一種高可靠性銀合金鍵合絲及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及LED和1C封裝用的鍵合絲，具體涉及一種適合于BB0S、BS0B打線封裝 用銀合金鍵合絲及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鍵合絲（bondingwire,又稱鍵合線）是連接芯片與外部封裝基板（substrate)和 /或多層線路板（PCB)的主要連接方式。鍵合絲的發(fā)展趨勢，從產(chǎn)品方向上，主要是線徑細 微化、高車間壽命（floorlife)以及高線軸長度；從化學(xué)成分上，主要有銅線（包括裸銅 線、鍍鈀銅線、閃金鍍鈀銅線）在半導(dǎo)體領(lǐng)域大幅度取代金線，而銀線和銀合金線在LED以 及部分1C封裝應(yīng)用上取代金線。
[0003] 早期銀合金的要問題是線材表面容易硫化、氧化從而影響打線性能以及高溫高濕 可靠性（PCT，HAST)問題，而這些問題都可以通過向銀線中引入鈀（Pd)而得到改善，尤其是 其高溫高濕可靠性（PCT，HAST)問題。
[0004] 在1C行業(yè)，由于近期多芯片模式（MultiChipModule)和芯片堆棧（Die stacking)的廣泛應(yīng)用，對DietoDie(芯片到芯片）的打線性能提出了更高的要求，這其 中最重要的打線模式就是BS0B(bondingStichonball，球焊點上打線）。在LED行業(yè)除 了BS0B外，BB0S(Bondingballonstitch，在二焊點上種球）也有廣泛應(yīng)用。
[0005] 在BS0B的dietodie打線中，為了減少二焊（stitchbonding)過程中對芯片 Pad的沖擊，通常采用在芯片A的Pad位置先種上一個焊球，然后再對另外一個相鄰芯片B 上完成球焊、拉弧線、在芯片A已種球位置上完成第二焊點的打線，從而結(jié)束整個BS0B過 程。在LED行業(yè)中，由于沒有象1C那樣由于半導(dǎo)體尺寸下降而導(dǎo)致的芯片機械性能變?nèi)醯?情況（多孔的低K的介電材料的應(yīng)用所導(dǎo)致的結(jié)果），但硅膠的應(yīng)用及其高透氣、透水性使 得二焊點的可靠性需要加強，所以在完成LED的正常打線后，會在二焊點上種球，以提高穩(wěn) 定性，完成BB0S的打線模式。
[0006] 在銀合金線材的早期使用過程中，短尾（SHTL)和斷線本就是最常見的問題。短 尾的成因是在第二焊點打線中，由于打線參數(shù)太大或者線材強度性能發(fā)生變化，Tail bonding提前斷裂導(dǎo)致留出的線尾不夠長。隨著銀合金線材技術(shù)的進步，這一問題得到了很 大改觀，而隨著銀合金在高級封裝形式，多芯片模式（MultiChipModule)和芯片堆棧（Die stacking)中的廣泛應(yīng)用，BS0B、BB0S的大量應(yīng)用對線材的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提出了更高的要求， 為了滿足這種要求，需要找到一種實際可行的線材結(jié)構(gòu)和線材配方，將線材的結(jié)構(gòu)和機械 性能變動性降低到更低的水平，從而提高銀合金鍵合絲在BB0S和BS0B中的鍵合穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種1C和LED封裝BB0S、BS0B用高可靠性銀 合金鍵合絲及其制造方法，這種銀合金鍵合絲用于上述打線模式時，能通過有效的組分和 結(jié)構(gòu)調(diào)整而獲得重現(xiàn)性、穩(wěn)定性更高的結(jié)構(gòu)特征。
[0008] 本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線材具有以下的特質(zhì)時，其機械性能BL/EL能保持在一個恰當(dāng)窄 的范圍內(nèi)，并使得線材在整個打線，尤其是切球的scrub過程中保持穩(wěn)定（不斷線）。具體 地，本發(fā)明提供的一個技術(shù)方案如下：
[0009] -種用于BB0S、BS0B打線方式的高可靠性銀合金鍵合絲，含有重量比為：
[0010] 2-4.0%的Pd，
[0011] 6. 5-11 % 的Au，
[0012] 85%-90 % 的Ag，以及
[0013] 含量在5_55ppm之間、用以改進線材機械性能的Ca、Fe、Cu、Si中的一種或一種以 上的摻雜元素。
[0014] 在線材結(jié)構(gòu)上，線材中存在長軸晶區(qū)，其存在于以線材中心軸線為對稱線，半徑為 1/3R-1/2R(R為線材的半徑）范圍內(nèi)的圓柱體內(nèi)；長軸晶區(qū)內(nèi)以長軸晶為主，也可以含有 非長軸晶，長軸晶的面積比率占60%以上。長軸晶體的定義為晶體的縱橫比（即晶體擬合 橢圓的長軸長度與短軸長度之比）大于2. 5。
[0015] 目前的鍵合絲都是多晶體結(jié)構(gòu)，一般鍵合絲在最終退火后其內(nèi)部的每個晶體的取 向是隨機的并均勻地指向不同方向，整體上呈現(xiàn)出各向同性。但對于本發(fā)明的線材，其線材 內(nèi)部的晶體的[100]方向與銀合金鍵合絲軸心方向上的夾角小于20度的晶體占總晶體數(shù) 目的60%以上。
[0016] 在長軸晶區(qū)內(nèi)，annealingtwin(退火攣晶）的密度小于20%，線材整體退火攣晶 密度小于30%。其中退火攣晶的密度定義為：在EBSD圖中測得攣晶長度與晶體之間晶界 長度以及攣晶長度之和的比值。
[0017] 整個線材中的長軸晶和非長軸晶區(qū)域內(nèi)的晶體大小并沒有明顯的區(qū)別，其平均晶 體粒徑的大小為0. 65-0. 76微米之間，晶體粒徑分布的相對標(biāo)準方差（RSD)為85% -90% 之間。
[0018] 本發(fā)明還提供上述用于BBOS、BS0B打線方式的高可靠性銀合金鍵合絲的制造方 法，其特征在于包括下述步驟：
[0019] 熔鑄：在銀原料中按上述比例加入Au、Pd和其它摻雜元素，經(jīng)過定向連續(xù)拉工藝， 獲得直徑為6~8mm(毫米）的線材；
[0020] 拉絲：對熔鑄步驟得到的線材進行拉絲，獲得直徑為18~50um的銀合金鍵合絲粗 品；
[0021] 最后退火：拉絲完成后，對銀合金鍵合絲粗品進行最后退火處理，退火過程采用N2 或惰性氣體來做為退火氣氛，退火爐有效長度為600~800mm，退火溫度為450~550°C，退 火速率為90~130m/min;退火過程中的張力設(shè)定保持在0. 2~0. 7g之間；
[0022] 冷卻：退火后的銀合金鍵合絲經(jīng)過冷卻到20~30°C，即得到用于BB0S、BS0B打線 方式的高可靠性銀合金鍵合絲。
[0023] 在拉絲步驟中，還可以對線材進行一次中間退火，中間退火在將線材拉絲至直徑 為0. 0633~0. 0384mm時進行，退火過程采用N2或惰性氣體做為退火氣氛，退火爐有效長 度為600~800謹，退火溫度為500~610°C，退火速率為80~120m/min。
[0024] 隨后可對得到的LED封裝用銀合金鍵合絲進行機械檢測和繞線。
[0025]本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，在線材含鈀（Pd)量在2~4. 0 %時能有效地改善封裝產(chǎn)品在老化試 驗中鍵合絲與芯片鋁Pad界面頂C的腐蝕問題，尤其當(dāng)金的含量保持在6. 5~11 %范圍之 內(nèi)時，可靠性獲得明顯的提高。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，添加量Ca、Fe、Cu、Si添加元素中的一種和多 種的組合。能有效地控制晶粒大小，更具體的是當(dāng)某些摻雜元素富集于晶界中時，會阻止 晶界的移動和生成，抑制了再結(jié)晶的發(fā)生，提高了再結(jié)晶溫度，有效控制晶體的過渡長大； 另一方面Au、Pd都能與Ag完全互容，形成固體溶液，它們在晶體內(nèi)的存在，增加了Ag的 stackingfault(純銀的stackingfault很小，其應(yīng)力釋放多通過再結(jié)晶的方式完成），從 而有利于在退火中銀合金線材應(yīng)力松弛多一些按恢復(fù)（recovery)的機理發(fā)生的幾率，有 利于線材中間長軸晶體的保留和形成，最后退火過程中，尤其是最后退火工藝中張力的控 制對線材中心區(qū)晶體的高度取向性是必要的。
[0026] 本發(fā)明發(fā)現(xiàn)在拉絲退火工藝設(shè)計上，相對于一般退火工藝對中間退火強度（退火 溫度更低和退火時間更短）做適當(dāng)?shù)慕档?，同時中間退火點也采用在〇. 0633~0. 0384mm 時（相對一般拉線工藝更細的線徑）進行；在最終退火過程參數(shù)的設(shè)計包括更低的退火強 度（退火溫度在420~480°C之間和退火時間更短90~130m/min)和嚴格的最終退火期 間的張力管控（0. 2~0. 7g)。有利于形成具有特殊結(jié)構(gòu)組合的銀線材，極大地提高線材在 BB0S和BS0B打線過程中的穩(wěn)定性。
[0027] 本發(fā)明銀合金鍵合絲與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：
[0028] (1)通過上述金屬摻雜和拉絲退火工藝的設(shè)計，本發(fā)明得到的銀合金線材同時具 有優(yōu)秀的封裝可靠性和BB0S和BS0B打線的順暢性；
[0029] (2)線材結(jié)構(gòu)可控性強，其中中間長軸晶區(qū)占線材總體體積比率適中，晶體長軸化 程度高，退火攣晶密度低，以及晶體粒徑分布合理；
[0030] (3)本發(fā)明得到的線材其EL、BL分布更窄，線材結(jié)構(gòu)和機械性能一致性高；
[0031] (4)本發(fā)明提出了一套摻雜元素配方和與之相配合的特殊退火工藝和關(guān)鍵退火張 力的控制來確保線材特殊結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。
[0032] 上述應(yīng)用上的優(yōu)勢主要來自于巧妙的摻雜和合金元素設(shè)計技術(shù)，不僅抑制了 晶體過渡生長，也調(diào)試了退火過程中晶體應(yīng)力釋放的機理，使晶體內(nèi)應(yīng)力部分更多通過 Recovery的模式在退火過程中得以釋放，配合退火張力的控制和退火條件的優(yōu)化使得中間 長軸晶區(qū)域的體積比率，晶體長軸化程度，退火攣晶密度，以及晶體粒徑分布方面的調(diào)控性 強。中間長軸晶的存以及高的晶體取向性使得本發(fā)明的線材的機械性能（例如楊式模量） 在理論上會呈現(xiàn)各向異性，當(dāng)線材內(nèi)的晶體方向與線材的軸向取向一致時，BB0S、BS0B打線 時的切線過程中，瓷嘴切的方向正好垂直于方向，線材在此方向的楊式模量是最低的，所以 切線容易，尤其是中間長軸晶富集區(qū)，而周圍的等軸晶區(qū)域則缺少這種各項異性而提供必 要的延展性和強度，有利于在瓷嘴在上升到指定線尾高度之前線材不提前斷裂而造成斷線 或者小球。退火攣晶密度大小和分布特點也是有利于切線動作的，退火攣晶在中心長軸區(qū) 少，有利于降低該區(qū)的機械強度，在切線時容易斷裂，使切線順暢，同時周圍的等軸晶區(qū)則 具有一定的強度（較高退火攣晶密度）和較大的延展性（各向同性的原因）。
【附圖說明】
[0033] 圖la是本發(fā)明實施例1制得的銀合金鍵合絲的EBSD圖；
[0034] 圖lb是市場現(xiàn)有同類產(chǎn)品的EBSD圖；
[0035] 圖2a是本發(fā)明實施例1銀合金鍵合絲的剖面EBSD-攣晶密度圖，該圖顯示鑾晶密 度為29.8% ;
[0036] 圖2b是市場現(xiàn)有同類產(chǎn)品的剖面EBSD-攣晶密度圖；該圖顯示鑾晶密度為 51. 7%。
【具體實施方式】
[0037] 實施例1
[0038] 本實施例的BB0S、BS0B打線用銀合金鍵合絲按重量計含有：鈀3. 4%，金6. 8%，鈣 40ppm，鐵 50ppm，Cu35ppm，Si8ppm，余量為銀。
[0039] 本實施例中，封裝用銀合金鍵合絲的制造方法包括下述步驟：
[0040] (1)熔鑄：在銀原料中按上述比例加入鈀、金、鈣、鐵，銅和硅經(jīng)過定向連續(xù)拉工 藝，獲得直徑為8mm(毫米）的線材；
[0041] (2)拉絲：對步驟（1)得到的線材進行拉絲，獲得直徑為23um(微米）的銀合金鍵 合絲；
[0042] 在拉絲過程中，對線材進行一次中間退火，中間退火在拉絲至直徑為0. 0633時進 行，在退火過程中采用N2來做為退火氣氛，退火爐有效長度為600_，退火溫度為610°C，退 火速率為90m/min;
[0043] (3