耐電熱銀基雙相線及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種耐電熱銀基雙相線及其制造方法。該耐電熱銀基雙相線的制造方法是先在銀線中形成不超過8wt.%納米鋁粒，并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于32nm的鉻層；最后，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，并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制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明關(guān)于一種耐電熱銀基雙相線及其制造方法，尤其是指一種適用于半導(dǎo)體封 裝、IC封裝或發(fā)光二極體封裝的耐電熱銀基雙相線及其制造方法，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(wěn)定性和保有優(yōu)異耐熔斷電流的功效，同 時以適當(dāng)?shù)臒崽幚項l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)，并維持銀基雙相線回路的低電阻 特性。

【背景技術(shù)】
[0002] 低電阻率是一般電子產(chǎn)品封裝導(dǎo)線的基本要求，而對于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)及串音干擾（cross talk interference),對導(dǎo)線的電 阻率要求更為嚴格；此外，為了確保產(chǎn)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(chǎn)業(yè)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(dǎo)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(nèi)部很容易發(fā)生電解離子遷移現(xiàn)象 (ion migration)，即純銀在含水氣環(huán)境會經(jīng)由電流作用水解溶出銀離子，再與氧反應(yīng)成為 不穩(wěn)定的氧化銀（AgO)，此氧化銀會進行去氧化作用（deoxidize)形成銀原子，并向正極 成長出樹葉紋理狀（leaf vein)的銀須，最后造成正負電極的短路；因此，目前純銀線并無 法提供業(yè)界所需的成球性與穩(wěn)定性；于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(dǎo)線，但所形成的線材仍無法兼具低阻抗及高可靠度的性質(zhì)，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(fā)明專利公告第 1394849所揭露的"銀基合金線材及其制造方法"，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，同時由于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，并對于銀與鋁墊的界面間金屬反應(yīng)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，并對于銀的離子遷移現(xiàn)象也有明顯抑制效應(yīng)，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制作時需精準(zhǔn)地（ppm等 級）調(diào)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，使得制造時想要維持可靠度的一致性相當(dāng)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(yīng)。
[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，請一并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(guān)半導(dǎo)體裝置用合接線的中國臺灣發(fā)明專利，公告第1342809 所揭露的"半導(dǎo)體裝置用合接線"、公告第1364806所揭露的"半導(dǎo)體裝置用合接線"、公告 第1364806所揭露的"半導(dǎo)體用接合導(dǎo)線"、公開第201107499的"半導(dǎo)體用銅合金接合線"、 公開第201140718的"半導(dǎo)體用銅接合線及其接合構(gòu)造"以及公開第201230903的"復(fù)數(shù) 層銅接合線的接合構(gòu)造"；上述前案的接合線結(jié)構(gòu)大抵都是在芯材（可為銅、金、銀等金屬 所構(gòu)成）表面設(shè)有表皮層（可為鈀、釕、銠、鉬以及銀所構(gòu)成），導(dǎo)致上述的接合線在實際實 施使用時常產(chǎn)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(dǎo)致鍍層厚度不均，造成封裝過程整體產(chǎn)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)后，常發(fā)生頸部斷裂問題，進而導(dǎo)致接合界面剝離的問題發(fā)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(huán)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后必須以熱固性塑料（例如環(huán)氧樹脂（EPOXY)加以封 膠（Molding)保護；但是，環(huán)氧樹脂材料在高溫或者長時間的二極體元件的點亮，會發(fā)生光 劣化或黃變等問題，無法達到LED封裝產(chǎn)業(yè)工藝可靠度的品質(zhì)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濕高熱環(huán)境的穩(wěn)定度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明人即是鑒于上述現(xiàn)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，于是以本孜孜不倦的精神，并通過其豐富的專業(yè)知識及多年的實務(wù)經(jīng)驗所輔 佐,而加以改善,并據(jù)此研創(chuàng)出本發(fā)明。
[0007] 本發(fā)明主要目的為提供一種耐電熱銀基雙相線及其制造方法，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(wěn)定性的功效，同時以適當(dāng) 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 相線回路低電阻特性。
[0008] 為了達到上述實施目的，本發(fā)明提出一種耐電熱銀基雙相線及其制造方法，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，并使 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于32nm的鉻層，較佳為32nm-106nm ;最后，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，并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(jīng)熱處理 化所形成的Ag2Cr及AgAl 7Cr相，可提升本發(fā)明耐電熱銀基雙相線的抗氧化性，特別是高溫 抗氧化性質(zhì)，避免現(xiàn)有技術(shù)中用以封膠接合線材的環(huán)氧樹脂材料因光熱劣化或黃變所產(chǎn)生 的問題，且因銀基雙相線內(nèi)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(zhì)和熱穩(wěn)定性。
[0009] 在本發(fā)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(fā)明的一實施例中，熱處理是加熱至400-700°C，并持續(xù)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(dāng)?shù)?熱處理條件控制殘留鍍鉻層，使得在打線成球后，有效抑制界面金屬間化合物生成厚度，進 而維持銀基雙相線回路低電阻特性。
[0011] 此外，本發(fā)明的耐電熱銀基雙相線因熱處理條件不同而具有兩種結(jié)構(gòu)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(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：
[0013] 1、本發(fā)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(jīng)熱處理化形成Ag 2Cr和 AgAl7Cr相，進而可提升抗氧化性，避免現(xiàn)有技術(shù)中用以封膠接合線材的環(huán)氧樹脂材料因光 熱劣化或黃變所產(chǎn)生的問題，且因銀基雙相線內(nèi)部無異常粗大晶粒，也提升本發(fā)明銀基雙 相線的熱穩(wěn)定性。
[0014] 2、本發(fā)明通過適當(dāng)?shù)臒崽幚項l件控制殘留鍍鉻層，使得在打線成球后，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回路低電阻特 性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明較佳實施例的制造方法的步驟流程圖；
[0016] 圖2為本發(fā)明其一具體實施例的銀基線在熱處理后，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(fā)明其二具體實施例的銀基線在熱處理后，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(fā)明的目的及其結(jié)構(gòu)功能上的優(yōu)點，將依據(jù)附圖所示的結(jié)構(gòu)，配合具體實施例 予以說明，以使人們能對本發(fā)明有更深入且具體的了解。
[0022] 首先，本發(fā)明的耐電熱銀基雙相線適用于半導(dǎo)體封裝、IC封裝、LED封裝等的電子 工業(yè)零件的封裝導(dǎo)線；其具體實施例的制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，并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，并保有其延展性，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并以真空電 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、鋁錫顆粒以及鋁硅顆粒等）或?qū)X 金屬滲入銀線中常見或創(chuàng)新的技術(shù)手段都可以用于實施本發(fā)明，例如先在銀線表面鍍上鋁 層，再經(jīng)熱處理使鋁金屬滲入銀線中，在此步驟一 Sl的具體實施手段并不限定；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，并在本發(fā)明步驟二S2和步驟三S3完成后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(shù)據(jù)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(xiàn)；
[0024] 表 1
[0025]

【權(quán)利要求】
1. 一種耐電熱銀基雙相線的制造方法，包括下列步驟： 步驟一：在銀線中形成不超過8wt. %的鋁粒，并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于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， 并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(jù)權(quán)利要求1所述的耐電熱銀基雙相線的制造方法，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(jù)權(quán)利要求1所述的耐電熱銀基雙相線的制造方法，其中，所述鋁粒的粒徑為 10_20nm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐電熱銀基雙相線的制造方法，其中，所述步驟一中添加有 3wt. %_8wt. % 的錯粒。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐電熱銀基雙相線的制造方法，其中，所述熱處理是加熱至 400-700°C，并持續(xù)所述溫度不超過1小時。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐電熱銀基雙相線的制造方法，其中，所述鉻層的厚度為 32nm_106nm〇
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的耐電熱銀基雙相線的制造方法，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(quán)利要求1至7中任一項所述的方法制備的耐電熱銀基雙相線。
9. 根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(yōu)先權(quán)日:2013年8月21日
【發(fā)明者】呂傳盛, 洪飛義 申請人:呂傳盛, 洪飛義