本发明涉及ic、led封装用的键合丝，具体涉及一种金银合金键合丝及其制造方法。
背景技术：
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，其中一个重要方向是金合金线的发展，以进一步降低成本并且保持或提高键合过程的各项性能要求。
传统的由纯金材质制成的金键合丝，其具备优异的化学稳定性和导电导热性能，因而被广泛用作ic内引线。但随着国际金价的不断上涨，金键合丝的价格也一路攀升，导致终端产品的成本过高，不利于企业提高竞争力。除此之外，金键合丝的抗拉强度较低（例如直径20微米的金键合丝，在焊接后，其最高抗拉强度不足5克力），延伸率不容易控制。以上两方面因素成为阻碍金键合丝应用与发展的瓶颈。
为降低成本，不断涌现出各种键合丝，如银合金丝、金合金丝以及镀金银合金键合丝等等，其价格相对较低，也能满足不同客户的不同需求。但有些产品的封装对产品的接合性及抗拉强度要求较高，常规的银合金和金合金线难以满足性能要求。本申请人的在先申请中含金量约60%的金合金键合丝，金含量大，成本过高。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种金银合金键合丝以及这种金银合金键合丝的制造方法，这种金银合金键合丝具有优异的高可靠性能，抗拉强度高，焊点接合性好，且能降低成本。采用的技术方案如下：
一种金银合金键合丝，其特征在于按重量计含有au38.5-41.5%，pd1-3.5%，pt0.5-1%，微量添加元素30-100ppm，余量为银；所述微量添加元素是in、co、ga、mg、ca、ce和ni中的一种或其中两种以上的组合。
本发明通过合金配方的设计，抑制焊球球颈部的晶粒粗大，可适用于更低更长线弧，另外，通过合金配方设计提升焊点的结合强度，能改善金合金焊点结合性的问题；同时，此金银合金键合丝表层不需要镀层，可简化制造工艺，大大降低制造成本。相对于纯金键合丝而言，本发明的键合丝用于ic、led封装中，能降低成本并改善纯金线抗拉强度不足的问题，而其他性能也均能达到金含量约60%的金合金键合丝相当的性能要求。
本发明的金银合金键合丝中，金含量38.5-41.5%，银含量约为54-60%，银和金能充分固溶，起到固溶强化的作用，提高线材的抗拉强度，但由于银本身容易硫化，会导致线材在作业性方面和信赖性方面都存在不足，因此，在此基础上加入含量0.5-1%的铂（pt），能有效地改善线材的抗硫化性能，并改善封装产品在热冲击试验中的可靠性；加入含量1-3.5%的钯（pd），能有效地改善线材的抗氧化和抗硫化性能，并改善封装产品在热冲击试验中的可靠性。适量的微量添加元素用以改进线材的机械性能，其中in、ga、mg、ca、ce、ni能有效提升金合金的焊线作业性，能增强线材与芯片及基板的粘附性能，提升信赖性能；co能提高金合金线材的再结晶温度，提升线材在高温环境下的耐疲劳性，有效降低焊球颈部断线的几率。
优选方案中，上述微量添加元素含有ca10-30ppm，co20-50ppm。另一优选方案中，上述微量添加元素含有ca10-30ppm，co20-50ppm，in20-50ppm。另一优选方案中，上述微量添加元素含有ca10-30ppm，ce20-40ppm，co20-40ppm。另一优选方案中，上述微量添加元素含有ca10-30ppm，ce20-50ppm。采用以上各种微量添加元素的组合，能有效提升线材的再结晶温度，改善线材的组织结构，提升线材在高温环境下的耐疲劳性，有效降低颈部断线的几率，并且能增强线材与芯片及基板的粘附性能，提升信赖性能。
本发明还提供上述金银合金键合丝的一种制造方法，其特征在于包括下述步骤：
（1）熔铸：按比例将au、pd、pt和微量添加元素加入到银原料中，经过真空熔炼和定向连续引铸工艺，获得直径为6-8毫米的线材；
（2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为0.08-0.5mm（毫米）的键合丝半成品；
（3）对步骤（2）得到键合丝半成品继续进行拉丝，获得直径为15-50um（微米）的金银合金键合丝；
在拉丝过程中对键合丝半成品进行若干次中间退火，在退火过程中采用n2做为退火气氛，退火炉有效长度为600-2000mm，退火温度为500-800℃，退火速率为30-100m/min；
（4）最后退火：步骤（3）拉丝完成后，对金银合金键合丝进行最后退火，在退火过程中采用n2来做为退火气氛，退火炉有效长度为600-1000mm，退火温度为280-750℃，退火速率为60-110m/min；
（5）冷却：最后退火结束后，将金银合金键合丝冷却至20-30℃，得到所需的金银合金键合丝。
对步骤（5）得到的金银合金键合丝进行卷绕，可绕成500米/卷或1000米/卷（或根据客户要求）的成品。
步骤（3）通过对键合丝半成品进行中间退火，能够消除加工硬化，使键合丝半成品具有一定延伸率，减低了后道工序的加工难度。
本发明的金银合金键合丝与现有技术相比，具有以下有益效果：
（1）通过特殊元素组合和含量控制的金合金设计，形成的金银合金键合丝具有优异的高可靠性能和抗硫化性能，抗拉强度高，焊点接合性好，可靠性高；
（2）本发明得到的金银合金键合丝可有效抑制焊球颈部晶粒粗大，降低键合丝的haz，极大地更低线弧和更长线弧的特殊需求；
（3）本发明通过配方的设计，相对高金含量产品进一步降低成本，而仍能满足了客户对产品的性能要求。本发明的金银合金键合丝与含金量60%左右的金合金键合丝相比，成本有了大幅度下降（相对于含金量60%左右的金键合丝，原材料成本降低了30%左右），而产品综合性能却相当。
具体实施方式
实施例1
本实施例的金银合金键合丝按重量计含有au40%，pd1.5%，pt0.5%，ca30ppm，co50ppm，余量为ag。
本实施例中，金银合金键合丝的制造方法包括下述步骤：
（1）熔铸：按比例将au、pd、pt、ca和co加入到银原料中，经过真空熔炼和定向连续引铸工艺，获得直径为8毫米的线材；
（2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为0.5mm的键合丝半成品；
（3）对步骤（2）得到键合丝半成品继续进行拉丝，获得直径为15-50um（如20um）的金银合金键合丝；
在拉丝过程中对键合丝半成品进行若干次中间退火，在退火过程中采用n2做为退火气氛，退火炉有效长度为1000mm，退火温度为650℃，退火速率为50m/min；
（4）最后退火：步骤（3）拉丝完成后，对金银合金键合丝进行最后退火，在退火过程中采用n2来做为退火气氛，退火炉有效长度为800mm，退火温度为560℃，退火速率为90m/min；
（5）冷却：最后退火结束后，将金银合金键合丝冷却至25℃，得到所需的金银合金键合丝。
对步骤（5）得到的金银合金键合丝进行卷绕，可绕成500米/卷或1000米/卷的成品。
实施例2
本实施例的金银合金键合丝按重量计含有au39%，pd1.0%，pt0.5%，ca30ppm，co50ppm，in20ppm，余量为银。
本实施例中，金银合金键合丝的制造方法包括下述步骤：
（1）熔铸：按比例将au、pd、pt、ca、co和in加入到银原料中，经过真空熔炼和定向连续引铸工艺，获得直径为8毫米的线材；
（2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为0.2mm的键合丝半成品；
（3）对步骤（2）得到键合丝半成品继续进行拉丝，获得直径为15-50um（如20um）的金银合金键合丝；
在拉丝过程中对键合丝半成品进行若干次中间退火，在退火过程中采用n2做为退火气氛，退火炉有效长度为1000mm，退火温度为700℃，退火速率为35m/min；
（4）最后退火：步骤（3）拉丝完成后，对金银合金键合丝进行最后退火，在退火过程中采用n2来做为退火气氛，退火炉有效长度为800mm，退火温度为580℃，退火速率为100m/min；
（5）冷却：最后退火结束后，将金银合金键合丝冷却至25℃，得到所需的金银合金键合丝。
对步骤（5）得到的金银合金键合丝进行卷绕，可绕成500米/卷或1000米/卷的成品。
实施例3
本实施例的金银合金键合丝按重量计含有au38.5%，pd3.5%，pt0.8%，ca20ppm，ce30ppm，co30ppm，余量为银。
本实施例中，金银合金键合丝的制造方法包括下述步骤：
（1）熔铸：按比例将au、pd、pt、ca、ce和co加入到银原料中，经过真空熔炼和定向连续引铸工艺，获得直径为8毫米的线材；
（2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为0.1mm的键合丝半成品；
（3）对步骤（2）得到键合丝半成品继续进行拉丝，获得直径为15-50um（如20um）的金银合金键合丝；
在拉丝过程中对键合丝半成品进行若干次中间退火，在退火过程中采用n2做为退火气氛，退火炉有效长度为1000mm，退火温度为650℃，退火速率为48m/min；
（4）最后退火：步骤（3）拉丝完成后，对金银合金键合丝进行最后退火，在退火过程中采用n2来做为退火气氛，退火炉有效长度为800mm，退火温度为550℃，退火速率为100m/min；
（5）冷却：最后退火结束后，将金银合金键合丝冷却至25℃，得到所需的金银合金键合丝。
对步骤（5）得到的金银合金键合丝进行卷绕，可绕成500米/卷或1000米/卷的成品。
实施例4
本实施例的金银合金键合丝按重量计含有au41.5%，pd2.5%，pt1%，ca20ppm，ce30ppm，余量为银。
本实施例中，金银合金键合丝的制造方法包括下述步骤：
（1）熔铸：按比例将au、pd、pt、ca和ce加入到银原料中，经过真空熔炼和定向连续引铸工艺，获得直径为8毫米的线材；
（2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为0.5mm的键合丝半成品；
（3）对步骤（2）得到键合丝半成品继续进行拉丝，获得直径为15-50um（如20um）的金银合金键合丝；
在拉丝过程中对键合丝半成品进行若干次中间退火，在退火过程中采用n2做为退火气氛，退火炉有效长度为1000mm，退火温度为650℃，退火速率为50m/min；
（4）最后退火：步骤（3）拉丝完成后，对金银合金键合丝进行最后退火，在退火过程中采用n2来做为退火气氛，退火炉有效长度为800mm，退火温度为550℃，退火速率为100m/min；
（5）冷却：最后退火结束后，将金银合金键合丝冷却至25℃，得到所需的金银合金键合丝。
对步骤（5）得到的金银合金键合丝进行卷绕，可绕成500米/卷或1000米/卷的成品。
对比例
本对比例的金合金键合丝按重量计含有pd1.0%，ag35%，pt1%，ca30ppm，余量为金（金含量约为63%）。
该金合金键合丝的制造方法包括下述步骤：
（1）熔铸：按比例将pd、ag、pt和ca加入到金原料中，经过真空熔炼和定向连续引铸工艺，获得直径为8毫米的线材；
（2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为0.5mm的键合丝半成品；
（3）对步骤（2）得到键合丝半成品继续进行拉丝，获得直径为15-50um（如20um）的金合金键合丝；
在拉丝过程中对键合丝半成品进行若干次中间退火，在退火过程中采用n2做为退火气氛，退火炉有效长度为1000mm，退火温度为600℃，退火速率为50m/min；
（4）最后退火：步骤（3）拉丝完成后，对金合金键合丝进行最后退火，在退火过程中采用n2来做为退火气氛，退火炉有效长度为800mm，退火温度为500℃，退火速率为80m/min；
（5）冷却：最后退火结束后，将金合金键合丝冷却至25℃，得到所需的金合金键合丝。
对步骤（5）得到的金合金键合丝进行卷绕，可绕成500米/卷或1000米/卷的成品。
对以上实施例1-4获得的金银合金键合丝、对比例的金合金键合丝进行性能测试。
1、haz长度的测试方法
将实施例1-4、对比例的线材进行fib(focusedionbeam)聚焦离子束切割，利用sem(scanningelectronmicroscopy)扫描电镜进行观察，通过比较不同线材位置的晶体大小的变化，可以得到haz的长度信息。
2、老化测试方法
实施例1-4和对比例所得到线材在可靠性的差别主要在热冲击部分。具体老化试验条件如表1。试验封装形式是led封装中的smd2835，bsob打线，封装硅胶采用道康宁4238s，封装好的样品在每次完成50个循环的冷热冲击后，观察是否还能电亮，记录失效死灯的个数。
表1
3、硫化测试方法
将灌封好的样品灯珠放置于密闭容器内（升华一定的硫浓度），恒温85℃；硫化一定时间后取出测试光衰。
性能测试结果如表2所示。
表2
注：变形球真圆度不合格数是真圆度不良的变形压缩球以及偏心球的总和。
上述性能测试结果表明：
1、本发明实施例1-4的金银合金键合丝具有较低的haz，适应于更低、更长线弧的要求；
2、本发明实施例1-4的金银合金键合丝的打线性能（变形球真圆度）总体上略优于对比例。优异的打线性能主要是确保线材稳定烧球性能的基础。
3、本发明实施例1-4的金银合金键合丝经过500个循环的冷热冲击后，仍没有失效死灯情况（其中对比例4可经受600回合），而对比例只能经受450个循环的冷热冲击。这说明本发明技术线材的可靠性更高。
4、硫化
本发明实施例1-4的金银合金键合丝经过硫化测试，光衰在18%以下，对比例光衰是18%，这说明本发明线材的抗硫化能力总体上略优于对比例。
综合以上各项测试结果，本发明实施例1-4的金银合金键合丝与对比例综合性能相当，某些性能还优于对比例；而本发明实施例1-4的金含量在38.5-41.5%之间，对比例的金含量约为63%，因而本发明实施例1-4线材的成本相对于对比例有大幅下降。