用于接合应用的银合金引线的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于接合应用的银合金引线。本发明涉及接合引线，该接合引线包括：具有表面的芯，其中所述芯包含银作为主要成分并包含选自金、钯、铂、铑、钌、镍、铜和铱的至少一者，该接合引线的特征在于其具有下述特性中的至少一个：i）所述芯的晶粒的平均尺寸为0.8μm-3μm，ii）在所述引线的横截面中具有<001>方向的取向的晶粒的量的范围为10-20%，iii）在所述引线的横截面中具有<111>方向的取向的晶粒的量的范围为5-15%，以及iv）在所述引线的横截面中具有<001>方向的取向的晶粒和具有<111>方向的取向的晶粒的总量的范围为15-40%。
【专利说明】用于接合应用的银合金引线
【技术领域】
[0001]本发明涉及接合引线(bonding wire),该接合引线包括:具有表面的芯,其中所述芯包含银作为主要成分并包含选自金、钯、钼、铑、钌、镍、铜和铱中的至少一者。
[0002]本发明还涉及具有根据本发明的引线的微电子部件封装体以及用于制造根据本发明的引线的方法。
【背景技术】
[0003]在半导体器件制造期间使用接合引线来制造用于使集成电路与印刷电路板电互连。此外，在功率电子应用中使用接合引线来电连接晶体管、二极管等与外壳的衬垫(pad)或引脚。尽管开始时接合引线由金制造，但是如今使用诸如银的不那么贵的材料。尽管银引线提供非常好的导电性和导热性，但是银引线的接合有其挑战。
[0004]在本发明中，术语接合引线包括所有的横截面形状以及所有通常的引线直径，但具有圆形横截面和小直径的接合引线是优选的。
[0005]一些最近的进展涉及具有基于银作为主要成分的芯材料的接合引线，这是因为与金相比银的价格低。然而，一直需要在接合引线本身以及接合工艺方面进一步提高接合引线技术。
【发明内容】
[0006]因此，本发明的一个目的是提供改进的接合引线。
[0007]由此，本发明的另一个目的是提供一种接合引线，该接合引线具有良好的加工特性并且在互连时没有特殊的需要，因此节约成本。
[0008]本发明的目的还在于提供一种接合引线，该接合引线具有优良的导电性和导热性。
[0009]本发明的另一目的是提供一种接合引线，该接合引线呈现改善的可靠性。
[0010]本发明的另一目的是提供一种接合引线，该接合引线呈现优良的可接合性。
[0011]本发明的又一目的是提供一种接合引线，对于二次接合或者楔形接合，该接合引线显示出提高的可接合性。
[0012]本发明的再一目的是提供一种接合引线，该接合引线具有高的针拉(stitchpull)值以及低的针拉值标准偏差。
[0013]本发明的再一目的是提供一种接合引线，该接合引线具有高的球剪力(ballshear)值以及低的球剪力值标准偏差。
[0014]本发明的另一目的是提供一种接合引线，该接合引线具有低的电阻率。
[0015]本发明的另一目的是提供一种微电子部件封装体，该封装体提供电子器件与封装体衬底之间的成本有效且可靠的连接。
[0016]另一目的是提供一种用于制造本发明的接合引线的方法，与已知方法相比，该方法基本上未显示出成本增加。[0017]令人惊讶的是，已经发现本发明的引线解决上述目标中的至少一个。此外，已经发现这样的制造这些引线的工艺:该工艺克服了至少一个制造引线的挑战。此外，发现了包括本发明的引线的系统在根据本发明的引线与其它电元件之间的界面处更可靠。
[0018]由形成类的权利要求(category-forming claim)的主题提供对至少一个上述目标的解决方案的贡献，由此代表本发明的优选方面的形成类的独立权利要求的从属子权利要求，其主题对解决至少一个上述目标做出贡献。
[0019]本公开的第一方面是一种接合引线，包括:
[0020]具有表面的芯，其中所述芯包含银作为主要成分并包含选自金、钯、钼、铑、钌、镍、铜和铱的至少一者，该接合引线的特征在于其具有下述特性中的至少一个:
[0021]i)所述芯的晶粒的平均尺寸为0.8 ii m-3 U m,
[0022]ii)在所述引线的横截面中具有〈001〉方向的取向的晶粒的量的范围为10-20%，
[0023]iii)在所述引线的横截面中具有〈111〉方向的取向的晶粒的量的范围为5-15%，以及
[0024]iv)在所述引线的横截面中具有〈001〉方向的取向的晶粒和具有〈111〉方向的取向的晶粒的总量的范围为15-40%。
[0025]各成分的所有含量或份额(share)当前以重量份额给出。特别地，以百分比给出的成分份额意指重量％，以ppm (百万分率)给出的成分份额意指重量-ppm。对于与具有特定尺寸和/或取向的晶粒相关的百分比值，这些值是颗粒总数的份额。
[0026]为了确定晶粒尺寸和/或晶粒取向，已经制备了引线样品并且利用电子显微镜，尤其是通过EBSD (=电子背散射衍射)来测量和评估了这些引线样品。关于所要求保护的发明的特征的确切定义，参考下文中对本发明的示例性实施例的描述。
[0027]优选地，根据本发明的引线不具有覆盖所述芯的表面的涂层。这允许简单且节约成本地制造所述弓I线。这并不排除对于特定应用，可能存在设置于本发明的引线的芯的表面上的涂层。
[0028]如果一种成分的份额超过所指的材料的所有另外的成分，则该成分是“主要成分”。优选地，主要成分包括该材料的总重量的至少50%。
[0029]在一个优选实施例中，所述芯包含银作为主要成分并包含选自金、钯和钼的至少一者。
[0030]在一个优选的具体实施例中，所述芯包含80 - 95wt.%的银、5 - 12wt.%的金、
1.5 - 5wt.%的钯以及最高为0.0lwt.%的不可避免的杂质。在该实施例中，金的含量范围更优选地为5%-12%，并且最优选地为6%-10%。在该实施例中，钯的量的范围更优选地为2%-5%，并且最优选地为2%-4%。
[0031]在一个备选实施例中，所述芯包含90-99.7wt.%的银、0.3 -1Owt.%的金、以及最闻为0.0lwt.%的不可避免的杂质。
[0032]在另一个备选实施例中，所述芯包含90-99.7wt.%的银、0.3 -1Owt.%的钯、以及最闻为0.0lwt.%的不可避免的杂质。
[0033]在又一个备选实施例中，所述芯包含80 - 99wt.%的银、0 -1Owt.%的金、
1- 20wt.%的钯以及最高为0.0lwt.%的不可避免的杂质。
[0034]在本发明的特别优选的实施例中，所述芯的晶粒的平均尺寸为1.0 ii m-1.6 Um0晶粒的这种尺寸特别地是均匀的并且对引线特性的良好可再现性有贡献。
[0035]在最有利的实施例中，晶粒尺寸的标准偏差为0 ii m-0.5 Um0更优选地，晶粒尺寸的标准偏差为0 ii m-0.4u m,或者甚至为0 y m-0.25 u m。令人1惊讶的是，已经证明如果晶粒尺寸特别均匀，则引线特性的质量和可再现性显著增强。
[0036]通常，可以通过适当选择已知的制造参数，来调整晶粒尺寸以及晶粒的另外的结构(诸如其取向)。所述制造参数是诸如退火温度和暴露时间的退火参数，以及其它参数，例如拉拔步骤(pulling step)的数目、相应的直径减小以及另外的参数。
[0037]在本发明的最优选的实施例中，在最后的引线拉拔步骤之前，引线已经经受中间退火步骤。中间退火意味着该退火在发生影响引线的微结构的进一步的步骤或措施之前进行。这种步骤例如是中间退火之后对引线的拉拔。
[0038]在将引线用于接合工艺之前使引线经受退火步骤，这通常可被理解为这种中间退火步骤或者替代地最后的退火步骤。这种最后的退火步骤被理解为影响引线微结构的引线制造中的最后步骤。这种最后的退火步骤的参数在本领域中是公知的。
[0039]在使引线经受最后的退火步骤的情况下，最优选的是，在之前已经进行了中间退火，这意味着在制造引线时进行至少两个不同的退火工序。对引线的微结构有影响的操作，诸如拉拔步骤，可以在中间退火和最后的退火之间进行。这允许对本发明的引线的晶体结构进行特别的优化。
[0040]在一个优选实施例中，在经受中间退火步骤时，芯前体(precursor)具有至少
0.5_的直径。甚至更优选地，所述直径至少为1_。另一方面，在中间退火期间所述芯的直径应当不超过IOmm,更优选地5_。当通过拉拔或其它形成方法从这种芯前体形成接合弓I线(尤其是形成细的接合引线)时，在形成步骤之前的中间退火显著有助于获得有利的晶体结构。芯前体被定义为最后引线芯的任何先前形式，而通过诸如滚(rolling)、拉拔、加热等的生产步骤加工所述芯前体。
[0041]总体上优选的是，将通过形成步骤——尤其是拉拔步骤——获得的在最后引线直径与经中间退火的芯之间的直径减小比率的范围被选择为0.1-0.002，更优选地为
0.05-0.005。
[0042]应当指出，对引线的进一步优化可以包括若干个中间退火工序，尽管对于生产效率而言，仅仅一个中间退火步骤是优选的。
[0043]在本发明的一个优选实施例中，中间退火步骤包括使引线经受至少350°C的退火温度，持续至少5分钟的经受时间。
[0044]更优选的退火温度的范围是400°C -600°C，最优选是450°C -550°C。
[0045]中间退火时间更优选地长于30分钟，特别地在30分钟-120分钟范围内。
[0046]本发明的一个特别优选的实施例组合中间退火的更优选的退火温度和更优选的经受时间。在该实施例中，450°C _550°C的退火温度与30分钟-120分钟的经受时间组合。
[0047]本发明的另一详细实施例包括在经受中间退火的退火温度之后经受冷却步骤，其中冷却步骤的持续时间为至少5分钟。
[0048]冷却步骤应当被理解为从退火温度到较低的温度的向下倾斜的温度曲线。该较低的温度可以是室温或者引线的结构不再发生显著变化的任何其它温度。特别地，该较低的温度可以是引线的正常工作温度，因为在预期没有对晶体结构的显著影响的范围中选择这种工作温度。对于一般LED应用，典型的工作温度的例子例如在70°C的范围内。
[0049]优选地，但不是必要的，从冷却步骤的开始到结束，温度相对于时间变化的图的形式是线性的。
[0050]如果冷却步骤的持续时间是中间退火的经受时间的持续时间的至少一半，则实现对晶体结构特别有利的影响。甚至更优选的是，冷却步骤的持续时间与中间退火步骤的持续时间大致相同。令人惊讶的是，已经证明相当慢的受控的冷却显著提高晶体结构的均匀性。
[0051]本发明特别地涉及细接合引线。特别地，与晶粒尺寸和晶粒取向的控制有关的所观察到的效果，对于细引线是特别有益的。在该情况下，术语“细引线”被定义为直径处于Sym-SOym的范围中的引线。尤其优选地，根据本发明的细引线具有小于30 的直径。在这种细弓丨线中，本发明的组成和退火尤其有助于实现有益的特性。
[0052]这种细引线大部分，但不是必需地，具有基本上为圆形的横截面视图。本上下文中的术语“横截面视图”是指穿过引线的切割的视图，其中该切割的面垂直于引线的纵向延伸。可以在该引线的纵向延伸上的任何位置处发现所述横截面视图。在横截面中穿过引线的“最长路径”是可以在横截面视图的平面内贯穿导线的横截面铺设的最长弦(chord)。在横截面中穿过引线的“最短路径”是可以与在如上定义的横截面视图的平面内的所述最长路径垂直的最长弦。如果引线具有完美的圆形横截面，则最长路径和最短路径变得不可区分并且共享相同的值。术语“直径”是任何平面的所有几何直径的算术含义并且在任何方向上，其中所有平面垂直于引线的纵向延伸。
[0053]本发明的另一方面是一种微电子部件封装体，该封装体包括通过根据本发明的接合弓I线而彼此连接的电子器件和衬底。
[0054]在该部件封装体的一个优选具体实施例中，所述电子部件是发光二极管。已经证明，根据本发明的引线不仅极好地适用于接合这种LED器件，而且引线材料的反射率也证明为该特定应用提供良好结果。
[0055]本发明的另一方面是一种制造根据本发明的接合引线的方法，包括如下步骤:
[0056]a.提供引线芯前体；
[0057]b.拉拔所述前体直到达到所述引线芯的最终直径；
[0058]c.在最低退火温度下对经拉拔的引线进行最短退火时间的退火。
[0059]应当理解，前体的拉拔可以在若干个步骤中完成。引线芯前体被理解为具有本发明引线的组成。这种前体可以简单地通过将限定量的银熔化、以限定的量添加另外的成分以及小心地均匀混合来获得。引线芯前体然后可以被浇注或者以任何已知的方式从熔化的或固化的合金形成。
[0060]在本发明的最优选的实施例中，该方法包括如下步骤:d.在步骤b之前对引线芯前体进行中间退火。
[0061]该附加的中间退火步骤引起在强机械形变之前对晶体结构的优化，所述机械形变发生在拉拔引线时等等。已经证明中间退火对于最后得到的引线的微结构是有益的。例如，该中间退火可以有助于减小最终产品中的晶粒尺寸的偏差、改善晶粒取向等等。可以针对所需的引线直径来调整中间退火的参数。
[0062]优选地，最低中间退火温度是350°C，并且最短中间退火时间是5分钟。[0063]有利地，所述方法还包括如下步骤:在中间退火之后将引线从至少退火温度冷却降低到不超过通常的工作温度，其中该冷却的持续时间至少是5分钟。
[0064]关于用于制造引线的方法的更优选的详细实施例，尤其是关于最佳退火参数，参考上文中对本发明的引线的描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0065]在图中示例了本发明的主题。然而，附图并不旨在以任何方式限制本发明或权利要求的范围。
[0066]图1示出了本发明的引线的横截面制备的扫描，其中晶粒边界是可见的。
[0067]图2示出了与未经中间退火的引线相比，本发明的引线的晶粒尺寸评估(evaluation)的图不。
[0068]图3示出了图1的引线，其中不同取向的晶粒被标记并评估。
[0069]图4示出了图1的引线的晶粒尺寸的评估的图。
[0070]图5示出了比较三条引线的图示。
【具体实施方式】[0071]实例
[0072]进一步通过实例示例本发明。该实例用于示例性阐明本发明，并不旨在以任何方式限制本发明或权利要求的范围。
[0073]通过熔化预定量的纯银并且添加预定量的纯金和钯而制备了合金，以获得如下(以重量_%为单位)的良好混合的组合物:
[0074]银金钯
[0075]89% 8% 3%
[0076]将熔化的混合物浇注成型并且冷却，以获得引线芯前体。引线前体具有2_的直径。
[0077]然后在中间退火步骤中对该2_直径的引线芯前体进行退火。在该步骤中，将芯前体插入到被预热至500°C的温度的退火炉中。然后，以500°C的恒定温度将芯前体保持在炉中持续90分钟的暴露时间。
[0078]在该中间退火步骤之后继续进行具有以下参数的冷却步骤:在90分钟的时间段期间将炉温度从500°C线性降低到室温。
[0079]然后在若干拉拔步骤中将经中间退火的芯前体拉拔成具有ISym的最终直径的细引线。
[0080]然后使用通常的退火参数在最终的退火步骤中对所得到的18 Pm引线进行退火。
[0081]所得到的根据本发明的引线被用于若干测试。
[0082]首先，将该引线与两条基于与本发明的引线相似的银合金的标准引线相比较。比较结果包括关于引线的电阻率、关于针拉性能以及关于球剪力性能的数据。对于引线的这些特性，使用了引线接合领域中的标准测试过程。
[0083]图5示出了比较三条弓丨线的图示。根据本发明的引线被命名为Wl，两条比较用引线被命名为Cl和C2。引线的电阻率具有如下值:[0084]Wl Cl C2
[0085]电阻率[ii Q Xcm]:4，66 4, 80 5, 10
[0086](表1)
[0087]本发明的引线样品Wl具有到目前为止最低的电阻率(小于4.7 y Q Xcm)，一般而言这是接合引线的非常有利的特征。
[0088]比较针拉性能，不仅高针拉值是有利的，而且甚至所述值的低的偏差也是有利的，这是因为低的偏差在制造工艺中提供了高度控制和可靠性。
[0089]在下面的表2中给出了这三条引线的结果:
[0090]
【权利要求】
1.一种接合引线，包括: 具有表面的芯， 其中所述芯包含银作为主要成分并包含选自金、钯、钼、铑、钌、镍、铜和铱的至少一者，该接合引线的特征在于其具有下述特性中的至少一个: i)所述芯的晶粒的平均尺寸为0.8 ii m-3 u m， ii)在所述引线的横截面中具有〈001〉方向的取向的晶粒的量的范围为10-20%， iii)在所述引线的横截面中具有〈111〉方向的取向的晶粒的量的范围为5-15%，以及 iv)在所述引线的横截面中具有〈001〉方向的取向的晶粒和具有〈111〉方向的取向的晶粒的总量的范围为15-40%。
2.根据权利要求1所述的接合引线，其特征在于:所述芯包含银作为主要成分并包含选自金、钯和钼的至少一者。
3.根据权利要求1所述的接合引线，其特征在于:所述芯包含80- 95wt.%的银、5- 12wt.%的金、 1.5 - 5wt.%的钯以及最高为0.01wt.%的不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的接合引线，其特征在于:所述芯包含90-99.7wt.%的银、0.3 -1Owt.%的金、以及最高为0.01wt.%的不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的接合引线，其特征在于:所述芯包含90-99.7wt.%的银、0.3 -1Owt.%的钯、以及最高为0.01wt.%的不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的接合引线，其特征在于:所述芯包含80- 99wt.%的银、0 -1Owt.%的金、1- 20wt.%的钯以及最高为0.01wt.%的不可避免的杂质。
7.根据权利要求1所述的接合引线，其特征在于:所述芯的晶粒的平均尺寸为l.0u m_l.6 u rn。
8.根据权利要求1所述的接合引线，其特征在于:晶粒尺寸的标准偏差为0 u m-0.5 u rn。
9.根据权利要求1所述的接合引线，其特征在于:晶粒尺寸的标准偏差为0u m-0.4 u rn。
10.根据权利要求1所述的接合引线，其特征在于:在最后的引线拉拔步骤之前，所述引线已经经受中间退火步骤。
11.根据权利要求10所述的接合引线，其特征在于:在经受所述中间退火步骤时芯前体具有至少0.5mm的直径。
12.根据权利要求10或11所述的接合引线，其特征在于:所述中间退火步骤包括使所述引线经受至少350°C的退火温度，持续至少5分钟的经受时间。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的接合引线，其特征在于:所述引线在经受退火温度之后经受冷却步骤，其中所述冷却步骤的持续时间为至少5分钟。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的接合引线，其特征在于:所述冷却步骤的持续时间为所述经受时间的持续时间的至少一半。
15.根据权利要求10-14中任一项所述的接合引线，其特征在于:所述引线的直径处于10-30 iim的范围内。
16.一种微电子部件封装体，该封装体包括通过根据前述权利要求中任一项所述的接合引线而彼此连接的电子器件和衬底。
17.—种制造根据权利要求1-16中的一项所述的接合引线的方法，包括如下步骤: a.提供引线芯前体； b.拉拔所述前体直到达到所述引线芯的最终直径； c.在最低退火温度下对经拉拔的引线进行最短退火时间的退火。
18.根据权利要求17所述的方法，包括如下步骤: d.在步骤b之前对所述引线芯前体进行中间退火。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述最低中间退火温度是350°C，并且所述最短中间退火时间是5分钟。
20.根据权利要求18或19所述的方法，还包括如下步骤: e.将中间退火之后的所述引线从至少中间退火温度冷却降低到不超过通常的工作温度，其中该冷却的持续时间是至 少5分钟。
【文档编号】H01L23/49GK103681568SQ201310397219
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2012年9月4日
【发明者】J-S·柳, E-K·郑, Y-D·卓 申请人:赫劳斯材料工艺有限及两合公司