本發(fā)明涉及金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種半導(dǎo)體封裝用銀合金線及其制備方法。

背景技術(shù)：

led發(fā)光管及半導(dǎo)體封裝需要的內(nèi)引線(也稱鍵合絲)通常都采取高純黃金制成的金線，其直徑范圍在ф15μm～ф50μm。隨著金價的不斷上升，封裝成本越來越高。為此各封裝廠商紛紛推出銅線鍵合來取代金絲鍵合，以緩解封裝成本壓力。與金絲相比，銅線具有更好的電學(xué)和機(jī)械特性，所以同樣的產(chǎn)品可以使用直徑更小的銅絲來進(jìn)行鍵合，而且更適合于芯片焊盤小、間距窄和鍵合距離長的封裝產(chǎn)品。然而使用銅導(dǎo)線時，由于封裝用樹脂與導(dǎo)線的熱膨脹系數(shù)差異過大，隨著半導(dǎo)體啟動后溫度上升，因熱形成的體積膨脹對形成回路的銅接合線產(chǎn)生外部應(yīng)力，特別是對暴露于嚴(yán)酷的熱循環(huán)條件下的半導(dǎo)體組件，容易使銅接合線發(fā)生斷線問題。另銅的穩(wěn)定性遠(yuǎn)不及金，在保存和焊接過程中純銅絲非常容易氧化。為了提高鍵合生產(chǎn)效率及產(chǎn)品可靠性，解決純銅絲易氧化、壽命短的缺失，目前封裝廠商主要采用鍍鈀銅絲作為鍵合絲。不過，鍍鈀銅線的表面硬度偏高，且鍍鈀層厚度不均，造成封裝過程整體產(chǎn)出率差、良率偏低等問題。另鍍鈀銅線在半導(dǎo)體封裝上也有焊球硬度偏大，芯片容易砸傷等問題。因此盡管目前市場上已經(jīng)有了幾種替代品出現(xiàn)來代替高純黃金鍵合絲，但是由于其自身的局限，不能完全取代傳統(tǒng)的鍵合金絲，致使現(xiàn)在還有相當(dāng)一部分的led及半導(dǎo)體封裝仍然在使用昂貴的高純黃金鍵合絲。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決以上替代品所存在的技術(shù)問題，提供一種新型銀合金線，具備有金鍵合絲的特性，很好的解決了上述替代品(銅線，鍍鈀銅線等)存在的問題，同時還能夠成功應(yīng)用于半導(dǎo)體ic及器件封裝，且成本相對較低。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種半導(dǎo)體封裝用銀合金線，，包括以下重量百分比的組分，0.1-1.5％金，0.5-6.0％鈀，0.003-0.006％鈷，其余為銀補(bǔ)足100％。

一種半導(dǎo)體封裝用銀合金線的制備方法，包括以下步驟：

①將銀原料電解提純，制備純度大于99.999％的高純銀；

②通過真空熔煉制備中間合金，包括含6-15％鈀的銀鈀合金，含0.2-0.8％鈷的銀鈷合金；

③將步驟①剩余高純銀在950～1100℃下熔煉，并在惰性氣體氛圍下加入步驟2)中所述銀鈀合金、銀鈷合金和高純金粉攪拌精煉，然后進(jìn)行鑄造拉伸，拉伸速度為4.0～10mm/min，得到φ5-8mm的銀合金棒；所述銀合金棒含0.1-1.5％金，0.5-6％鈀，0.003-0.006％鈷，余量為銀；

④將步驟③中所述銀合金棒進(jìn)行預(yù)拉伸，在氮氣保護(hù)氛圍350℃-480℃下連續(xù)退火，再進(jìn)行超細(xì)拉伸，直至直徑為15μm-50μm的銀合金線；

⑤將步驟④中所述的銀合金線在450℃-550℃，35-65米/分鐘速度下連續(xù)退火。

進(jìn)一步地，如上所述的銀合金線的制備方法，將步驟⑤中制得的銀合金線進(jìn)行繞線，其中繞線張力為2～15g，繞絲速度為50～60m/min，線間距為4.5～5.5mm。

進(jìn)一步地，如上所述的銀合金線的制備方法，還包括：

⑥在繞線之前進(jìn)行表面處理：將步驟⑤的銀合金線用濃度為1～2％的鹽酸進(jìn)行酸洗，隨后進(jìn)行高純水沖洗，再進(jìn)行高壓水射流沖洗，最后烘干。

進(jìn)一步地，如上所述的銀合金線的制備方法步驟④中預(yù)拉伸后銀線直徑為50μm-100μm。

進(jìn)一步地，如上所述的銀合金線的制備方法步驟⑥中連續(xù)酸洗烘干速度為65m/min，烘干溫度為140-160℃。

其中，采用含6-15％鈀的銀鈀合金，含0.2-0.8％鈷的銀鈷合金通過真空熔煉制備中間合金這個過程是中間合金過程，為了更好的實現(xiàn)最終產(chǎn)品配比的均勻性而設(shè)計的；由于最終的鈀合金比例一般控制在1.8-4.8％之間中間合金比例控制在如上范圍更便利與有效操作。

金屬鈷，晶格體系為六面晶格，與銀、金的等金屬可以形成有限固溶體；金屬鈷添加在金銀系基體材料中，有強(qiáng)化晶界、增加晶界應(yīng)力、穩(wěn)定球形的作用。在本發(fā)明中所闡述的銀合金鍵合絲體系中，通常采用添加鈀等貴金屬來調(diào)節(jié)性能，增加強(qiáng)度并抑制該體系鍵合絲在應(yīng)用中的銀離子遷移，但是本發(fā)明所述所添加的鈀成分不能大于2％，否則該種鍵合絲將變得脆性增加而不具備應(yīng)用特性；本發(fā)明由于添加了適量的鈷，不僅使該種鍵合絲提高了抗拉強(qiáng)度，而且在客戶應(yīng)用過程中在不加燒球保護(hù)氣的情況下仍然能很好的保持良好的球形，這樣既降低了成本，又具備了比較好的應(yīng)用特性，因此，本發(fā)明與現(xiàn)有金絲技術(shù)相比，本發(fā)明材料的優(yōu)點在于：

具有與鍵合金相同的焊接性能、成球特性優(yōu)秀、硬度與金球基本相同及可靠性高等優(yōu)點。

成本較低，成本低廉，只相當(dāng)于鍵合金絲的四分之一價格。

可焊性、順暢度、焊球穩(wěn)定性、電性能及可靠性等同于鍵合金絲。

除led封裝焊線應(yīng)用外，還成功應(yīng)用在半導(dǎo)體ic及器件封裝焊線，應(yīng)用特性表現(xiàn)優(yōu)秀。

附圖說明

圖1為通過本發(fā)明方法制備得到的產(chǎn)品在進(jìn)行成球試驗時的成球效果實測掃描圖；

圖2為將本發(fā)明方法制備得到的產(chǎn)品實際焊線成球以后的電鏡圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實施例1

a.提供銀原料：購買純度為99.9％以上的銀原料；

b.銀原料電解提純：電解液為硝酸銀溶液(優(yōu)級純)加高純水按1：4.5比例稀釋，總需要的容量為50升；粗銀塊作為陽極(尺寸約為150mm×50mm×10mm)浸入電解液中，單體重量為1000克，保證粗銀塊95％體積浸入電解液中；高純銀箔或不銹鋼薄板(尺寸為150mm×50mm×1mm)作為陰極浸入電解液中，保證陰極片有95％體積浸入電解液中，兩極分別接上直流電源。打開直流電源，調(diào)節(jié)電壓為6v，電流2.5a，溫度控制在65℃以內(nèi)，待陰極得到的高純銀(99.9995％)達(dá)到1.5kg左右時，更換陰極，將得到的高純銀先用高純水清洗，再真空烘干，烘干溫度為260℃，時間為3小時；

c.預(yù)制中間合金：將得到的高純銀分兩份，一份1000克(用于銀鈀合金)，另一份500克(用于銀鈷合金)分別放入真空熔煉爐，分別添加鈀100克、鈷3克進(jìn)行熔煉分別制成含鈀10％的銀鈀合金，含鈷0.6％的銀鈷合金；該中間合金制備過程的熔煉溫度分別為銀鈀合金1550℃，銀鈷合金1550℃，真空度為1.5×10-2mpa。中間合金形狀為50×30×3±1mm的長方形板材；熔煉結(jié)束充分冷卻后在壓片機(jī)上將上述中間合金方材軋制成厚0.3-0.5mm，寬30-40mm的薄片待用。

d.制備合金銀棒：在一個有氬氣氣氛的定向凝固垂直連鑄金屬單晶的連鑄室，連續(xù)加入1370克99.9995％的高純銀棒后，在1000℃下進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱，在完成溶化后進(jìn)行區(qū)域熔煉，之后保溫10分鐘；將爐溫調(diào)至1150℃，溫度穩(wěn)定后在維持3l/min凈化氬氣流量的連鑄室中添加銀鈀中間合金600克、高純金粉(99.99％)7克、銀鈷合金15克，靜止10分鐘后開始攪拌1分鐘，再次靜止精煉10分鐘；然后以5mm/min速度連續(xù)牽引拉伸，完成連鑄鑄造，得到φ5mm的銀棒；該銀棒合金比例為：鈀：3±0.1％，金：0.5±0.1％，鈷：0.0045±0.0001％；

e.預(yù)拉伸：在拉伸機(jī)上將φ5mm的合金銀棒拉伸成ф50μm的銀線；

f.中間退火：將ф50μm的銀線在350℃溫度下連續(xù)退火并通氮氣保護(hù)；

g.超細(xì)拉伸：采用精密拉伸機(jī)，將中間退火完成后的銀線進(jìn)行超細(xì)拉伸，直至拉伸至φ20μm；

h.熱處理：將φ15μm的銀絲通過連續(xù)退火爐，在溫度為455±3℃，速度35m/min下連續(xù)退火?？刂仆嘶鸷蟮慕z材拉斷力為6-9克；延展率為10-15％；

j.表面處理：首先采用濃度為1％的鹽酸配比液進(jìn)行酸洗，隨后進(jìn)行兩次的高純水沖洗，再進(jìn)行一次的高壓射流沖洗，最后烘干。連續(xù)酸洗烘干速度為65m/min；烘干溫度為150℃；

k.繞線：以500m為一單卷長度單位，控制繞絲張力為2g，繞絲速度為50m/min，線間距為4.58mm；

實施例2

a.提供銀原料：購買純度為99.9％以上的銀原料；

b.銀原料電解提純：電解液為硝酸銀溶液(優(yōu)級純)加高純水按1：4.5比例稀釋，總需要的容量為50升；粗銀塊作為陽極(尺寸約為150mm×50mm×10mm)浸入電解液中，單體重量為1000克，保證粗銀塊95％體積浸入電解液中；高純銀箔或不銹鋼薄板(尺寸為150mm×50mm×1mm)作為陰極浸入電解液中，保證陰極片有95％體積浸入電解液中，兩極分別接上直流電源。打開直流電源，調(diào)節(jié)電壓至9v，電流3.5a，溫度控制在65℃以內(nèi)，待陰極得到的高純銀(99.9995％)達(dá)到1.5kg左右時，更換陰極，將得到的高純銀先用高純水清洗，再真空烘干，烘干溫度為300℃,時間為2小時；

c.預(yù)制中間合金：將得到的高純銀分兩份，一份1000克(用于銀鈀合金)，另一份500克(用于銀鈷合金)分別放入真空熔煉爐，分別添加鈀150克、鈷4克進(jìn)行熔煉分別制成含鈀15％的銀鈀合金，含鈷0.8％的銀鈷合金；該中間合金制備過程的熔煉溫度分別為銀鈀合金1600℃，銀鈷合金1600℃，真空度為1.5×10-2mpa。中間合金形狀為50×30×3±1mm的長方形板材；熔煉結(jié)束充分冷卻后在壓片機(jī)上將上述中間合金方材軋制成厚0.3-0.5mm，寬30-40mm的薄片待用。

d.制備合金銀棒：在一個有氬氣氣氛的定向凝固垂直連鑄金屬單晶的連鑄室，連續(xù)加入1842克99.9995％的高純銀粉后，在1000℃下進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱，在完成溶化后保溫10分鐘；將爐溫調(diào)至1150℃，溫度穩(wěn)定后在維持3l/min凈化氬氣流量的連鑄室中添加中間合金，銀鈀合金133.3克、高純金粉(99.99％)16克、銀鈷合金8.75克，靜止10分鐘后開始攪拌1分鐘，再次靜止精煉10分鐘；然后以5mm/min速度連續(xù)牽引拉伸，完成連鑄鑄造，得到φ8mm的銀棒；該銀棒合金比例為：鈀：1±0.1％，金：0.8±0.1％，鈷：0.0035±0.001％；

e.預(yù)拉伸：在拉伸機(jī)上將φ8mm的合金銀棒拉伸成ф100μm的銀線；

f.中間退火：將ф100μm的銀線在480℃溫度下，速度40m/min連續(xù)退火并通氮氣保護(hù)；

g.超細(xì)拉伸：采用精密拉伸機(jī)，將中間退火完成后的銀線進(jìn)行超細(xì)拉伸，直至拉伸至φ50μm；

h.熱處理：將φ50μm的銀絲通過連續(xù)退火爐，在溫度為545±3℃，速度為40m/min下連續(xù)退火。控制退火后的絲材拉斷力為7-9克；延展率為10-15％；

j.表面處理：首先采用濃度為2％的鹽酸配比液進(jìn)行酸洗，隨后進(jìn)行兩次的高純水沖洗，再進(jìn)行一次的高壓射流沖洗，最后烘干；連續(xù)酸洗烘干速度為65m/min；烘干溫度為160℃；

k.繞線：以500m為一單卷長度單位，控制繞絲張力為15g，繞絲速度為80m/min，線間距為5.5mm；

實施例3

a.提供銀原料：購買純度為99.9％以上的銀原料；

b.銀原料電解提純：電解液為硝酸銀溶液(優(yōu)級純)加高純水按1：4.5比例稀釋，總需要的容量為50升；粗銀塊作為陽極(尺寸約為150mm×50mm×10mm)浸入電解液中，單體重量為1000克，保證粗銀塊95％體積浸入電解液中；高純銀箔或不銹鋼薄板(尺寸為150mm×50mm×1mm)作為陰極浸入電解液中，保證陰極片有95％體積浸入電解液中，兩極分別接上直流電源。打開直流電源，調(diào)節(jié)電壓至9v，電流3.5a，溫度控制在65℃以內(nèi)，待陰極得到的高純銀(99.9995％)達(dá)到1.5kg左右時，更換陰極，將得到的高純銀先用高純水清洗，再真空烘干，烘干溫度為280℃,時間為2.5小時；

c.預(yù)制中間合金：將得到的高純銀分兩份，一份1000克(用于銀鈀合金)，另一份500克(用于銀鈷合金)分別放入真空熔煉爐，分別添加鈀120克、鈷1克進(jìn)行熔煉分別制成含鈀12％的銀鈀合金，含鈷0.2％的銀鈣合金；該中間合金制備過程的熔煉溫度分別為銀鈀合金1555℃，銀鈷合金1580℃，真空度為1.5×10-2mpa。中間合金形狀為50×30×3±1mm的長方形板材；熔煉結(jié)束充分冷卻后在壓片機(jī)上將上述中間合金方材軋制成厚0.3-0.5mm，寬30-40mm的薄片待用。

d.制備合金銀棒：在一個有氬氣氣氛的定向凝固垂直連鑄金屬單晶的連鑄室，連續(xù)加入1102.7克99.9995％的高純銀棒后，在1000℃下進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱，在完成溶化后進(jìn)行區(qū)域熔煉，之后保溫10分鐘；將爐溫調(diào)至1150℃，溫度穩(wěn)定后在維持3l/min凈化氬氣流量的連鑄室中添加中間合金，銀鈀合金833.3克、高純金粉(99.99％)4克、銀鈷合金60克，靜止10分鐘后開始攪拌1分鐘，再次靜止精煉10分鐘；然后以5mm/min速度連續(xù)牽引拉伸，完成連鑄鑄造，得到φ7mm的銀棒；該銀棒合金比例為：鈀：5±0.1％，金：0.2±0.1％，鈷：0.006±0.001％；

e.預(yù)拉伸：在拉伸機(jī)上將φ7mm的合金銀棒拉伸成ф75μm的銀線；

f.中間退火：將ф75μm的銀線在430℃溫度下連續(xù)退火并通氮氣保護(hù)；

g.超細(xì)拉伸：采用精密拉伸機(jī)，將中間退火完成后的銀線進(jìn)行超細(xì)拉伸，直至拉伸至φ25μm；

h.熱處理：將φ25μm的銀絲通過連續(xù)退火爐，在溫度500±3℃，速度為55m/min下連續(xù)退火?？刂仆嘶鸷蟮慕z材拉斷力為7-9克；延展率為10-15％；j.表面處理：首先采用濃度為1.5％的鹽酸配比液進(jìn)行酸洗，隨后進(jìn)行兩次的高純水沖洗，再進(jìn)行一次的高壓射流沖洗，最后烘干；連續(xù)酸洗烘干速度為65m/min；烘干溫度為140℃；

k.繞線：以1000m為一單卷長度單位，控制繞絲張力為5g，繞絲速度為60m/min，線間距為4.85mm；

以上的生產(chǎn)設(shè)備均采用常規(guī)技術(shù)的生產(chǎn)設(shè)備。以下為同直徑鍵合銀絲與鍵合金絲在半導(dǎo)體器件上進(jìn)行焊接應(yīng)用后對拉力及球剪切力測試結(jié)果對比表。

表1φ20μm銀合金線與同直徑鍵合金絲在半導(dǎo)體器件上進(jìn)行焊接應(yīng)用后對拉力及球剪切力測試結(jié)果

表2φ25μm銀合金線與同直徑鍵合金絲在半導(dǎo)體器件上進(jìn)

行焊接應(yīng)用后對拉力及球剪切力測試結(jié)果

表1和表2表明，本發(fā)明鍵合銀絲的焊線參數(shù)與同直徑的鍵合金絲幾乎相同，甚至略好于鍵合金絲，證明本發(fā)明制備的銀合金線已經(jīng)能夠完全替代傳統(tǒng)的鍵合金絲。

圖1為通過本發(fā)明方法制備得到的產(chǎn)品在進(jìn)行成球試驗時的成球效果實測掃描圖；圖2為將本發(fā)明方法制備得到的產(chǎn)品實際焊線成球以后的電鏡圖，對于鍵合絲來講，成球性是否良好是衡量一種鍵合絲材料是否符合最起碼的焊線鍵合要求的第一要素，也是最重要、最關(guān)鍵的要素；圖1說明了本發(fā)明在應(yīng)用了所述的幾種合金材料之后(尤其是添加了鈷這一成分)，在成球性這一關(guān)鍵性指標(biāo)上達(dá)到了設(shè)計要求，也滿足了實際應(yīng)用條件(如圖2所示實際焊線成球)，從圖中可以看出，該種成球性完全符合終端應(yīng)用要求。

最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。