一种银合金键合丝及其制造方法
【专利说明】一种银合金键合丝及其制造方法 【技术领域】
[0001] 本发明涉及LED和1C封装用的键合丝，具体涉及一种适合于BB0S、BS0B打线封装 用银合金键合丝及其制造方法。 【【背景技术】】
[0002] 键合丝（bondingwire，又称键合线）是连接芯片与外部封装基板（substrate)和 /或多层线路板（PCB)的主要连接方式。键合丝的发展趋势，从产品方向上，主要是线径细 微化、高车间寿命（floorlife)以及高线轴长度；从化学成分上，主要有铜线（包括裸铜 线、镀钯铜线、闪金镀钯铜线）在半导体领域大幅度取代金线，而银线和银合金线在LED以 及部分1C封装应用上取代金线。
[0003] 早期银合金的要问题是线材表面容易硫化、氧化从而影响打线性能以及高温高湿 可靠性（PCT，HAST)问题，而这些问题都可以通过向银线中引入钯（Pd)而得到改善，尤其是 其高温高湿可靠性（PCT，HAST)问题。
[0004] 在1C行业，由于近期多芯片模式（MultiChipModule)和芯片堆栈（Die stacking)的广泛应用，对DietoDie(芯片到芯片）的打线性能提出了更高的要求，这其 中最重要的打线模式就是BS0B(bondingStichonball，球焊点上打线）。在LED行业除 了BS0B外，BB0S(Bondingballonstitch，在二焊点上种球）也有广泛应用。
[0005] 在BS0B的dietodie打线中，为了减少二焊（stitchbonding)过程中对芯片 Pad的冲击，通常采用在芯片A的Pad位置先种上一个焊球，然后再对另外一个相邻芯片B 上完成球焊、拉弧线、在芯片A已种球位置上完成第二焊点的打线，从而结束整个BS0B过 程。在LED行业中，由于没有象1C那样由于半导体尺寸下降而导致的芯片机械性能变弱的 情况（多孔的低K的介电材料的应用所导致的结果），但硅胶的应用及其高透气、透水性使 得二焊点的可靠性需要加强，所以在完成LED的正常打线后，会在二焊点上种球，以提高稳 定性，完成BB0S的打线模式。
[0006] 在银合金线材的早期使用过程中，短尾（SHTL)和断线本就是最常见的问题。短 尾的成因是在第二焊点打线中，由于打线参数太大或者线材强度性能发生变化，Tail bonding提前断裂导致留出的线尾不够长。随着银合金线材技术的进步，这一问题得到了很 大改观，而随着银合金在高级封装形式，多芯片模式（MultiChipModule)和芯片堆栈（Die stacking)中的广泛应用，BS0B、BB0S的大量应用对线材的结构稳定性提出了更高的要求， 为了满足这种要求，需要找到一种实际可行的线材结构和线材配方，将线材的结构和机械 性能变动性降低到更低的水平，从而提高银合金键合丝在BB0S和BS0B中的键合稳定性。 【
【发明内容】
】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是提供一种1C和LED封装BB0S、BS0B用高可靠性银 合金键合丝及其制造方法，这种银合金键合丝用于上述打线模式时，能通过有效的组分和 结构调整而获得重现性、稳定性更高的结构特征。
[0008] 本发明发现，当线材具有以下的特质时，其机械性能BL/EL能保持在一个恰当窄 的范围内，并使得线材在整个打线，尤其是切球的scrub过程中保持稳定（不断线）。具体 地，本发明提供的一个技术方案如下：
[0009] -种用于BBOS、BS0B打线方式的银合金键合丝，按重量计含有：
[0010] 2 ~3.5%的卩(1，
[0011] 5~lOppm的Ca，
[0012] 3 ~8ppm的Fe，
[0013] 0 ~15ppm的Cu，以及
[0014] 余量的Ag。
[0015] 目前的键合丝都是多晶体结构，一般键合丝在最终退火后其内部的每个晶体的取 向是随机的并均匀地指向不同方向，整体上呈现出各向同性。但对于本发明的线材，其线材 内部晶体的[100]方向与银合金键合丝轴心方向上的夹角小于20度的晶体占总晶体数目 的80%以上。
[0016] 在线材结构上，线材整体退火挛晶密度小于20%。
[0017] 本发明还提供了一种银合金键合丝的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：
[0018] 熔铸：在银原料中按事先确定的比例加入？(1、0&、？6、(：11，经过定向连续拉工艺，获 得直径为6~8mm的线材；
[0019] 拉丝：对经熔铸后得到的线材进行拉丝，获得直径为18~50um的银合金键合丝粗 品；
[0020] 最后退火：拉丝完成后，对银合金键合丝进行最后退火，在退火过程中采用N2或惰 性气体做为退火气氛，退火炉有效长度为600~800mm，退火温度为400~500°C，退火速率 为60~100m/min;退火过程中的张力设定保持在0. 2~0. 6g之间；
[0021] 最后退火结束后，再冷却到20~30°C，即得到用于BB0S、BS0B打线方式的银合金 键合丝。
[0022] 在拉丝步骤中，还可以对线材进行二次中间退火，中间退火在拉丝至直径为 0. 0911~0. 0384mm时进行，在退火过程中采用N2或惰性气体来做为退火气氛，退火炉有效 长度为600~800mm，退火温度为420~560°C，退火速率为50~120m/min。
[0023] 随后可对得到的LED封装用银合金键合丝进行机械检测和绕线。
[0024] 本发明发现，在线材含钯（Pd)量在2 - 3. 5%时能有效地改善封装产品在老化试 验中键合丝与芯片铝Pad界面頂C的腐蚀问题，即使不含有金，也可以得到满足LED工厂可 靠性的要求。本发明发现，除了Pd以外，该银合金材料应该保持相当的纯度，只有当控制 Ca，Fe，Cu-种和多种元素的组合在指定的低浓度范围时，才能在比较低的退火温度（尤 其针对最后退火）时得到足够大的工艺窗口，结合退火时的张力控制，以便获得高取向的 晶体结构，满足本发明BSOB，BB0S打线的需要。本发明的特殊之点在于，线材内部的晶体 形貌并没有沿着拉线方向的长轴晶存在，晶体的形状是接近于球性的，但每个晶体的内部 沿[100]方向的取向性是很强的，这使得线材的机械各向异性显著，主要体现为杨式模量 在[100]方向是最低的。此特性使线材在BSOB、BB0S的切线过程中更顺畅，因为沿[100] 方向的垂直方向的切线受到的阻力更小，但在靠近线材表面以下可能存在一个环形区域， 由于退火强度较内部区域高使得这部分的线材内的晶体的取向性比较弱，从而呈现各向同 性，所以此区在切线过程中同时表现出较高的机械强度和延展性，防止线材出现切线时容 易断裂的情况，同时这种结构有利于线材在切线过程中出现高的一致性。
[0025] 本发明发现在拉丝退火工艺设计上，相对于一般退火工艺对中间退火强度（退火 温度更低和退火时间更短）做适当的降低，同时中间退火点也采用在〇. 0911 - 0. 0384mm 时（相对一般拉线工艺更细的线径）进行；在最终退火过程参数的设计包括更低的退火强 度（退火温度在400 - 500°C之间和退火时间更短90 - 130m/min)和严格的最终退火期间 的张力管控（0. 2-0. 5g)。有利于形成具有特殊结构组合的银线材，极大地提高线材在BB0S 和BS0B打线过程中的稳定性。
[0026] 本发明银合金键合丝与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0027] (1)通过上述金属掺杂和拉丝退火工艺的设计，本发明得到的银合金线材同时具 有优秀的封装可靠性和BB0S和BS0B打线的顺畅性。
[0028] (2)线材结构可控性强，晶体取向性高，退火挛晶密度低，以及晶体粒径分布合理。
[0029] (3)本发明得到的线材其EL、BL分布更窄，线材结构和机械性能一致性高。
[0030] (4)本发明提出了一套掺杂元素配方和与之相配合的特殊退火工艺和关键退火张 力的控制来确保线材特殊结构的实现。
[0031] 上述应用上的优势主要来自于巧妙的掺杂和合金元素设计技术，并配合相配套的 拉丝退火工艺，有效抑制了晶体过渡生长，有效抑制了退火挛晶密度，以及晶体粒径分布方 面的调控性强。高的晶体取向性使得本发明的线材的机械性能（例如杨式模量）在理论上 会呈现各向异性，当线材内的晶体[100]方向与线材的轴向取向一致时，BB0S、BS0B打线时 的切线过程中，瓷嘴切的方向正好垂直于[100]方向，线材在此方向的杨式模量是最低的， 所以切线容易。在靠近线材表面以下可能存在的环形区域的各向同性，由于同时表现出较 高的机械强度和延展性，可以防止线材出现切线时容易断裂的情况，同时这种结构有利于 线材在切线过程中出现高的一致性。因此在退火中如何调试退火温度和时间，以及退火张 力，从而得到本发明的所需要的结构线材是重要的。另外本发明也指出要获得这样的结构， 必须将银线本身的某些元素控制在指定的低水平，这样得到的线材再结晶温度低，退火过 程中的晶体再结晶（recrystallization)速率、回复（Recovery)速率以及晶体生长（grain growth)速率之间的平衡才比较合适，不会出现过大的晶体或者大量小的晶体。 【【附图说明】】
[0032] 图la是本发明实施例1银合金键合丝的高取向晶体分布图，高取向晶体是指晶体