半导体封装用银合金线及其制备方法

半导体封装用银合金线及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种半导体封装用银合金线及其制备方法，涉及金属材料【技术领域】。组成此银合金线的材料各成分的重量百分比为：0.1-1％金，1-5％钯，0.003-0.006％钙，0.0015-0.003％铈，其余为银补足100％。本发明制备的银合金线成本低廉，在半导体器件上进行焊接应用的物理性能稳定，抗氧化性能好，能替代昂贵的键合金丝在半导体封装上应用。
【专利说明】半导体封装用银合金线及其制备方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及金属材料【技术领域】，特别涉及一种半导体封装用银合金线及其制备方 法。

【背景技术】
[0002] LED发光管及半导体封装需要的内引线（也称键合丝）通常都采取高纯黄金制成 的金线，其直径范围在Φ15μπι?Φ50μπι。随着金价的不断上升，封装成本越来越高。为 此各封装厂商纷纷推出铜线键合来取代金丝键合，以缓解封装成本压力。与金丝相比，铜线 具有更好的电学和机械特性，所以同样的产品可以使用直径更小的铜丝来进行键合，而且 更适合于芯片焊盘小、间距窄和键合距离长的封装产品。然而使用铜导线时，由于封装用树 脂与导线的热膨胀系数差异过大，随着半导体启动后温度上升，因热形成的体积膨胀对形 成回路的铜接合线产生外部应力，特别是对暴露于严酷的热循环条件下的半导体组件，容 易使铜接合线发生断线问题。另铜的稳定性远不及金，在保存和焊接过程中纯铜丝非常容 易氧化。为了提高键合生产效率及产品可靠性，解决纯铜丝易氧化、寿命短的缺失，目前封 装厂商主要采用镀钯铜丝作为键合丝。不过，镀钯铜线的表面硬度偏高，且镀钯层厚度不 均，造成封装过程整体产出率差、良率偏低等问题。另镀钯铜线在半导体封装上也有焊球硬 度偏大，芯片容易砸伤等问题。因此尽管目前市场上已经有了几种替代品出现来代替高纯 黄金键合丝，但是由于其自身的局限，不能完全取代传统的键合金丝，致使现在还有相当一 部分的LED及半导体封装仍然在使用昂贵的高纯黄金键合丝。


【发明内容】

[0003] 本发明的目的是为了解决以上替代品所存在的技术问题，提供一种新型银合金 线，具备有金键合丝的特性，很好的解决了上述替代品（铜线，镀钯铜线等）存在的问题，同 时成本相对较低。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
[0005] 提供一种半导体封装用银合金线，主要包括以下重量百分比的组分：0. 1-1%金， 1-5%钯，0· 003-0. 006%钙，0· 0015-0. 003%铈，其余为银补足 100%。
[0006] 本发明还提供一种半导体封装用银合金线的制备方法，主要包括以下步骤：
[0007] 1)将银原料电解提纯，制备纯度大于99. 999%的高纯银；
[0008] 2)通过真空熔炼制备中间合金，包括含10-15%钯的银钯合金，含0. 2-0. 8%钙的 银钙合金，含〇. 1-0. 6 %铈的银铈合金；
[0009] 3)将步骤2)剩余所述高纯银在950-1KKTC下熔炼，并在惰性气体氛围下加入步 骤2)中所述银钯合金、银钙合金、银铈合金和高纯金粉搅拌精炼，然后进行铸造拉伸，拉伸 速度为4. 0-10mm/min，得到C>5-8mm的银合金棒；所述银合金棒含0. 1-1 %金，1-5 %钮， 0· 003-0. 006%钙，0· 0015-0. 003%铈；
[0010] 4)将步骤3)中所述银合金棒进行预拉伸，在氮气保护氛围350°C _480°C下连续退 火，再进行超细拉伸，直至直径为15m-50m的银合金线；
[0011] 5)将步骤4)中所述的银合金线在450°〇-5501：，35-65米/分钟速度下连续退火。
[0012] 作为优选，本发明提供的银合金线的制备方法，还包括：
[0013] 6)表面处理：将步骤5)中的银合金线用浓度为1-2%的盐酸进行酸洗，随后进行 高纯水冲洗，再进行高压射流冲洗，最后烘干。
[0014] 作为优选，本发明提供的银合金线的制备方法，还包括：
[0015] 将步骤5)或6)中制得的银合金线进行绕线，其中绕线张力为2-15g，绕丝速度为 50_80m/min，线间距为 4. 5-5. 5mm。
[0016] 作为优选，步骤4)中预拉伸后银线直径为50m-100m。
[0017] 作为优选，步骤6)中连续酸洗烘干速度为65m/min，烘干温度为140-160°C。
[0018] 与现有金丝技术相比，本发明材料的优点在于：
[0019] 1.具有与键合金相同的焊接性能、成球特性优秀、硬度与金球基本相同及可靠性 1?等优点。
[0020] 2.成本较低，成本低廉，只相当于键合金丝的四分之一价格。
[0021] 3.可焊性、顺畅度、焊球稳定性、电性能及可靠性等同于键合金丝。

【具体实施方式】
[0022] 下面将结合本发明中的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发 明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明保护的范围。
[0023] 实施例1
[0024] a.提供银原料：购买纯度为99. 9%以上的银原料；
[0025] b.银原料电解提纯：电解液为硝酸银溶液（优级纯）加高纯水按1 :4· 5比例稀 释，总需要的容量为50升；粗银块作为阳极（尺寸约为150mmX50mmX10mm)浸入电解液 中，单体重量为1000克，保证粗银块95%体积浸入电解液中；高纯银箔或不锈钢薄板（尺 寸为150mmX50mmX Imm)作为阴极浸入电解液中，保证阴极片有95%体积浸入电解液中， 两极分别接上直流电源。打开直流电源，调节电压为6V，电流2. 5A，温度控制在65°C以内， 待阴极得到的高纯银（99. 9995% )达到I. 5kg左右时，更换阴极，将得到的高纯银先用高纯 水清洗，再真空烘干，烘干温度为260°C，时间为3小时；
[0026] c.预制中间合金：将得到的高纯银分三份，一份1000克（用于银钯合金），其余各 500克（用于银钙、银铈合金）分别放入真空熔炼炉，分别添加钯100克、铈2. 5克、钙3克进 行熔炼分别制成含钯10 %的银钯合金，含铈〇. 5%的银铈合金，含钙0. 6%的银钙合金；该 中间合金制备过程的熔炼温度分别为银钯合金1550°C，银铈合金995°C，银钙合金995°C， 真空度为5X 1(Γ3ΜΡΑ。中间合金形状为50X 30X 3± Imm的长方形板材；熔炼结束充分冷却 后在压片机上将上述中间合金方材轧制成厚0. 3-0. 5mm，宽30-40mm的薄片待用。
[0027] d.制备合金银棒：在一个有氦气气氛的定向凝固垂直连铸金属单晶的连铸室，连 续加入1367克99. 9995%的高纯银棒后，在950°C下进行高频感应加热，在完成溶化后进行 区域熔炼，之后保温。在维持3L/min净化氩气流量的连铸室中添加中间合金银钯中间合 金600克、高纯金粉（99. 99% )10克、银钙合金15克、银铈合金8克，静止10分钟后开始 搅拌1分钟，再次静止精炼10分钟；然后以4mm/min速度拉伸，完成连铸铸造，得到Φ 5mm 的银棒；该银棒合金比例为：钯：3±0.1%，金：0.5±0.1%，钙 ：0.0045±0.0001 %，铈： 0. 002±0. 0001% ;
[0028] e.预拉伸：在拉伸机上将Φ 5mm的合金银棒拉伸成Φ 50 μ m的银线；
[0029] f.中间退火：将Φ50 μ m的银线在350°C温度下连续退火并通氮气保护；
[0030] g.超细拉伸：采用精密拉伸机，将中间退火完成后的银线进行超细拉伸，直至拉 伸至Φ20 μ m ;
[0031] h.热处理：将Φ15μπι的银丝通过连续退火炉，在温度为455±3°C，速度35m/min 下连续退火。控制退火后的丝材拉断力为6-9克；延展率为10-15% ;
[0032] j.表面处理：首先采用浓度为1 %的盐酸配比液进行酸洗，随后进行两次的高纯 水冲洗，再进行一次的高压射流冲洗，最后烘干。连续酸洗烘干速度为65m/min ;烘干温度 为 150°C ;
[0033] L绕线：以500m为一单卷长度单位，控制绕丝张力为2g，绕丝速度为50m/min，线 间距为4. 58mm ;
[0034] 实施例2
[0035] a.提供银原料：购买纯度为99. 9%以上的银原料；
[0036] b.银原料电解提纯：电解液为硝酸银溶液（优级纯）加高纯水按I :4. 5比例稀 释，总需要的容量为50升；粗银块作为阳极（尺寸约为150mmX50mmX10mm)浸入电解液 中，单体重量为1000克，保证粗银块95%体积浸入电解液中；高纯银箔或不锈钢薄板（尺 寸为150mmX50mmXlmm)作为阴极浸入电解液中，保证阴极片有95%体积浸入电解液中， 两极分别接上直流电源。打开直流电源，调节电压至9V，电流3. 5A，温度控制在65°C以内， 待阴极得到的高纯银（99. 9995% )达到I. 5kg左右时，更换阴极，将得到的高纯银先用高纯 水清洗，再真空烘干，烘干温度为300°C，时间为2小时；
[0037] c.预制中间合金：将得到的高纯银分三份，一份1000克（用于银钯合金），其余 各500克（用于银钙、银铈合金）分别放入真空熔炼炉，分别添加钯150克、铈0. 5克、钙 4克进行熔炼分别制成含钯15 %的银钯合金，含铈0. 1 %的银铈合金，含钙0.8 %的银钙合 金；该中间合金制备过程的熔炼温度分别为银钯合金1600°C，银铈合金1KKTC，银钙合金 IKKTC，真空度为5X ΗΓΕΙΡΑ。中间合金形状为50X 30X 3± Imm的长方形板材；熔炼结束 充分冷却后在压片机上将上述中间合金方材轧制成厚〇. 3-0. 5mm，宽30-40mm的薄片待用。
[0038] d.制备合金银棒：在一个有氦气气氛的定向凝固垂直连铸金属单晶的连铸室，连 续加入1797. 95克99. 9995%的高纯银棒后，在950°C下进行高频感应加热，在完成溶化后 进行区域熔炼，之后保温。在维持4L/min净化氩气流量的连铸室中添加中间合金银钯合 金133. 3克、高纯金粉（99. 99 % ) 16克、银钙合金8. 75克、银铈合金60克，静止10分钟 后开始搅拌1分钟，再次静止精炼10分钟；然后以4mm/min速度拉伸，完成连铸铸造，得到 Φ8πιπι的银棒；该银棒合金比例为：钯：1±0. 1%，金：0. 8±0. 1%，钙：0. 0035±0. 001%， 铈：0· 003±0· 0005% ;
[0039] e.预拉伸：在拉伸机上将Φ 8mm的合金银棒拉伸成Φ 100 μ m的银线；
[0040] f.中间退火：将Φ 100 μ m的银线在480°C温度下连续退火并通氮气保护；
[0041] g.超细拉伸：采用精密拉伸机，将中间退火完成后的银线进行超细拉伸，直至拉 伸至Φ50 μ m ;
[0042] h.热处理：将Φ 50 μ m的银丝通过连续退火炉，在温度为545 ±3°C，速度为65m/ min下连续退火。控制退火后的丝材拉断力为7-9克；延展率为10-15% ;
[0043] j.表面处理：首先采用浓度为2%的盐酸配比液进行酸洗，随后进行两次的高纯 水冲洗，再进行一次的高压射流冲洗，最后烘干；连续酸洗烘干速度为65m/min ;烘干温度 为 160。。；
[0044] L绕线：以750m为一单卷长度单位，控制绕丝张力为15g，绕丝速度为80m/min, 线间距为5. 5mm ;
[0045] 实施例3
[0046] a.提供银原料：购买纯度为99. 9%以上的银原料；
[0047] b.银原料电解提纯：电解液为硝酸银溶液（优级纯）加高纯水按I :4. 5比例稀 释，总需要的容量为50升；粗银块作为阳极（尺寸约为150mmX50mmX10mm)浸入电解液 中，单体重量为1000克，保证粗银块95%体积浸入电解液中；高纯银箔或不锈钢薄板（尺 寸为150mmX50mmXlmm)作为阴极浸入电解液中，保证阴极片有95%体积浸入电解液中， 两极分别接上直流电源。打开直流电源，调节电压至9V，电流3. 5A，温度控制在65°C以内， 待阴极得到的高纯银（99. 9995% )达到I. 5kg左右时，更换阴极，将得到的高纯银先用高纯 水清洗，再真空烘干，烘干温度为280°C，时间为2. 5小时；
[0048] c.预制中间合金：将得到的高纯银分三份，一份1000克（用于银钯合金），其余各 500克（用于银钙、银铈合金）分别放入真空熔炼炉，分别添加钯120克、铈1.5克、钙1克进 行熔炼分别制成含钯12 %的银钯合金，含铈0. 3 %的银铈合金，含钙0. 2 %的银钙合金；该 中间合金制备过程的熔炼温度分别为银钯合金1555°C，银铈合金980°C，银钙合金980°C， 真空度为5X 1(Γ3ΜΡΑ。中间合金形状为50X 30X 3± Imm的长方形板材；熔炼结束充分冷却 后在压片机上将上述中间合金方材轧制成厚0. 3-0. 5mm，宽30-40mm的薄片待用。
[0049] d.制备合金银棒：在一个有氦气气氛的定向凝固垂直连铸金属单晶的连铸室， 连续加入1092. 7克99. 9995 %的高纯银棒后，在950°C下进行高频感应加热，在完成溶化 后进行区域熔炼，之后保温。在维持2L/min净化氩气流量的连铸室中添加中间合金银钯 合金833. 3克、高纯金粉（99. 99% )4克、银钙合金60克、银铈合金10克，静止10分钟后 开始搅拌1分钟，再次静止精炼10分钟；然后以4mm/min速度拉伸，完成连铸铸造，得到 Φ7πιπι的银棒；该银棒合金比例为：钯：5±0· 1%，金：0·2±0· 1%，钙：0.006±0.001%， 铈：0· 0015±0· 0005% ;
[0050] e.预拉伸：在拉伸机上将Φ 7mm的合金银棒拉伸成Φ 75 μ m的银线；
[0051] f.中间退火：将Φ75 μ m的银线在430°C温度下连续退火并通氮气保护；
[0052] g.超细拉伸：采用精密拉伸机，将中间退火完成后的银线进行超细拉伸，直至拉 伸至Φ25 μ m ;
[0053] h.热处理：将Φ20μπι的银丝通过连续退火炉，在温度500±3°C，速度为50m/min 下连续退火。控制退火后的丝材拉断力为7-9克；延展率为10-15% ;
[0054] j.表面处理：首先采用浓度为1.5%的盐酸配比液进行酸洗，随后进行两次的高 纯水冲洗，再进行一次的高压射流冲洗，最后烘干；连续酸洗烘干速度为65m/min ;烘干温 度为140°C ;
[0055] L绕线：以1000m为一单卷长度单位，控制绕丝张力为8g，绕丝速度为65m/min, 线间距为4. 85mm ;
[0056] 以上的生产设备均采用常规技术的生产设备。以下为同直径键合银丝与键合金丝 在半导体器件上进行焊接应用后对拉力及球剪切力测试结果对比表。
[0057] 表1 Φ 20 μ m银合金线与同直径键合金丝在半导体器件上进行焊接应用后对拉力 及球剪切力测试结果
[0058]

【权利要求】
1. 一种半导体封装用银合金线，其特征在于，包括以下重量百分比的组分，〇. 1-1%金， 1-5%钯，0? 003-0. 006%钙，0? 0015-0. 003%铈，其余为银补足 100%。
2. -种半导体封装用银合金线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 将银原料电解提纯，制备纯度大于99. 999%的高纯银； 2) 通过真空熔炼制备中间合金，包括含10-15%钯的银钯合金，含0. 2-0. 8%钙的银钙 合金，含0. 1-0. 6%铺的银铺合金； 3) 将步骤2)剩余所述高纯银在950?1KKTC下熔炼，并在惰性气体氛围下加入步骤 2)中所述银钯合金、所述银钙合金、所述银铈合金和所述金搅拌精炼，然后进行铸造拉伸， 拉伸速度为4.0?10臟/111；[11，得到〇5-81111]1的银合金棒；所述银合金棒含0.1-1(%金，1-5 (% 钯，0? 003-0. 006%钙，0? 0015-0. 003%铈； 4) 将步骤3)中所述银合金棒进行预拉伸，在氮气保护氛围350°C _480°C下连续退火， 再进行超细拉伸，直至直径为lSum-SOym的银合金线； 5) 将步骤4)中所述的银合金线在450°C _550°C，35-65米/分钟速度下连续退火。
3. 根据权利要求2所述的银合金线的制备方法，其特征在于，还包括： 6) 表面处理：将步骤5)的银合金线用浓度为1?2%的盐酸进行酸洗，随后进行高纯 水冲洗，再进行高压水射流冲洗，最后烘干。
4. 根据权利要求2或3所述的银合金线的制备方法，其特征在于，还包括： 7) 将步骤5)或6)中制得的银合金线进行绕线，其中绕线张力为2?15g，绕丝速度为 50 ?80m/min，线间距为 4. 5 ?5. 5mm。
5. 根据权利要求2所述的银合金线的制备方法，其特征在于，步骤4)中预拉伸后银线 直径为 50 y m-100 y m。
6. 根据权利要求3所述的银合金线的制备方法，其特征在于，步骤6)中连续酸洗烘干 速度为65m/min，烘干温度为140-160°C。
【文档编号】C22C5/06GK104372197SQ201410500341
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】房跃波 申请人:四川威纳尔特种电子材料有限公司