一种半导体用键合银合金丝及其制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种半导体用键合银合金丝及其制造方法，通过向含钯的银质线材中引入一定量的氢气，并结合合金技术和伸线技术来改善银合金线的材料性能，提升线材抗硫化、氧化能力，提高在N2气氛下的球焊时的结合面积和结合强度，从而提高线材的导电能力和可靠性。
【专利说明】一种半导体用键合银合金丝及其制造方法
【【技术领域】】
[0001]本发明涉及集成电路材料领域，具体涉及一种半导体用键合银合金丝及其制造方法。
【【背景技术】】
[0002]键合丝(bonding wire)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。键合丝发展趋势从应用方向上主要是线径细微化，高车间寿命(floor life)以及高线轴长度的产品，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IC封装应用上取代金线。相对于金线，银合金线主要的优势是产品成本低，线材软度与金线类同，打线时对IC损伤小，而其主要的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。虽然纯银线的电阻率小于铜线(1.63*10_8ohm.m, Ag: 1.68*10_8ohm.m, Cu)，而加入某些合金元素(例如Pd)后，其电阻率会大幅度增加到3-5*l(T8ohm.m(取决于Pd的添加量)。
[0003]目前,银合金线的成球过程需要采用Forming gas (比如5 % H2+95 % N2)或者纯N2气做保护，而处于成本原因，更多的企业希望采用纯氮气来生产，因此由于成球FAB表面的氧化等问题，造成在FAB与IC铝焊点(Pad)焊后，其结合面比率偏低。(焊接结合区域的面积与总体接触面积之比，并不是所有接触面内都能发生预期的焊接作用，通常大于80%才合格)，随后的MC形成和生长特性上，以及金属间化合物(MC)的覆盖率上(coverage)等因素会影响最终的净界面电阻率。结合面比率越低，MC越厚，MC coverage越低则净界面电阻率越高。降低了线材的导电性能，增加了可靠性风险。
[0004]焊接结合面比率与许多因素相关，最主要的是线材本身的特性，表面氧化度，FAB表面和IC焊点表面的清洁度。通过采用焊前plasma处理，去除IC焊点表面杂物等手段能有效提高结合面比率。然而这种方法比较费时而昂贵。
[0005]由于银及其银合金线表面容易硫化，氧化等特点，直接造成其车间寿命(floorlife)偏短。在N2气氛下，其在球焊过程中容易出现脱球，球焊点焊接不牢，焊点导电性能下降，可靠性低等问题，在使用过程中必须采用Forming gas (比如5% H2+95% N2)增加了焊接过程的成本和安全生产的难度。
[0006]为克服以上问题，市面上出现了表面镀金的银线来改善抗硫化问题以及提高成球性能(FAB)。台湾乐金在中国申请的专利CN103184362A公开了这种方法，然而该方法采用镀金工艺,增加了产品成本。
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【发明内容】
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[0007]本发明所要解决的技术问题是提供一种半导体用高可靠性键合银合金丝及其制造方法，通过向线材中引入一定量的氢气，并结合合金技术和伸线技术来改善银合金线的材料性能，提升线材抗硫化、氧化能力，提高在N2气氛下的球焊时的结合面积和结合强度，从而提高线材的导电能力和可靠性。
[0008]本发明的一个技术方案如下:
[0009]一种半导体用键合银合金丝，按重量比计算该合金中含有:
[0010]Pd2 ~8%
[0011]H5 ~1ppm
[0012]Ag余量；
[0013]其中所述Ag的纯度大于或等于99.99%。
[0014]上述半导体用键合银合金丝中，还含有第一添加物，所述第一添加物是选自Ca、Y、La、Ce、Mg或Bi中的至少一种；所述Ca、Y、La、Ce、Mg或Bi单独在合金丝中重量比计算的添加量为20~10ppm0 (即，在添加Ca、Y、La、Ce、Mg或Bi中的某一种或两种以上时，每一种添加物在合金丝中的添加量范围均在20~10ppm之间，而不是所有的“第一添加物”的添加量在20~10ppm之间。下同。)
[0015]上述半导体用键合银合金丝中，还含有第二添加物，所述第二添加物是选自Fe、Cu或Au中的至少一种；所述Fe或Cu单独在合金丝中重量比计算的添加量为20~60ppm，在有添加Au时，Au在合金丝中重量比计算的添加量为20~3000ppm。
[0016]上述半导体用键合银合金丝中，所述合金丝的直径为18~50微米。
[0017]本发明还提供了一种前述半导体用键合银合金丝的制造方法，包含以下步骤:
[0018]熔铸:按预先确定的比例将除H以外的原材料经过预合金、母合金和拉伸处理，获得线材原料(直径I~8_)；
[0019]拉丝:将线材原料经多次拉丝，并在多次拉丝的过程中对线材进行退火处理，获得直径在18-50微米之间的键合丝；
[0020]Forming Gas退火:拉丝完成后,对线材米用Forming Gas退火(即氮氢混合气氛退火)处理；最后一次退火结束后，将键合丝置入乙醇水溶液中冷却至室温，即得。
[0021]上述制造方法中，所述乙醇水溶液的质量百分浓度为10~20%。
[0022]上述制造方法中，所述Forming Gas退火的工艺条件为，退火温度500-650°C,退火炉有效长度为600mm,退火速度为50-100m/min。
[0023]本发明的银合金键合丝与现有技术相比，具有以下明显优点和实际效果:
[0024]1.本发明所采用的Pd合金，不仅能增加产品键合后的稳定性，更能够通过Pd含量的调控，调节后续吸氢过程的吸氢效率；
[0025]2.该含氢键合银丝在氢含量为5-10ppm时，在氮气条件下能获得优良的、比同类常规的键合银丝更好的键合性能和可靠性；
[0026]3.该发明的吸氢过程简单，参数容易控制；
[0027]4.线材中含有的改进机械性能的Ca、Y、La、Ce、Mg、Bi中的一种和多种的组合以及改善球均匀变形特性的Fe、Cu、Au中的一种和多种的组合的元素的加入对氢的吸入过程没有明显干扰；反之亦然。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0028]图1所示是本发明三个实施例所提供的线材与一个试验例所提供线材的FAB对照图；
[0029]图2所示是本发明一个实施例所提供的线材与一个试验例所提供线材在焊接后，对焊点进行腐蚀处理所得到的焊接点显微照相对照图；
[0030]图3所示是本发明一个实施例所提供的线材与一个试验例所提供线材在焊接后，球焊点的纵剖面显微照相对照图。
【【具体实施方式】】
[0031]为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0032]实施例
[0033]以下表1来配置线材组成:
[0034]表1、线材原料组成表
[0035]
【权利要求】
1.一种半导体用键合银合金丝，其特征在于，按重量比计算该合金中含有: Pd2 ~8% H5 ~1ppm Ag余量； 其中所述Ag的纯度大于或等于99.99%。
2.根据权利要求1所述的半导体用键合银合金丝，其特征在于，该合金中还含有第一添加物，所述第一添加物是选自Ca、Y、La、Ce、Mg或Bi中的至少一种；所述Ca、Y、La、Ce、Mg或Bi重量比计算的添加量为20~lOOppm。
3.根据权利要求2所述的半导体用键合银合金丝，其特征在于，该合金中还含有第二添加物，所述第二添加物是选自Fe、Cu或Au中的至少一种；所述Fe或Cu重量比计算的添加量为20~60ppm, Au重量比计算的添加量为20~3000ppm。
4.根据权利要求1所述的半导体用键合银合金丝，其特征在于，所述合金丝的直径为18~50微米。
5.权利要求1-3所述半导体用键合银合金丝的制造方法，其特征在于，包含以下步骤: 熔铸:按预先确定 的比例将除H以外的原材料经过预合金、母合金和拉伸处理，获得线材原料； 拉丝:将线材原料经多次拉丝，并在多次拉丝过程中对线材进行退火处理，获得直径在18-50微米之间的键合丝； 氮氢混合气氛退火:拉丝完成后，对线材米用氮氢混合气氛退火处理；最后一次退火结束后，将键合丝置入乙醇水溶液中冷却至室温，即得。
6.根据权利要求5所述半导体用键合银合金丝的制造方法，其特征在于，所述乙醇水溶液的质量百分浓度为10~20%。
7.根据权利要求5所述半导体用键合银合金丝的制造方法，其特征在于，所述氮氢混合气氛退火的工艺条件为:退火温度500-650°C，退火炉有效长度为600_，退火速度为50-100m/mino
【文档编号】C22C5/06GK104073676SQ201410336644
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】周振基, 周博轩, 任智 申请人:汕头市骏码凯撒有限公司