耐磨耗高强度无镀层的铝基线材及其制备方法

摘要

本发明有关于一种耐磨耗高强度无镀层的铝基线材及其制备方法。该制备方法包括：首先准备Zn‑8Cr合金，通过真空高周波熔解方法形成含锌母合金，含锌母合金包括有CrZn13与CrZn17；研磨含锌母合金，并加入铝汤中，以形成铝锌铬合金，铝锌铬合金包括有铝基地组织、富锌相、Al7Cr/AlCr2相，以及CrZn13/CrZn17相；将镀铟层形成于铝锌铬合金表面；将镀金层形成在镀铟层表面；进行真空热处理，使镀铟层与镀金层完全扩散至铝锌铬合金中，铝锌铬合金的表面无残留镀层；本发明由上述方法有效制备一具耐磨耗、高导电率、高拉伸强度，以及高抗氧化特性的铝基线材。

权利要求

1.一种耐磨耗高强度无镀层的铝基线材制备方法，该制备方法包括有以下步骤：步骤一：准备一Zn-8Cr合金，通过真空高周波熔解方法形成一含锌母合金，其中，该含锌母合金包括CrZn13与CrZn17；

步骤二：研磨所述含锌母合金，并加入一铝汤中，形成一铝锌铬合金，其中，该铝锌铬合金包括铝基底、富锌相、Al7Cr/AlCr2相，以及CrZn13/CrZn17相；

步骤三：将一镀铟层形成于所述铝锌铬合金的表面；

步骤四：将一镀金层形成于所述镀铟层的表面；以及

步骤五：进行真空热处理，使所述镀铟层与所述镀金层完全扩散至所述铝锌铬合金中，所述铝锌铬合金的表面无残留镀层，制得所述耐磨耗高强度无镀层的铝基线材。

2.根据权利要求1所述的耐磨耗高强度无镀层的铝基线材制备方法，其中，所述镀铟层的厚度为100nm-110nm。

3.根据权利要求1所述的耐磨耗高强度无镀层的铝基线材制备方法，其中，所述镀金层的厚度为15nm-50nm。

4.根据权利要求1所述的耐磨耗高强度无镀层的铝基线材制备方法，其中，所述镀铟层以溅镀、蒸镀、电镀或化学镀的方式形成；所述镀金层以溅镀、蒸镀、电镀或化学镀的方式形成。

5.根据权利要求1所述的耐磨耗高强度无镀层的铝基线材制备方法，其中，所述真空热处理的温度为300℃-450℃，处理时间为50分钟-70分钟。

6.根据权利要求1所述的耐磨耗高强度无镀层的铝基线材制备方法，其中，所述真空热处理的温度为420℃，处理时间为60分钟。

7.一种耐磨耗高强度无镀层的铝基线材，是通过权利要求1-6任一项所述的制备方法制备得到的。

说明书

耐磨耗高强度无镀层的铝基线材及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明有关于一种耐磨耗高强度无镀层的铝基线材及其制备方法，尤其是指一种适用于半导体芯片封装或发光二极管封装的铝基线材及其制备方法，主要是通过在铝中添加锌与铬的金属形成铝锌铬合金，并导入表面铟金扩散反应而有效达到耐磨耗、导电率、拉伸强度，以及抗氧化特性的提升。

背景技术

[0002] 焊线接合技术自1960年开始，已成为电子封装中讯号链接与传递的主要方法，而作为讯号传递桥梁的微小细金属线，早期是以铝线为主，再利用温度、压力、时间与超音波振动的参数配合，让铝线接合在基板表面上；焊线接合是目前最普遍应用于芯片与封装两者互相联系的技术，在各式不同的焊线过程中，超音波接合有快速压焊处理、高生产力，以及优良导电、热传导焊抗腐蚀等性能；铝细线在超音波焊接过程中为较常使用的线材，然而，由于铝线质地较柔软经常与1wt.％的硅或1wt.％的镁合成低合金铝线，以提供一种材质强化的材料，增加物质的抗拉强度与硬度，并有效改进铝线的耐腐蚀性。

[0003] 此外，在过往的研究中，例如公开号为200742017的中国台湾专利申请“用于细铝线的铝凸块接合”，公开了一种封装半导体装置，在该封装半导体装置中，使用一铝凸块接合将接合线接合于引线；该半导体装置安装于一带有镀镍引线的引线架上；为了在细铝线与该引线之间形成该凸块接合，将一铝凸块接合于该镀镍上并将该线接合于该凸块上，该凸块掺杂镍的铝凸块并且是由一大直径的线形成；上述内容主要是将铝线先接合于铝凸块上，再将铝凸块接合于镀镍的引线架(lead frame)上，以改善组件的可靠度；然而，依旧没有改善以铝线为主的接合线在半导体芯片封装或发光二极管封装的实际实施使用时所产生的缺失，这是由于铝具有易氧化，且成球性差的特性，无法有效达到高硬度和高强度的需求，在封装产业对可靠度的要求越来越高的同时，使用不易氧化的贵金属逐渐成为趋势；然而，铝线的优势是在于成本低廉，因此，如何有效增加铝线耐磨耗特性，进而提高铝线的电导率、抗拉强度，以及抗氧化性，达到半导体芯片或发光二极管的可靠度的提升，仍是半导体芯片与发光二极管封装工艺的开发人员与研究人员需持续努力克服与解决的课题。

发明内容

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明的主要目的为提供一种耐磨耗高强度无镀层的铝基线材及其制备方法，尤其是指一种适用于半导体芯片封装或发光二极管封装的铝基线材及其制备方法，主要是通过在铝中添加锌与铬的金属形成铝锌铬合金，并导入表面铟金扩散反应而有效达到耐磨耗、导电率、拉伸强度，以及抗氧化特性的提升。

[0005] 为了达到上述目的，本发明提供了一种耐磨耗高强度无镀层的铝基线材制备方法，其制备步骤是首先准备一Zn-8Cr合金，通过真空高周波熔解方法形成一含锌母合金，其中，含锌母合金包括有CrZn13与CrZn17；接着，研磨含锌母合金，并加入一铝汤中，以形成一铝锌铬合金，其中，铝锌铬合金包括有铝基地组织、富锌相(rich-Zn)、Al7Cr/AlCr2相，以及CrZn13/CrZn17相；然后，将一镀铟层形成于铝锌铬合金的表面；之后，将一镀金层形成于镀铟层的表面；最后，进行真空热处理，使镀铟层与镀金层完全扩散至铝锌铬合金中，铝锌铬合金的表面无残留镀层，制得耐磨耗高强度无镀层的铝基线材。

[0006] 在本发明的耐磨耗高强度无镀层的铝基线材制备方法中，优选地，镀铟层的厚度为100nm-110nm。

[0007] 在本发明的耐磨耗高强度无镀层的铝基线材制备方法中，优选地，镀金层的厚度为15nm-50nm。

[0008] 在本发明的耐磨耗高强度无镀层的铝基线材制备方法中，优选地，镀铟层与镀金层分别以溅镀、蒸镀或沉积(电镀或化学镀)等其中的一种方式形成。

[0009] 本发明的耐磨耗高强度无镀层的铝基线材制备方法中，优选地，真空热处理的温度为300℃-450℃，处理时间为50分钟-70分钟。

[0010] 本发明的耐磨耗高强度无镀层的铝基线材制备方法中，优选地，真空热处理的温度为420℃，处理时间为60分钟。

[0011] 此外，本发明还提供了由上述制备方法制得的耐磨耗高强度无镀层的铝基线材，其中，在铝基线材内所含的Al7Cr/AlCr2相具有耐磨耗的优点，且富锌相(rich-Zn)具有提高铝线的导电性与抗拉强度的优势，而CrZn13/CrZn17相具有抗氧化的特点。

[0012] 本发明的耐磨耗高强度无镀层的铝基线材及其制备方法是由在铝中添加锌与铬的金属以形成铝锌铬合金，并导入表面铟金扩散反应而有效达到耐磨耗、导电率、拉伸强度，以及抗氧化特性的提升，解决传统在半导体芯片封装或发光二极管封装工艺上，铝线材因环境氧化、氯离子腐蚀或打线受瓷嘴磨耗而断线等缺陷所产生的可靠度降低的问题；此外，本发明的耐磨耗高强度无镀层的铝基线材及其制备方法是通过铝基线材内所含的Al7Cr/AlCr2相所具备的耐磨耗优点、富锌相所具有的高导电性与高抗拉强度的优势，以及CrZn13/CrZn17相所具备的抗氧化等特点，有效达到耐磨耗高强度且表面无镀层的铝基线材。

附图说明

[0013] 图1为本发明耐磨耗高强度无镀层的铝基线材制备方法的流程图；

[0014] 图2为本发明耐磨耗高强度无镀层的铝基线材未经真空热处理的显微镜电子图像；

[0015] 图3为本发明耐磨耗高强度无镀层的铝基线材其一较佳实施例的真空热处理后的显微镜电子图像。

[0016] 主要附图符号说明

[0017] S1步骤一  S2步骤二  S3步骤三  S4步骤四  S5步骤五

具体实施方式

[0018] 为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

[0019] 首先，以本发明的制备方法所制成的耐磨耗高强度无镀层的铝基线材可例如适用于印刷电路板的电路、IC封装、ITO基板、IC芯片卡等电子工业零件的端子或电路表面，或是需在恶劣环境下(例如氯离子、硫化腐蚀)的封装工艺；如图1所示，为本发明耐磨耗高强度无镀层的铝基线材制备方法的步骤流程图，包括以下步骤：

[0020] 步骤一(S1)：准备一Zn-8Cr合金，通过真空高周波熔解方法形成一含锌母合金，其中，含锌母合金包括有CrZn13与CrZn17；

[0021] 步骤二(S2)：研磨含锌母合金，并加入一铝汤中，以形成一铝锌铬合金，其中，铝锌铬合金包括有铝基地组织、富锌相(rich-Zn)、Al7Cr/AlCr2相，以及CrZn13/CrZn17相；

[0022] 步骤三(S3)：将一镀铟层形成于铝锌铬合金的表面；在本发明其一较佳实施例中，镀铟层的厚度为100nm-110nm；

[0023] 步骤四(S4)：将一镀金层形成于镀铟层的表面；在本发明其一较佳实施例中，镀金层的厚度为15nm-50nm；以及

[0024] 步骤五(S5)：进行真空热处理，使镀铟层与镀金层完全扩散至铝锌铬合金中，铝锌铬合金的表面无残留镀层，其中，真空热处理的温度为300℃-450℃，且处理时间为50分钟-70分钟，较佳真空热处理的温度为420℃，时间为60分钟，以使镀铟层与镀金层完全扩散至铝锌铬合金中，形成一耐磨耗、高导电率与拉伸强度，以及抗氧化的无镀层铝基线材。

[0025] 此外，以本发明的制备方法可制备耐磨耗高强度无镀层的铝基线材，其中，在铝基线材内所含的Al7Cr/AlCr2相具有耐磨耗的优点，且富锌相具备有提高铝线的导电性与抗拉强度的优势，而CrZn13/CrZn17相具有抗氧化的特点。

[0026] 首先，本发明的耐磨耗高强度无镀层的铝基线材由上述的制备方法制备，即准备一Zn-8Cr合金，通过真空高周波熔解方法形成一含锌母合金；接着，研磨含锌母合金，并加入一铝汤中，以形成一铝锌铬合金；然后，将一镀铟层形成于铝锌铬合金的表面；之后，将一镀金层形成于该镀铟层的表面；如图2所示，为本发明耐磨耗高强度无镀层的铝基线材未经真空热处理的显微镜电子图像，其中，在未进行真空热处理的条件下，使用一抽线设备制备一线宽为20μm的铝线，并对此20μm的铝线进行表层硬度、表层纳米硬度、熔断电流密度、拉伸强度、延展性、电导率，以及导热率等特性的分析，其实验结果表1所示，由表1中可清楚得知，在未进行真空热处理时，当镀铟层厚度固定在105nm，而镀金层厚度由7.9nm增加到47.8nm的条件下，铝线的拉伸强度为6.2gf-6.6gf，而延展性为3.8％-4.0％，以及电导率介于38％IACS-40％IACS；因此，在未进行真空热处理的情况下，所有条件的铝基线材都无法有效达到高强度与高导电率的需求。

[0027] 表1

[0028]

[0029]

[0030] 此外，当增加上述步骤五(S5)的真空热处理步骤后，铝线的拉伸强度、延展性，以及电导率可获得明显的提升，如上述的制备方法所述，当镀铟层厚度固定在105nm，而镀金层厚度由7.9nm增加到47.8nm的条件下，可以形成7组不同镀金层厚度所组成的实施例，即表2中的样品A-G，将此7组实施例在温度为320℃，时间为60分钟的条件下进行真空热处理，之后使用一抽线设备制备一线宽为20μm的铝线，并对此20μm的铝线进行表层硬度、表层纳米硬度、氧化试验、盐雾(腐蚀)试验、电导率、导热率、拉伸强镀，以及延展性等特性分析，其中，本发明的氧化试验包括有20℃/196小时的大气氧化试验，以及160℃/24小时的高温氧化试验，而盐雾(腐蚀)试验则是以100％、pH值介于7-8之间的NaCl溶液在35℃下进行96小时的试验，表层纳米硬度分析则是通过Nano-indentation system&Nano-mechanical microscopy公司的型号为MTS Nano Indenter XP的纳米硬度测试仪(Nano Hardness Tester)，以负重20μN-30μN所测定的硬度进行分析；由表2的实验结果可清楚得知，以105nm的镀铟层与7.9nm的镀铟层所形成的样品A无法完全形成铟化金热扩散区，且无法有效通过高温氧化试验与盐雾(腐蚀)的试验，表2中的“NG”即是代表铝线的表面产生起泡或内部发生剥离等缺陷；此外，其余样品B-G的实施例的铝线拉伸强度为6.8gf-7.6gf、延展性为4.3％，而电导率为41％IACS，因此，以320℃/60分钟的条件进行真空热处理，可获得较无真空热处理条件的铝线更好的拉伸强度与导电率的特性。

[0031] 表2

[0032]

[0033]

[0034] 另外，按照上述的镀铟层与镀金层的厚度条件，而将真空热处理的条件提升到420℃，时间60分钟，形成另外7组不同镀金层厚度所组成的实施例，即为表3的样品H-N所述，由实验结果可清楚得知，以105nm的镀铟层与7.9nm的镀铟层所形成的样品H虽然已可形成铟化金热扩散区，然而，在高温氧化试验与盐雾(腐蚀)试验中却仍呈现较差的特性，仍旧存在有表面起泡或内部剥离等缺陷；此外，其余I-N的实施例的铝线拉伸强度为7.5gf-8.2gf、延展性为4.4％-4.5％，而电导率为42％IACS-43％IACS；因此，以420℃/60分钟的条件进行真空热处理的铝线，可获得较320℃/60分钟的真空热处理条件的铝线更好的拉伸强度与导电率的特性；如图3所示，为本发明耐磨耗高强度无镀层的铝基线材其一较佳实施例的真空热处理后的显微镜电子图像，由图3中可明显看出，以420℃/60分钟的最佳条件进行真空热处理的铝线，其表面所镀的镀铟层与镀金层可完全扩散至铝线内部；镀铟层或镀金层的厚度，以及真空热处理的条件必须为一最佳权衡(trade-off)的选取。

[0035] 表3

[0036]

[0037] 由于以温度420℃，时间60分钟的真空热处理条件可获得较佳的拉伸强度与导电率特性的铝线，因此，样品H-N的实施例进行打线成球后，对打线成球性、打线接合强度、175℃/2000小时的界面金属间化合物厚度、成球颈部强度、打线热影响区，以及线材表面抽线刮痕等项目进行测试，测量的实验数据如表4所示，由表4可明显得知，以7.9nm的镀金层条件所制备的样品H，其打线成球性(EFO)的测试结果不好，即真圆度无法大于90％；其余I-N实施例的铝线的打线成球性都大于90％，完全符合电子工业零件的封装导线的质量要求，且打线接合强度为4.9gf-7.2gf，而175℃/2000小时的界面金属间化合物厚度为0.78μm-0.53μm，以及成球颈部强度为4.3gf-5.2gf，而打线热影响区都小于200μm，线材表面无抽线刮痕。

[0038] 表4

[0039]

[0040] 由上述的实施例可知，本发明耐磨耗高强度无镀层的铝基线材及其制备方法与现有技术相比，具有以下优点：

[0041] 1、本发明的耐磨耗高强度无镀层的铝基线材及其制备方法是通过在铝中添加锌与铬的金属以形成铝锌铬合金，并导入表面铟金扩散反应而有效达到耐磨耗、导电率、拉伸强度，以及抗氧化特性的提升，解决传统在半导体芯片封装或发光二极管封装工艺上，铝线材因环境氧化、氯离子腐蚀或打线受瓷嘴磨耗而断线等缺陷所产生的可靠度降低的问题。

[0042] 2、本发明的耐磨耗高强度无镀层的铝基线材及其制备方法通过铝基线材内所含的Al7Cr/AlCr2相所具备的耐磨耗优点、富锌相所具有的高导电性与高抗拉强度的优势，以及CrZn13/CrZn17相所具备的抗氧化等特点，有效达到耐磨耗高强度且表面无镀层的铝基线材。

[0043] 综上所述，本发明耐磨耗高强度无镀层的铝基线材及其制备方法，能通过上述所揭露的实施例，达到所预期的效果。