耐電熱銀基雙相線及其製造方法

2023-10-09 05:03:19 1

耐電熱銀基雙相線及其製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種耐電熱銀基雙相線及其製造方法。該耐電熱銀基雙相線的製造方法是先在銀線中形成不超過8wt.%納米鋁粒，並使這些鋁粒在銀基底中均勻分布；接著，在銀基線的表面鍍上厚度不小於32nm的鉻層；最後，再將鍍有鉻層的銀基線進行熱處理，使鉻層的鉻離子進入銀基線，並在銀基線的表面形成抗氧化層，其中抗氧化層包含有Ag2Cr相和AgAl7Cr相，即為耐電熱銀基雙相線。
【專利說明】耐電熱銀基雙相線及其製造方法

【技術領域】
[0001] 本發明關於一種耐電熱銀基雙相線及其製造方法，尤其是指一種適用於半導體封 裝、IC封裝或發光二極體封裝的耐電熱銀基雙相線及其製造方法，通過摻雜納米純鋁粒進 入銀線中，以及在銀基線表面鍍鉻層再熱處理的程序，形成具有Ag2Cr相及AgAl7Cr相的銀 基雙相線，達到提升銀基雙相線的抗氧化性與熱穩定性和保有優異耐熔斷電流的功效，同 時以適當的熱處理條件控制殘留鍍鉻層，使其成為非鍍層的熱擴散線材，進而能有效抑制 打線界面金屬間化合物生成厚度（例如Ag 2Al或Ag4Al)，並維持銀基雙相線迴路的低電阻 特性。

【背景技術】
[0002] 低電阻率是一般電子產品封裝導線的基本要求，而對於高速運作及高頻的積體電 路元件而言（例如：高速放大器、震蕩器、電源管理積體電路、以及高速通訊元件等），為了 避免訊號延遲（signal delaying)及串音幹擾（cross talk interference),對導線的電 阻率要求更為嚴格；此外，為了確保產品在長時間及嚴苛條件下能夠維持正常壽命與功能 (耐候性），可靠度的考量也極為重要；因此，封裝產業需要能夠兼顧低阻抗且高信賴的打 線接合線材。
[0003] 目前常見的封裝導線，有金線、銅線、銀線、合金線等，以銀線為例，銀是在所有材 料中電阻率最低的元素，但是純銀線在鋁墊上打線接合時也會生成脆性的金屬間化合物 (Ag 2Al或Ag4Al);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)，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)的銀須，最後造成正負電極的短路；因此，目前純銀線並無 法提供業界所需的成球性與穩定性；於是有人用以銀為主的合金線（例如包括銅、鉬、錳、 鉻、金等元素）作為封裝導線，但所形成的線材仍無法兼具低阻抗及高可靠度的性質，無法 通過高溫氧化試驗，且無提升熔斷電流密度；舉例而言，請參閱中國臺灣發明專利公告第 1394849所揭露的"銀基合金線材及其製造方法"，提供一種銀基合金線材，其是至少由銀、 鈀、鍺及鉬所形成的合金線材，借著摻雜適量的鈀（Pd)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，並對於銀與鋁墊的界面間金屬反應也有抑制效果；而適量的鍺（Ge)可以有效提升線 材的抗氧化及硫化性，同時可以提高焊點的接合強度；另外，適量的鉬（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也有明顯抑制效應，同時也減少 銀合金線與鋁墊形成金屬間化合物；但是，上述的銀基合金線材在製作時需精準地（ppm等 級）調配鈀、鍺及鉬的組成比例，若摻雜鈀的含量過高時，則會造成合金線材的電阻升高， 鍺的含量過高時，則會使線材延展性降低，而鉬的含量過高時，則會使線材的電阻率明顯提 高，使得製造時想要維持可靠度的一致性相當不易；此外，上述線材也無法通過高溫氧化試 驗，且無提升熔斷電流密度的效應。
[0004] 此外，為了解決純銀接合線易氧化的問題，有人提出在其表面鍍上其他金屬鍍層 以改善易氧化及腐蝕的方法，請一併參閱新日鐵高新材料股份有限公司與日鐵微金屬股份 有限公司所申請的一系列有關半導體裝置用合接線的中國臺灣發明專利，公告第1342809 所揭露的"半導體裝置用合接線"、公告第1364806所揭露的"半導體裝置用合接線"、公告 第1364806所揭露的"半導體用接合導線"、公開第201107499的"半導體用銅合金接合線"、 公開第201140718的"半導體用銅接合線及其接合構造"以及公開第201230903的"複數 層銅接合線的接合構造"；上述前案的接合線結構大抵都是在芯材（可為銅、金、銀等金屬 所構成）表面設有表皮層（可為鈀、釕、銠、鉬以及銀所構成），導致上述的接合線在實際實 施使用時常產生下述缺失：(a)因鍍金屬的線材其表面具有表皮層，使得硬度偏高，且工藝 電流控制不易，常導致鍍層厚度不均，造成封裝過程整體產出率差、良率偏低；(b)銀或銀 合金鍍上鈕層在燒球成型（electric frame off, EF0)時，因表面的鈕層使得成球（free air ball, FAB)的球心硬度過硬，造成焊球上方頸部的強度不足，在打線（wire bonding, WB)後，常發生頸部斷裂問題，進而導致接合界面剝離的問題發生；且鈀元素在焊球中也具 偏析問題，該球部組織差異大影響打線條件；再者，該線材無法在高溫環境下維持表面抗氧 化性，且成球時需要在有氣氛保護的條件下，否則無法成球打線。
[0005] 此外，一般接合線材在打線後必須以熱固性塑料（例如環氧樹脂（EPOXY)加以封 膠（Molding)保護；但是，環氧樹脂材料在高溫或者長時間的二極體元件的點亮，會發生光 劣化或黃變等問題，無法達到LED封裝產業工藝可靠度的品質要求，且線材無法有效抑制 負離子侵蝕表面和維持長時間高溼高熱環境的穩定度。


【發明內容】

[0006] 發明人即是鑑於上述現有封裝用的銀基合金線材或接合線在實際實施上仍具有 多處的缺失，於是以本孜孜不倦的精神，並通過其豐富的專業知識及多年的實務經驗所輔 佐,而加以改善,並據此研創出本發明。
[0007] 本發明主要目的為提供一種耐電熱銀基雙相線及其製造方法，尤其是指一種通過 摻雜納米純鋁粒進入銀線中，以及在銀基線表面鍍鉻層再熱處理的程序，在銀基線表面形 成Ag 2Cr相及AgAl7Cr相，達到提升銀基雙相線的抗氧化性與熱穩定性的功效，同時以適當 的熱處理條件控制殘留鍍鉻層，有效地抑制界面金屬間化合物生成厚度，進而維持銀基雙 相線迴路低電阻特性。
[0008] 為了達到上述實施目的，本發明提出一種耐電熱銀基雙相線及其製造方法，其制 造方法首先在銀線中形成不超過8wt. %的納米錯粒，較佳為3wt. %-8wt. %的納米錯粒，並使 這些鋁粒在銀基底中均勻分布，使得銀線形成為銀基線；其中上述鋁粒的粒徑為10-20nm ; 接著，在銀基線的表面鍍上厚度不小於32nm的鉻層，較佳為32nm-106nm ;最後，再將鍍有鉻 層的銀基線進行熱處理，使鉻層的鉻離子進入銀基線基底，並在銀基線表面化合形成抗氧 化層，其中所述抗氧化層包含有Ag 2Cr相和AgAl7Cr相，形成為銀基雙相線；這樣，經熱處理 化所形成的Ag2Cr及AgAl 7Cr相，可提升本發明耐電熱銀基雙相線的抗氧化性，特別是高溫 抗氧化性質，避免現有技術中用以封膠接合線材的環氧樹脂材料因光熱劣化或黃變所產生 的問題，且因銀基雙相線內部無異常粗大晶粒，具有高溫線材強度和接合界面強度不弱化 的功效，也提升其機械性質和熱穩定性。
[0009] 在本發明的一實施例中，在銀線中形成納米鋁粒的方法是將鋁粒加入銀熔湯中攪 拌均勻混合，較佳地，是使用真空電磁進行攪拌。
[0010] 在本發明的一實施例中，熱處理是加熱至400-700°C，並持續該溫度不超過1小 時，使得鉻層的鉻離子完全或部分進入銀基線基底，殘留鍍鉻層的厚度為〇_71nm，以適當的 熱處理條件控制殘留鍍鉻層，使得在打線成球後，有效抑制界面金屬間化合物生成厚度，進 而維持銀基雙相線迴路低電阻特性。
[0011] 此外，本發明的耐電熱銀基雙相線因熱處理條件不同而具有兩種結構形式，其一 是包括銀基線以及包圍銀基線表面的抗氧化層，銀基線具有不超過8wt. %的納米鋁粒，且 抗氧化層包含有Ag2Cr相和AgAl7Cr相；另一耐電熱銀基雙相線則包括有銀基線、包圍銀基 線表面的抗氧化層以及包圍抗氧化層表面的鉻層，所述銀基線具有不超過8wt. %的鋁粒， 且所述抗氧化層包含有Ag2Cr相和AgAl7Cr相。
[0012] 本發明與現有技術相比，具有如下優點：
[0013] 1、本發明通過摻雜（添加）納米純鋁粒進入銀線中，使其在基底中均布，不僅可增 加銀基線的強度，也保有延展性；此外，通過鍍鉻層在銀基線表面，經熱處理化形成Ag 2Cr和 AgAl7Cr相，進而可提升抗氧化性，避免現有技術中用以封膠接合線材的環氧樹脂材料因光 熱劣化或黃變所產生的問題，且因銀基雙相線內部無異常粗大晶粒，也提升本發明銀基雙 相線的熱穩定性。
[0014] 2、本發明通過適當的熱處理條件控制殘留鍍鉻層，使得在打線成球後，可有效抑 制界面金屬間化合物生成厚度（例如Ag 2Al或Ag4Al)，進而維持銀基雙相線迴路低電阻特 性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明較佳實施例的製造方法的步驟流程圖；
[0016] 圖2為本發明其一具體實施例的銀基線在熱處理後，銀基線表面僅具有抗氧化層 的顯微鏡組織圖；
[0017] 圖3為本發明其二具體實施例的銀基線在熱處理後，銀基線表面具有抗氧化層以 及鉻層的顯微鏡組織圖。
[0018] 主要元件符號說明：
[0019] Sl 步驟一 S2步驟二
[0020] S3步驟三

【具體實施方式】
[0021] 本發明的目的及其結構功能上的優點，將依據附圖所示的結構，配合具體實施例 予以說明，以使人們能對本發明有更深入且具體的了解。
[0022] 首先，本發明的耐電熱銀基雙相線適用於半導體封裝、IC封裝、LED封裝等的電子 工業零件的封裝導線；其具體實施例的製造方法包括下列步驟，請參閱圖1所示：
[0023] 步驟一 Sl :在銀線中形成不超過8wt. %的納米鋁粒，並使這些鋁粒在銀基底中均 勻分布，通過鋁金屬顆粒摻雜或添加以增加銀基線的強度，並保有其延展性，同時不降低熔 斷電流密度；其中，步驟一 Sl可例如將不超過8wt. %的納米鋁粒加入銀熔湯中並以真空電 磁攪拌均勻混合具體實施，以達到鋁粒在銀基底中均勻分布的功效，然而其他各種將鋁基 顆粒（例如鋁鋯顆粒、鋁鋅顆粒、鋁鎂顆粒、鋁銅顆粒、鋁錫顆粒以及鋁矽顆粒等）或將鋁 金屬滲入銀線中常見或創新的技術手段都可以用於實施本發明，例如先在銀線表面鍍上鋁 層，再經熱處理使鋁金屬滲入銀線中，在此步驟一 Sl的具體實施手段並不限定；此外，上述 所添加的錯粒的粒徑為10-20nm，且錯粒添加量較佳為3wt. %-8wt. % ;請參閱表1所示，其是 在銀線（20 μ m)摻雜（添加）有分別為 0、0· 5wt. %、lwt. %、3wt. %、5wt. %、8wt. % 以及 IOwt. % 的納米鋁粒，並在本發明步驟二S2和步驟三S3完成後所得的銀基雙相線在熔斷電流、拉伸 強度以及延展性特性上的實驗數據表；可清楚得知，納米鋁粒添加量直到8wt. %時，銀基雙 相線的熔斷電流才會有顯著低落，且鋁粒添加量為3wt. %-8wt. %的銀基雙相線在上述三種 特性上具有較佳的平均表現；
[0024] 表 1
[0025]

【權利要求】
1. 一種耐電熱銀基雙相線的製造方法，包括下列步驟： 步驟一：在銀線中形成不超過8wt. %的鋁粒，並使這些鋁粒在銀基底中均勻分布，該銀 線即形成為銀基線； 步驟二：在該銀基線的表面鍍上厚度不小於32nm的鉻層；以及 步驟三：再將鍍有該鉻層的銀基線進行熱處理，使該鉻層的鉻離子進入該銀基線基底， 並在該銀基線的表面形成抗氧化層，其中該抗氧化層包含有Ag2Cr相和AgAl7Cr相，即形成 為銀基雙相線。
2. 根據權利要求1所述的耐電熱銀基雙相線的製造方法，其中，所述步驟一是將所述 鋁粒加入銀熔湯中攪拌均勻混合。
3. 根據權利要求1所述的耐電熱銀基雙相線的製造方法，其中，所述鋁粒的粒徑為 10_20nm。
4. 根據權利要求1所述的耐電熱銀基雙相線的製造方法，其中，所述步驟一中添加有 3wt. %_8wt. % 的錯粒。
5. 根據權利要求1所述的耐電熱銀基雙相線的製造方法，其中，所述熱處理是加熱至 400-700°C，並持續所述溫度不超過1小時。
6. 根據權利要求1所述的耐電熱銀基雙相線的製造方法，其中，所述鉻層的厚度為 32nm_106nm〇
7. 根據權利要求6所述的耐電熱銀基雙相線的製造方法，其中，所述步驟三是使所述 鉻層中的鉻離子完全或部分進入所述銀基線基底。
8. -種由權利要求1至7中任一項所述的方法製備的耐電熱銀基雙相線。
9. 根據權利要求8所述的耐電熱銀基雙相線，其中，所述耐電熱銀基雙相線包括銀基 線以及包圍所述銀基線表面的抗氧化層，所述銀基線具有不超過8wt. %的鋁粒，且所述抗 氧化層包含有Ag2Cr相和AgAl7Cr相。
10. 根據權利要求8所述的耐電熱銀基雙相線，其中，所述耐電熱銀基雙相線包括銀基 線、包圍所述銀基線表面的抗氧化層以及包圍所述抗氧化層表面的鉻層，所述銀基線具有 不超過8wt. %的錯粒，且所述抗氧化層包含有Ag2Cr相和AgAl7Cr相。
【文檔編號】C22C5/06GK104419843SQ201310368093
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月21日 優先權日:2013年8月21日
【發明者】呂傳盛, 洪飛義 申請人:呂傳盛, 洪飛義