一种金合金键合丝及其制造方法

摘要

一种金合金键合丝，其特征在于按重量计含有：钯1－1.5%，银20－24%，钙、铍和铈中的一种和其中多种的组合2－200 ppm，余量为金。本发明还提供上述金合金键合丝的一种制造方法。本发明的金合金键合丝可用于IC、LED封装中，综合打线性能优异，具体体现在：热影响区长度小（可达到53－60 um），极大地降低了打线的弧高；烧球性能好，在FAB烧球后得到数目适中的对称柱状晶，变形球真圆度高；封装后产品热冲击性能好，可靠性高。

权利要求

1.一种金合金键合丝，其特征在于按重量计含有：钯1－1.5%，银20－24%，钙、铍和铈中的一种和其中多种的组合2－200 ppm，余量为金；

所述金合金键合丝的制造方法包括下述步骤：

（1）熔铸：在金原料中按上述比例加入钯、银、钙、铈、铍，经过定向连续拉工艺，获得直径为6－8mm的线材；

（2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为20－50μ m的金合金键合丝；

在拉丝过程中，对线材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600－800 mm，退火温度为550－800℃，退火速率为10－50 m/min；

（3）最后退火：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 做为退火气氛，退火炉有效长度为600－800mm，退火温度为500－800℃，退火速率为70－110m/min；

最后退火结束后，金合金键合丝经过冷却到20－30℃，得到所需的金合金键合丝。

2.根据权利要求1所述的金合金键合丝，其特征在于：所述金合金键合丝在线材结构上存在长轴晶区，其存在于以金合金键合丝中心轴线为对称线、半径为1/6R－1/4R的圆柱体内，其中R为金合金键合丝的半径；长轴晶区内以长轴晶为主，长轴晶在金合金键合丝剖面的FIB-SEM图上的面积比率占80%以上。

3.权利要求1所述的金合金键合丝的制造方法，其特征在于包括下述步骤：（1）熔铸：在金原料中按上述比例加入钯、银、钙、铈、铍，经过定向连续拉工艺，获得直径为6－8mm的线材；

（2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为20－50μ m的金合金键合丝；

在拉丝过程中，对线材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600－800 mm，退火温度为550－800℃，退火速率为10－50 m/min；

（3）最后退火：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 做为退火气氛，退火炉有效长度为600－800mm，退火温度为500－800℃，退火速率为70－110m/min；

最后退火结束后，金合金键合丝经过冷却到20－30℃，得到所需的金合金键合丝。

说明书

一种金合金键合丝及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及IC、LED封装用的键合丝，具体涉及一种适合于低弧度打线封装用的金合金键合丝及其制造方法。

背景技术

[0002] 键合丝（bonding wire，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，从产品方向上，主要是线径细微化、高车间寿命（floor life）以及高线轴长度；从化学成分上，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的封装应用上取代金线，另外一个重要发展方向是发展金合金线来进一步降低成本，并且保持或提高键合过程的各项性能要求。

[0003] 由于市场上电子产品小型化和细西场D薄化的发展要求，半导体行业通过芯片厚度减薄(Wafer thinning)，封装采用芯片堆栈(Die stacking)、倒装芯片(flip chip)、晶圆级封装（wafer level packaging）、2.5D和3D封装等方法来应对。然而，传统的键合封装（wire bonding）仍然是主流封装形式，在芯片堆栈中得到大量的应用，其中如何获得低弧高的打线仍然是获得低厚度封装的重要方式；在LED行业对于封装体的低高度也是重要的诉求，封装高度越低，则出光率越高，价值越高。以往这方面主要通过反向打线（SSB, standoff stitch bond）的方法来实现，但是该方法会降低生产效率，因为同正常的打线相比，SSB整个焊接过程多了一个球焊的过程（SSB需要先在正常第一焊点位置种上一个球，在原来的第二焊点位置进行球焊后，经过拉弧线到第一焊点种球上进行第二焊点的打线）。另外一种常见的做法是利用掺杂技术（Doping）来降低热影响区（heat affected zone，简称HAZ）的长度，并通过正常键合过程来降低弧高。正常打线的拉弧线初始阶段，瓷嘴通常需要向拉弧线的相反方向移动一段距离，再转向正常的拉弧线方向，这种反向移动的一个重要作用就是要对热影响区进行冷加工，使得热影响区变硬而增加其直立性。显然，热影响区长度对最后的弧高有决定性的作用，而这种冷加工的硬化作用，使得线材在初始弯曲点的位置更加偏离到热影响区的上部甚至超出热影响区范围（当热影响区为60um时，弧高通常为70－80um）。

[0004] 金线的合金化以降低成本，也是线材发展的一个方向。中国发明专利申请CN103155129提出了当合金元素Cu、Ag 、Pd 、Pt的含量在0.5－30%之间变化时，线材的伸长率（EL）在450－650℃的热处理范围内随温度的变化率会变得平缓，但没有提及如何降低弧高，而且也没有描述是否能满足键合的其它基本性能要求（例如变形球的真圆度以及可靠性）。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种金合金键合丝以及这种金合金键合丝的制造方法，这种金合金键合丝可用于IC、LED 封装中，热影响区长度小，打线的弧高较低，变形球真圆度高，可靠性高，综合打线性能优异。采用的技术方案如下：

[0006] 一种金合金键合丝，其特征在于按重量计含有：钯1－1.5%，银20－24%，钙、铍和铈中的一种和其中多种的组合2－200 ppm，余量为金。

[0007] 上述金合金键合丝在线材结构上存在长轴晶区，其存在于以金合金键合丝中心轴线为对称线、半径为1/6R－1/4R的圆柱体内，其中R为金合金键合丝的半径（也就是说，长轴晶区存在于以金合金键合丝中心轴线为对称线、半径为金合金键合丝的半径的1/6－1/4的圆柱体内）；长轴晶区内以长轴晶为主，长轴晶在金合金键合丝剖面的FIB-SEM图（FIB-SEM图是指通过聚焦离子束沿线轴方向切割线材所得剖面在扫描电子显微镜下的放大图像）上的面积比率占80%以上。长轴晶的定义为晶体的纵横比（即晶体拟合椭圆的长度与短轴长度之比）大于2.5。

[0008] 上述钙(Ca)、 铍(Be)、铈(Ce)用以改进键合丝的机械性能。

[0009] 本发明发现，在金合金键合丝中银(Ag)含量在20－24%范围时，仅仅添加含量在2－200 ppm之间的钙(Ca)、 铍(Be)和铈(Ce)中的一种和其中多种的组合时，得不到打线性能优秀（具体指标是偏心球率、变形球真圆度合格率）的金合金键合丝，但在此基础上加入含量在1－1.5%之间的钯（Pd）时，能有效地提升打线性能，并改善封装产品在热冲击试验中的可靠性。本发明还发现，当金合金键合丝中含有一定宽度、连续的中间长轴晶时，能将HAZ的长度减小10um左右，从而能有效地降低打线弧高。本发明认为当金合金键合丝中存在长轴晶时，HAZ的形成机理发生了变化。

[0010] 一般情况下，HAZ是指在烧球过程中，电弧产生的热能融化键合丝线头，FAB (free air ball，自由空气球)逐渐长大，烧球产生的大量热能通过热传导经过FAB球脖颈以上一段金合金键合丝时，会将该部分的键合丝温度升高，并促使该区内的晶体不断长大，相对于其它未受影响的区域来讲，HAZ区域的晶体会更大，键合丝更软，通常将这个区域称为热影响区（HAZ, Heat Affected Area）。当键合丝中存在Dopant元素（掺杂剂元素）时，Dopant元素主要是存在于晶体界面中，从而阻止晶体界面的移动，抑制再结晶的发生和晶体的生长，导致再结晶温度的提高和HAZ的长度变小；当键合丝中存在长轴晶时，说明在键合丝制造过程中，长轴晶部分并没有充分退火，仍然含有比较高的能量，存在较大应力。烧球时大量热能从FAB通过HAZ传导到键合丝其它部位的极短时间内（HAZ也在这个时间段形成），原本的长轴晶会占用这个时段及其部分流过的热能来完成其在键合丝最后退火过程中没有完成的应力释放过程，由于这一部分被占用的能量和时间，使得同没有中间长轴晶的键合丝相比，其HAZ的长度会变小。显然上述的机理表明长轴晶在整个键合丝中的体积占比是重要的，占比越大，则HAZ的长度缩小的比例越大，但占比太大，对键合丝的机械性能影响也太大（向BL增加、EL降低的方向变化），所以长轴晶体的体积占比也需要优化。本发明发现，以金合金键合丝中心轴线为对称线，长轴晶出现在半径为1/6R－1/4R（即金合金键合丝的半径的1/6－1/4）的圆柱体内时是合适的。

[0011] 本发明还提供上述金合金键合丝的一种制造方法，其特征在于包括下述步骤：

[0012] （1）熔铸：在金原料中按上述比例加入钯、银、钙、铈、铍，经过定向连续拉工艺，获得直径为6－8mm（毫米）的线材；

[0013] （2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为20－50um（微米）的金合金键合丝；

[0014] （3）最后退火：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做为退火气氛，退火炉有效长度为600－800mm，退火温度为500－800℃，退火速率为70－110m/min（米/分钟）；

[0015] 最后退火结束后，金合金键合丝经过冷却到20－30℃，得到所需的金合金键合丝。随后进行机械检测和绕线。

[0016] 上述步骤（2），在拉丝过程中，对线材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600－800 mm，退火温度为550－800℃，退火速率为10－50 m/min。

[0017] 采用上述制造方法，特别是通过控制最后退火、中间退火的强度，有助于使长轴晶区范围、以及长轴晶区内长轴晶在金合金键合丝剖面的FIB-SEM图上的面积比率处在所需范围内（即长轴晶区存在于以金合金键合丝中心轴线为对称线、半径为1/6R－1/4R的圆柱体内；长轴晶区内长轴晶在金合金键合丝剖面的FIB-SEM图上的面积比率占80%以上）。

[0018] 本发明的金合金键合丝可用于IC、LED 封装中，综合打线性能优异，具体体现在：热影响区长度小（可达到53－60 um），极大地降低了打线的弧高；烧球性能好，在FAB烧球后得到数目适中的对称柱状晶，变形球真圆度高；封装后产品热冲击性能好，可靠性高。此外，本发明的金合金键合丝成本较低。

附图说明

[0019] 图1 为实施例1金合金键合丝的HAZ形貌和长度示意图；

[0020] 图2 为对比例金合金键合丝HAZ形貌和长度示意图；

[0021] 图3 为不同压缩球的形貌示意图；

[0022] 图4 为实施例1的FAB剖面的FIB-SEM图。

具体实施方式

[0023] 实施例1

[0024] 本实施例的金合金键合丝按重量计含有：钯（Pd）1.0%，银(Ag) 24%，钙(Ca)100ppm，铈(Ce) 80 ppm, 铍(Be) 5 ppm, 余量为金。

[0025] 本实施例中，金合金键合丝的制造方法包括下述步骤：

[0026] （1）熔铸：在金原料中按上述比例加入钯、银、钙、铈、铍，经过定向连续拉工艺，获得直径为6mm（毫米）的线材；

[0027] （2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为20um（微米）的金合金键合丝；

[0028] 本步骤（2），在拉丝过程中，对线材被拉到0.0990mm时，进行一次中间退火，在退火过程中采用N2做为退火气氛，退火炉有效长度为600 mm，退火温度为600℃，退火速率为30m/min；

[0029] （3）最后退火：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做为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为580℃，退火速率为100m/min（米/分钟）；

[0030] 最后退火结束后，金合金键合丝经过冷却到25℃，得到所需的金合金键合丝。随后进行机械检测和绕线。

[0031] 本实施例1的金合金键合丝在线材结构上存在长轴晶区，其存在于以金合金键合丝中心轴线为对称线、半径为1/5R的圆柱体内，其中R为金合金键合丝的半径；长轴晶区内以长轴晶为主，长轴晶在金合金键合丝剖面的FIB-SEM图上的面积比率占91%。

[0032] 实施例2

[0033] 本实施例金合金键合丝按重量计含有：钯（Pd）1.5%，银(Ag) 20%，钙(Ca)10ppm，铍(Be) 5 ppm，余量为金。

[0034] 本实施例中，金合金键合丝的制造方法包括下述步骤：

[0035] （1）熔铸：在金原料中按上述比例加入钯、银、钙、铍，经过定向连续拉工艺，获得直径为6mm（毫米）的线材；

[0036] （2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为20um（微米）的金合金键合丝；

[0037] 本步骤（2），在拉丝过程中，对线材被拉到0.0990mm时，进行一次中间退火，在退火过程中采用N2做为退火气氛，退火炉有效长度为600 mm，退火温度为550℃，退火速率为35m/min；

[0038] （3）最后退火：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做为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为550℃，退火速率为110m/min（米/分钟）；

[0039] 最后退火结束后，金合金键合丝经过冷却到25℃，得到所需的金合金键合丝。随后进行机械检测和绕线。

[0040] 本实施例2的金合金键合丝在线材结构上存在长轴晶区，其存在于以金合金键合丝中心轴线为对称线、半径为1/4R的圆柱体内，其中R为金合金键合丝的半径；长轴晶区内以长轴晶为主，长轴晶在金合金键合丝剖面的FIB-SEM图上的面积比率占95%。

[0041] 实施例3

[0042] 本实施例的金合金键合丝按重量计含有：钯（Pd）1.2%，银(Ag) 22%，钙(Ca)50ppm，铈(Ce)50 ppm, 铍(Be)20 ppm, 余量为金。

[0043] 本实施例中，金合金键合丝的制造方法包括下述步骤：

[0044] （1）熔铸：在金原料中按上述比例加入钯、银、钙、铈、铍，经过定向连续拉工艺，获得直径为8mm（毫米）的线材；

[0045] （2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为20um（微米）的金合金键合丝；

[0046] 本步骤（2），在拉丝过程中，对线材被拉到0.0990mm时，进行一次中间退火，在退火过程中采用N2做为退火气氛，退火炉有效长度为600 mm，退火温度为750℃，退火速率为10m/min；

[0047] （3）最后退火：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做为退火气氛，退火炉有效长度为800mm，退火温度为750℃，退火速率为100m/min（米/分钟）；

[0048] 最后退火结束后，金合金键合丝经过冷却到20℃，得到所需的金合金键合丝。随后进行机械检测和绕线。

[0049] 本实施例3的金合金键合丝在线材结构上存在长轴晶区，其存在于以金合金键合丝中心轴线为对称线、半径为1/6R的圆柱体内，其中R为金合金键合丝的半径；长轴晶区内以长轴晶为主，长轴晶在金合金键合丝剖面的FIB-SEM图上的面积比率占81%。

[0050] 对比例

[0051] 本对比例中，金合金键合丝按重量计含有：银(Ag) 20%，钙(Ca)10ppm，铍(Be) 5 ppm, 铈(Ce) 80 ppm，余量为金。

[0052] 本实施例中，金合金键合丝的制造方法包括下述步骤：

[0053] （1）熔铸：在金原料中按上述比例加入银、钙、铍和铈，经过定向连续拉工艺，获得直径为6mm（毫米）的线材。

[0054] 本步骤（2），在拉丝过程中，对线材被拉到0.0990mm时，进行一次中间退火，在退火过程中采用N2做为退火气氛，退火炉有效长度为600 mm，退火温度为750℃，退火速率为10m/min；

[0055] （3）最后退火：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做为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为700℃，退火速率为80m/min（米/分钟）；

[0056] 最后退火结束后，金合金键合丝经过冷却到20℃，得到所需的金合金键合丝。随后进行机械检测和绕线。

[0057] 本对比例的金合金键合丝在线材结构上不存在长轴晶区。

[0058] 对各实施例、对比例所得到金合金键合丝的检测结果如下：

[0059] 一、HAZ长度比较

[0060] 将各实施例与对比例的金合金键合丝进行烧球，在无保护气体的情况下进行烧球，具体参数如表1所示：

[0061] 表1 烧球参数

[0062]金合金键合丝 EFO（电弧放电）电流 (mA） 20
金合金键合丝  EFO （电弧放电）时间（ms） 0.65

[0063] 对烧完球的FAB及与其相连的线材（包括HAZ和没有受热影响的线材）进行FIB (Focused Ion beam)聚焦离子束切割，利用SEM (scanning electron microscopy)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，可以容易地得到HAZ的长度信息，总结如下表2。实施例1的金合金键合丝的HAZ形貌和长度如图1 所示，对比例的金合金键合丝的HAZ形貌和长度如图2所示。

[0064] 与对比例金合金键合丝相比，实施例1的金合金键合丝得到的HAZ只有53微米，远远低于对比例金合金键合丝的63微米。对比例金合金键合丝的线材部分是没有明显的中间长轴晶的，而实施例1－3的金合金键合丝中间长轴晶明显且长轴晶区域的宽度达到或超过了金合金键合丝直径的1/3。

[0065] 表2 本发明各实施例金合金键合丝的HAZ与对比例金合金键合丝的HAZ比较[0066]样品 线径 HAZ长度（微米）
实施例1 20um 53
实施例2 20um 50
实施例3 20um 58
对比例 20um 63

[0067] 实施例1－3的金合金键合丝得到的HAZ长度小，主要是因为实施例1－3的金合金键合丝能够确保稳定的烧球性能（包括FAB的居中性以防止偏心球，以及FAB内所生成的对称和数目合适的柱状晶）。实施例1的金合金键合丝所烧出的FAB的剖面的FIB-SEM图如图4所示。

[0068] 二、打线性能比较

[0069] 实施例1－3和对比例所得到金合金键合丝的打线性能对比（变形球真圆度）如下表3所示。参考图3，正常变形压缩球（Deformed FAB）的形貌如图3中3A所示，真圆度不良的变形压缩球的形貌如图3中3B所示，偏心球的形貌如图3中3C所示。

[0070] 表3 实施例1、实施例2和对比例的打线性能差异比较

[0071]

[0072] 本发明的金合金键合丝优异的打线性能，主要是因为该金合金键合丝能够确保稳定的烧球性能（包括FAB的居中性以防止偏心球，以及FAB内所生成的对称和数目合适的柱状晶）。

[0073] 三、可靠性热冲击性能比较

[0074] 实施例1－3和对比例所得到键合丝在可靠性的差别主要在热冲击部分。具体冷热冲击试验条件如表4。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OE6650，封装好的样品在每次完成50个循环的热冲击后，观察是否还能点亮，记录失效死灯的个数，冷热冲击试验结果如表5所示。

[0075] 表4 冷热冲击试验方法

[0076]测试条件 时长(Hour)/回合(Cycle) 备注
305合金8温区标准回流焊(265℃) 1 预处理
-40℃*30min 100℃*30min (转换时间小于20秒) 50/100/…/500 　
~

[0077] 表5 冷热冲击试验结果

[0078]

[0079] 试验表明，本发明实施例1、实施例2、实施例3相对于对比例，可靠性得到很大提升。在热冲击试验中，实施例1、实施例2、实施例3在400个循环时，没有失效情况，而对比例已经出现失效死灯。在500个循环时，实施例1、实施例2、实施例3的失效死灯率分别为2.5%、7.5%，2.5%，而对比样却高达15%。说明本发明技术金合金键合丝的可靠性能更高。