耐电热银基双相线及其制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种耐电热银基双相线及其制造方法。该耐电热银基双相线的制造方法是先在银线中形成不超过8wt.%纳米铝粒，并使这些铝粒在银基底中均匀分布；接着，在银基线的表面镀上厚度不小于32nm的铬层；最后，再将镀有铬层的银基线进行热处理，使铬层的铬离子进入银基线，并在银基线的表面形成抗氧化层，其中抗氧化层包含有Ag2Cr相和AgAl7Cr相，即为耐电热银基双相线。
【专利说明】耐电热银基双相线及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明关于一种耐电热银基双相线及其制造方法，尤其是指一种适用于半导体封 装、IC封装或发光二极体封装的耐电热银基双相线及其制造方法，通过掺杂纳米纯铝粒进 入银线中，以及在银基线表面镀铬层再热处理的程序，形成具有Ag2Cr相及AgAl7Cr相的银 基双相线，达到提升银基双相线的抗氧化性与热稳定性和保有优异耐熔断电流的功效，同 时以适当的热处理条件控制残留镀铬层，使其成为非镀层的热扩散线材，进而能有效抑制 打线界面金属间化合物生成厚度（例如Ag 2Al或Ag4Al)，并维持银基双相线回路的低电阻 特性。
【背景技术】
[0002] 低电阻率是一般电子产品封装导线的基本要求，而对于高速运作及高频的积体电 路元件而言（例如：高速放大器、震荡器、电源管理积体电路、以及高速通讯元件等），为了 避免讯号延迟（signal delaying)及串音干扰（cross talk interference),对导线的电 阻率要求更为严格；此外，为了确保产品在长时间及严苛条件下能够维持正常寿命与功能 (耐候性），可靠度的考量也极为重要；因此，封装产业需要能够兼顾低阻抗且高信赖的打 线接合线材。
[0003] 目前常见的封装导线，有金线、铜线、银线、合金线等，以银线为例，银是在所有材 料中电阻率最低的元素，但是纯银线在铝垫上打线接合时也会生成脆性的金属间化合物 (Ag 2Al或Ag4Al);此外，纯银线在含水气的封装材料内部很容易发生电解离子迁移现象 (ion migration)，即纯银在含水气环境会经由电流作用水解溶出银离子，再与氧反应成为 不稳定的氧化银（AgO)，此氧化银会进行去氧化作用（deoxidize)形成银原子，并向正极 成长出树叶纹理状（leaf vein)的银须，最后造成正负电极的短路；因此，目前纯银线并无 法提供业界所需的成球性与稳定性；于是有人用以银为主的合金线（例如包括铜、钼、锰、 铬、金等元素）作为封装导线，但所形成的线材仍无法兼具低阻抗及高可靠度的性质，无法 通过高温氧化试验，且无提升熔断电流密度；举例而言，请参阅中国台湾发明专利公告第 1394849所揭露的"银基合金线材及其制造方法"，提供一种银基合金线材，其是至少由银、 钯、锗及钼所形成的合金线材，借着掺杂适量的钯（Pd)有效提升银线材的抗氧化及抗硫化 腐蚀能力，同时由于其扩散速率极低以及表面生成物的阻隔性，可以避免银的离子迁移问 题，并对于银与铝垫的界面间金属反应也有抑制效果；而适量的锗（Ge)可以有效提升线 材的抗氧化及硫化性，同时可以提高焊点的接合强度；另外，适量的钼（Pt)可增强线材的 抗氧化、硫化性及氯离子腐蚀性，并对于银的离子迁移现象也有明显抑制效应，同时也减少 银合金线与铝垫形成金属间化合物；但是，上述的银基合金线材在制作时需精准地（ppm等 级）调配钯、锗及钼的组成比例，若掺杂钯的含量过高时，则会造成合金线材的电阻升高， 锗的含量过高时，则会使线材延展性降低，而钼的含量过高时，则会使线材的电阻率明显提 高，使得制造时想要维持可靠度的一致性相当不易；此外，上述线材也无法通过高温氧化试 验，且无提升熔断电流密度的效应。
[0004] 此外，为了解决纯银接合线易氧化的问题，有人提出在其表面镀上其他金属镀层 以改善易氧化及腐蚀的方法，请一并参阅新日铁高新材料股份有限公司与日铁微金属股份 有限公司所申请的一系列有关半导体装置用合接线的中国台湾发明专利，公告第1342809 所揭露的"半导体装置用合接线"、公告第1364806所揭露的"半导体装置用合接线"、公告 第1364806所揭露的"半导体用接合导线"、公开第201107499的"半导体用铜合金接合线"、 公开第201140718的"半导体用铜接合线及其接合构造"以及公开第201230903的"复数 层铜接合线的接合构造"；上述前案的接合线结构大抵都是在芯材（可为铜、金、银等金属 所构成）表面设有表皮层（可为钯、钌、铑、钼以及银所构成），导致上述的接合线在实际实 施使用时常产生下述缺失：(a)因镀金属的线材其表面具有表皮层，使得硬度偏高，且工艺 电流控制不易，常导致镀层厚度不均，造成封装过程整体产出率差、良率偏低；(b)银或银 合金镀上钮层在烧球成型（electric frame off, EF0)时，因表面的钮层使得成球（free air ball, FAB)的球心硬度过硬，造成焊球上方颈部的强度不足，在打线（wire bonding, WB)后，常发生颈部断裂问题，进而导致接合界面剥离的问题发生；且钯元素在焊球中也具 偏析问题，该球部组织差异大影响打线条件；再者，该线材无法在高温环境下维持表面抗氧 化性，且成球时需要在有气氛保护的条件下，否则无法成球打线。
[0005] 此外，一般接合线材在打线后必须以热固性塑料（例如环氧树脂（EPOXY)加以封 胶（Molding)保护；但是，环氧树脂材料在高温或者长时间的二极体元件的点亮，会发生光 劣化或黄变等问题，无法达到LED封装产业工艺可靠度的品质要求，且线材无法有效抑制 负离子侵蚀表面和维持长时间高湿高热环境的稳定度。
【发明内容】
[0006] 发明人即是鉴于上述现有封装用的银基合金线材或接合线在实际实施上仍具有 多处的缺失，于是以本孜孜不倦的精神，并通过其丰富的专业知识及多年的实务经验所辅 佐,而加以改善,并据此研创出本发明。
[0007] 本发明主要目的为提供一种耐电热银基双相线及其制造方法，尤其是指一种通过 掺杂纳米纯铝粒进入银线中，以及在银基线表面镀铬层再热处理的程序，在银基线表面形 成Ag 2Cr相及AgAl7Cr相，达到提升银基双相线的抗氧化性与热稳定性的功效，同时以适当 的热处理条件控制残留镀铬层，有效地抑制界面金属间化合物生成厚度，进而维持银基双 相线回路低电阻特性。
[0008] 为了达到上述实施目的，本发明提出一种耐电热银基双相线及其制造方法，其制 造方法首先在银线中形成不超过8wt. %的纳米错粒，较佳为3wt. %-8wt. %的纳米错粒，并使 这些铝粒在银基底中均匀分布，使得银线形成为银基线；其中上述铝粒的粒径为10-20nm ; 接着，在银基线的表面镀上厚度不小于32nm的铬层，较佳为32nm-106nm ;最后，再将镀有铬 层的银基线进行热处理，使铬层的铬离子进入银基线基底，并在银基线表面化合形成抗氧 化层，其中所述抗氧化层包含有Ag 2Cr相和AgAl7Cr相，形成为银基双相线；这样，经热处理 化所形成的Ag2Cr及AgAl 7Cr相，可提升本发明耐电热银基双相线的抗氧化性，特别是高温 抗氧化性质，避免现有技术中用以封胶接合线材的环氧树脂材料因光热劣化或黄变所产生 的问题，且因银基双相线内部无异常粗大晶粒，具有高温线材强度和接合界面强度不弱化 的功效，也提升其机械性质和热稳定性。
[0009] 在本发明的一实施例中，在银线中形成纳米铝粒的方法是将铝粒加入银熔汤中搅 拌均匀混合，较佳地，是使用真空电磁进行搅拌。
[0010] 在本发明的一实施例中，热处理是加热至400-700°C，并持续该温度不超过1小 时，使得铬层的铬离子完全或部分进入银基线基底，残留镀铬层的厚度为〇_71nm，以适当的 热处理条件控制残留镀铬层，使得在打线成球后，有效抑制界面金属间化合物生成厚度，进 而维持银基双相线回路低电阻特性。
[0011] 此外，本发明的耐电热银基双相线因热处理条件不同而具有两种结构形式，其一 是包括银基线以及包围银基线表面的抗氧化层，银基线具有不超过8wt. %的纳米铝粒，且 抗氧化层包含有Ag2Cr相和AgAl7Cr相；另一耐电热银基双相线则包括有银基线、包围银基 线表面的抗氧化层以及包围抗氧化层表面的铬层，所述银基线具有不超过8wt. %的铝粒， 且所述抗氧化层包含有Ag2Cr相和AgAl7Cr相。
[0012] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：
[0013] 1、本发明通过掺杂（添加）纳米纯铝粒进入银线中，使其在基底中均布，不仅可增 加银基线的强度，也保有延展性；此外，通过镀铬层在银基线表面，经热处理化形成Ag 2Cr和 AgAl7Cr相，进而可提升抗氧化性，避免现有技术中用以封胶接合线材的环氧树脂材料因光 热劣化或黄变所产生的问题，且因银基双相线内部无异常粗大晶粒，也提升本发明银基双 相线的热稳定性。
[0014] 2、本发明通过适当的热处理条件控制残留镀铬层，使得在打线成球后，可有效抑 制界面金属间化合物生成厚度（例如Ag 2Al或Ag4Al)，进而维持银基双相线回路低电阻特 性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本发明较佳实施例的制造方法的步骤流程图；
[0016] 图2为本发明其一具体实施例的银基线在热处理后，银基线表面仅具有抗氧化层 的显微镜组织图；
[0017] 图3为本发明其二具体实施例的银基线在热处理后，银基线表面具有抗氧化层以 及铬层的显微镜组织图。
[0018] 主要元件符号说明：
[0019] Sl 步骤一 S2步骤二
[0020] S3步骤三
【具体实施方式】
[0021] 本发明的目的及其结构功能上的优点，将依据附图所示的结构，配合具体实施例 予以说明，以使人们能对本发明有更深入且具体的了解。
[0022] 首先，本发明的耐电热银基双相线适用于半导体封装、IC封装、LED封装等的电子 工业零件的封装导线；其具体实施例的制造方法包括下列步骤，请参阅图1所示：
[0023] 步骤一 Sl :在银线中形成不超过8wt. %的纳米铝粒，并使这些铝粒在银基底中均 匀分布，通过铝金属颗粒掺杂或添加以增加银基线的强度，并保有其延展性，同时不降低熔 断电流密度；其中，步骤一 Sl可例如将不超过8wt. %的纳米铝粒加入银熔汤中并以真空电 磁搅拌均匀混合具体实施，以达到铝粒在银基底中均匀分布的功效，然而其他各种将铝基 颗粒（例如铝锆颗粒、铝锌颗粒、铝镁颗粒、铝铜颗粒、铝锡颗粒以及铝硅颗粒等）或将铝 金属渗入银线中常见或创新的技术手段都可以用于实施本发明，例如先在银线表面镀上铝 层，再经热处理使铝金属渗入银线中，在此步骤一 Sl的具体实施手段并不限定；此外，上述 所添加的错粒的粒径为10-20nm，且错粒添加量较佳为3wt. %-8wt. % ;请参阅表1所示，其是 在银线（20 μ m)掺杂（添加）有分别为 0、0· 5wt. %、lwt. %、3wt. %、5wt. %、8wt. % 以及 IOwt. % 的纳米铝粒，并在本发明步骤二S2和步骤三S3完成后所得的银基双相线在熔断电流、拉伸 强度以及延展性特性上的实验数据表；可清楚得知，纳米铝粒添加量直到8wt. %时，银基双 相线的熔断电流才会有显著低落，且铝粒添加量为3wt. %-8wt. %的银基双相线在上述三种 特性上具有较佳的平均表现；
[0024] 表 1
[0025]
【权利要求】
1. 一种耐电热银基双相线的制造方法，包括下列步骤： 步骤一：在银线中形成不超过8wt. %的铝粒，并使这些铝粒在银基底中均匀分布，该银 线即形成为银基线； 步骤二：在该银基线的表面镀上厚度不小于32nm的铬层；以及 步骤三：再将镀有该铬层的银基线进行热处理，使该铬层的铬离子进入该银基线基底， 并在该银基线的表面形成抗氧化层，其中该抗氧化层包含有Ag2Cr相和AgAl7Cr相，即形成 为银基双相线。
2. 根据权利要求1所述的耐电热银基双相线的制造方法，其中，所述步骤一是将所述 铝粒加入银熔汤中搅拌均匀混合。
3. 根据权利要求1所述的耐电热银基双相线的制造方法，其中，所述铝粒的粒径为 10_20nm。
4. 根据权利要求1所述的耐电热银基双相线的制造方法，其中，所述步骤一中添加有 3wt. %_8wt. % 的错粒。
5. 根据权利要求1所述的耐电热银基双相线的制造方法，其中，所述热处理是加热至 400-700°C，并持续所述温度不超过1小时。
6. 根据权利要求1所述的耐电热银基双相线的制造方法，其中，所述铬层的厚度为 32nm_106nm〇
7. 根据权利要求6所述的耐电热银基双相线的制造方法，其中，所述步骤三是使所述 铬层中的铬离子完全或部分进入所述银基线基底。
8. -种由权利要求1至7中任一项所述的方法制备的耐电热银基双相线。
9. 根据权利要求8所述的耐电热银基双相线，其中，所述耐电热银基双相线包括银基 线以及包围所述银基线表面的抗氧化层，所述银基线具有不超过8wt. %的铝粒，且所述抗 氧化层包含有Ag2Cr相和AgAl7Cr相。
10. 根据权利要求8所述的耐电热银基双相线，其中，所述耐电热银基双相线包括银基 线、包围所述银基线表面的抗氧化层以及包围所述抗氧化层表面的铬层，所述银基线具有 不超过8wt. %的错粒，且所述抗氧化层包含有Ag2Cr相和AgAl7Cr相。
【文档编号】C22C5/06GK104419843SQ201310368093
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月21日 优先权日:2013年8月21日
【发明者】吕传盛, 洪飞义 申请人:吕传盛, 洪飞义