦可將本發明之合金線材應用於其他技術領域與用途，例如：音響線、訊號或功率傳輸線、變壓器線等，而合金線材的線徑亦可依據需求加以變化，而不限定為上述例示的範圍。

此外，經實驗發現，合金線材中至少20%的晶粒含有退火孿晶結構才可達到上述優點。因此，雖然在習知打線接合用的金屬線材的製程中，或許偶有出現退火孿晶結構的情況，但是含退火孿晶結構的晶粒數量通常為線材所有的晶粒的10%以下或甚至完全不含退火孿晶結構，故仍然無法具有上述之優點。

本發明經過諸位發明人長久、精心的研究，利用特定組成的合金元素並配合冷加工變形量與退火溫度時間的控制，可形成內部含有大量退火孿晶的材料組織，獲得一種可具低電阻率、高導熱性、高強度、高延展性、優良抗氧化腐蝕性之封裝導線。更詳細而言，合金組成提供導電性與機械性質的最佳協調，孿晶界則具有可以有效抑制電遷移現象、提升材料強度及延展性等特性，因此在進行打線接合的封裝時，不僅具有極低的電阻率，且在可靠度試驗時更展現極佳的成績。例如，在最嚴苛的壓力鍋測試(Pressure Cooker Test；PCT)中，在溫度(Ta)=121℃、相對溼度(RH)=100%、2大氣壓的條件下可耐受128小時以上，遠高於一般電子產品可靠度測試所要求96小時。在另一實施例中，在高度加速壽命試驗中(Highly Accelerated Stress Test；HAST)，在溫度(Ta)=148℃、相對溼度(RH)=90%、3.6伏特的偏壓的條件下可達到128小時以上，也遠高於一般電子產品可靠度測試規範所要求96小時。因此，在本發明各實施例中之合金線材可以應用於各種高速電源交換積體電路中，例如輸入電壓範圍在4.5V至17V，工作頻率1200KHZ的壓降型直流式電壓交換積體電路(Buck DC/DC Converter)，而不限於應用在一般速度較慢的500KHZ以下的壓降型直流式電壓交換積體電路。

【比較例1】具少量孿晶組織的合金線材

利用高週波電熱真空熔煉合金，其合金組成為Ag-8wt%Au-3wt%Pd-0.005wt.%La。將上述合金以連續鑄造方式獲得線徑6 mm之粗線材。進行8次冷加工成形步驟抽線延伸與退火熱處理，以形成線徑25.4 μm之細線材。而後，進行倒數第二道冷加工成形步驟抽線延伸而成為線徑22.6μm之細線材，再經過600℃退火5秒。最後進行最後一道冷加工成形步驟抽線形成17.5μm之細線材，並進行最後一道退火步驟，其退火溫度為700℃、退火時間為10秒。完成最終退火步驟後，捲線完成打線接合所需要之合金線材產品。

第4圖顯示此比較例1之合金線材的剖面圖，其中心部位具有長條形晶粒及少數非常粗大的等軸晶粒，外圍則具有微細的等軸晶粒，其晶粒尺寸大約1μm，退火孿晶結構大約只佔總晶粒數量的10%。

將上述具少量退火孿晶結構之合金線材通過0.2A的電流1200小時進行測試，結果如第5圖所示。參照第5圖，比較例1的合金線材在通電流後，中心部位的長條形晶粒消失，整體晶粒尺寸則大幅成長大約8μm，且線材發生燒熔現象。

【實施例1】具大量孿晶組織的合金線材

利用高週波電熱熔煉以銀為主要成份的合金，其成分可參照表1。表1顯示合金中鈀、鍺、鉑、硼的含量，而合金中的其他成分則為銀。亦即，銀的含量及表1中鈀、鍺、鉑、硼的含量總合達到100wt%。將上述合金以連續鑄造方式獲得線徑6 mm之粗線材。進行12次冷加工成形步驟抽線延伸與退火熱處理，以形成線徑22.6 μm之細線材。而後，進行倒數第二道冷加工成形步驟抽線延伸而成為線徑20μm之細線材，再經過530℃退火2秒。最後進行最後一道冷加工成形步驟抽線形成17.5μm之細線材，並進行最後一道退火步驟，其退火溫度為600℃、退火時間為15秒。完成最終退火步驟後，捲線完成打線接合所需要之合金線材產品。

第6圖顯示在實施例1所列表1各種組成銀基合金線材中組成10之Ag-3.2wt.%Pd-50ppmGe-50ppmPt合金線材的剖面圖，其中心部位具有長條形晶粒，外圍的等軸晶粒尺寸大約4μm，大於比較例1合金線材的外圍等軸晶粒。如第6圖所示，實施例1之合金線材有超過總晶粒數量30%的晶粒具有退火孿晶結構。

將上述合金線材通過0.2A的電流1200小時進行測試，結果如第7圖所示。參照第7圖，實施例1中組成10的合金線材在通電流後，中心部位的長條形晶粒消失，外圍的等軸晶粒僅略微成長，且線材未發生燒熔現象(對照比較例1之第5圖)。

可靠度測試：

另外，利用實施例1中組成10之合金線材進行打線接合以形成高速電源交換器產品，並對此高速電源交換器產品進行一系列可靠度試驗，其結果綜合示於表2，其中最嚴苛的壓力鍋測試(Pressure Cooker Test,PCT)實際可耐受128小時以上，遠高於一般電子產品可靠度測試所要求96小時，另一同樣嚴苛的高加速壽命試驗(Highly Accelerated Stress Test,HAST)實際可達到128小時以上，也遠高於一般電子產品可靠度測試規範所要求96小時。

表3則顯示在各實施例中不同金屬成分比例所形成的合金線材的性質及可靠度測試結果。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

300．．．合金線材

302．．．等軸晶粒

304．．．高角度晶界

306．．．退火孿晶結構

308．．．長條形晶粒

第1圖顯示在本發明一實施例之銀基合金線材的形成方法的流程圖。

第2圖顯示步驟104所述複數道冷加工成形步驟及退火步驟更詳細的步驟。

第3A-3C圖顯示本發明一實施例所形成之銀基合金線材。第3A圖顯示合金線材外觀，第3B圖顯示整體線材均為等軸晶粒，第3C圖顯示線材的中心部位具有長條形晶粒，外圍則具有等軸晶粒。

第4-5圖顯示本發明一比較例之合金線材。第4圖為原先的合金線材，第5圖則顯示通電流試驗後的合金線材。

第6-7圖顯示本發明一實施例之合金線材。第6圖為原先的合金線材，第7圖則顯示通電流試驗後的合金線材。

300．．．合金線材

302．．．等軸晶粒

304．．．高角度晶界

306．．．退火孿晶結構

308．．．長條形晶粒

Claims (15)

1. 一種銀基合金線材，其係至少由銀、鈀、鍺及鉑所形成之合金線材，其中該合金線材中銀：鈀的重量比=90~99.99：0.01~10，且鍺的含量在1500ppm以下，鉑的含量在350ppm以下，且該合金線材包括一中心部分及一外圍部分，該中心部分具有長條形晶粒或等軸晶粒，該外圍部分具有等軸晶粒，且在該合金線材中具有退火孿晶結構的晶粒數量佔該合金線材的所有晶粒數量的20%以上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之銀基合金線材，其中該等軸晶粒的長徑比介於1至2。
3. 如申請專利範圍第1項所述之銀基合金線材，其中該長條形晶粒的長徑比大於2。
4. 如申請專利範圍第1項所述之銀基合金線材，其中該合金線材的晶粒尺寸介於0.1至6 μm。
5. 如申請專利範圍第1項所述之銀基合金線材，其中該合金線材的線徑介於10至50μm。
6. 如申請專利範圍第1項所述之銀基合金線材，其中該合金線材更包括硼。
7. 如申請專利範圍第5項所述之銀基合金線材，其中該合金線材中的硼含量在20ppm以下。
8. 一種銀基合金線材的製造方法，包括：提供一粗線材，該粗線材係至少由銀、鈀、鍺及鉑所形成之合金線材，其中該合金線材中銀：鈀的重量比=90~99.99：0.01~10，且鍺的含量在1500ppm以下，且鉑的含量在350ppm以下；以及交替進行複數道冷加工成形步驟及複數道退火步驟，以逐次縮減該粗線材的線徑而形成一細線材，其中，該些冷加工成形步驟及該些退火步驟至少包括下列步驟：進行倒數第二道冷加工成形步驟；之後，進行倒數第二道退火步驟，該倒數第二道退火步驟的退火溫度為0.5Tm~0.7Tm，退火時間為1~5秒，其中，Tm為該粗線材的材質的絕對溫標的熔點；之後，進行最後一道冷加工成形步驟，使得該最後一道冷加工成形步驟所形成的線材與該倒數第二道冷加工成形步驟所形成的線材之間的變形量為1%以上、不超過15%；以及之後，進行最後一道退火步驟，該最後一道退火步驟的退火溫度比倒數第二道退火步驟的退火溫度高20℃~100℃，退火時間為2~30秒。
9. 如申請專利範圍第8項所述之銀基合金線材的製造方法，其中，該細線材包括一中心部分及一外圍部分，且該中心部分具有長條形晶粒或等軸晶粒，該外圍部分具有等軸晶粒，且在該細線材中具有退火孿晶結構的晶粒數量佔該細線材的所有晶粒數量的20%以上。
10. 如申請專利範圍第8項所述之銀基合金線材的製造方法，其中該些冷加工成形步驟包括抽線、擠型或前述之組合。
11. 如申請專利範圍第8項所述之銀基合金線材的製造方法，其中該粗線材的提供，包括下列步驟：將銀、鈀、鍺及鉑加熱熔融後，經澆鑄而成為一鑄錠；以及對該鑄錠進行冷加工，以形成該粗線材。
12. 如申請專利範圍第8項所述之銀基合金線材的製造方法，其中該粗線材的提供，包含下列步驟：將銀、鈀、鍺及鉑加熱熔融後，以連續鑄造的方式形成該粗線材。
13. 如申請專利範圍第8項所述之銀基合金線材的製造方法，其中該粗線材的線徑為5~10 mm，該細線材的線徑為10~50 μm。
14. 如申請專利範圍第8項所述之銀基合金線材的製造方法，其中該粗線材中更包括硼。
15. 如申請專利範圍第14項所述之銀基合金線材的製造方法，其中該粗線材中的硼含量在20ppm以下。