CN118315519A - 一种复合型键合线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合型键合线及其制备方法，涉及半导体以及LED封装技术领域。具体而言：所述键合线包括主体段，以及与所述主体段的至少一侧扩散连接的键合段；所述主体段包括银及银基合金、铜及铜基合金中的至少一种；所述键合段包括金、银、钯或铋中的至少一种元素。本发明能够有效解决键合线的界面处容易出现老化缺陷、以及键合线原料贵金属成本高昂的技术问题，其制备过程可通过合金锭制备、扩散连接、多道次轧制和激光裁剪等工序完成；本发明的键合线产品可设计性强，制备工艺简单易行，在半导体封装和LED封装等方面具有良好的应用前景。

Description

一种复合型键合线及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体以及LED封装技术领域，具体而言，涉及一种复合型键合线及其制备方法。

背景技术

键合线是用于半导体以及LED封装的核心材料，是连接引脚和硅片或者两端子的、并进行电信号传输的部件，用于汽车运输、航空航天和电子通信领域等集成电路系统。随着电子器件高性能、多功能、小型化和便携化的发展趋势，电子封装技术对键合线材料的性能提出了更高的要求。

目前在封装领域主要用到的键合线为金线、银线、铜线、铝线以及其合金线，而焊盘上的主要材质为铝。对于金线而言，在键合后，随着电子器件的工作运行，键合界面处金与铝会形成金属间化合物，如Au₄Al，而此种金属间化合物容易被卤素腐蚀，从而导致键合失效。而对于银键合线，由于银在空气中容易被硫化，从而应用较少，目前市场上主要用银合金线用于半导体封装。此外，金线和银线及其合金线的使用造成封装成本较高，难以批量性投入。铝线的工艺成熟、价格低廉、种类丰富，然而由于铝的热膨胀系数与硅芯片的热膨胀系数相差较大，在长时间的功率循环过程中会在封装体内积累热量，使模块温度升高，产生并积累热应力，容易导致键合引线断裂或键合接触表面脱落，最终导致模块的整体失效。而铜线虽然价格低廉，但是其硬度大，在键合时容易损坏基板，并且在键合时需要采用惰性气体保护，避免铜氧化造成键合界面虚焊等不良连接对产品的质量和可靠性造成严重影响。

因此可见，单一质地种类的键合线均存在不同类型的缺陷；针对目前半导体和LED键合材料成本高、键合界面老化严重等各种问题，亟需开发新型键合线制备方法。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种复合型键合线，主要用于解决键合线的界面处容易出现老化缺陷、以及键合线原料贵金属成本高昂的技术问题，本发明提供了一种包括键合段和主体段的段结构的键合线，且不同段中采用不同的金属料，能够有效解决上述技术问题。

本发明的第二目的在于提供一种所述的复合型键合线的制备方法，通过合金锭制备、超声冲击、扩散连接、多道次轧制和激光裁剪等工序完成；方法简单易行，且具有良好的可定制性，适合批量化推广。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种复合型键合线，包括主体段，以及与所述主体段的至少一端扩散连接的键合段；

所述主体段包括银及银基合金、铜及铜基合金中的至少一种；

所述键合段包括金、银、钯或铋中的至少一种元素。

所述复合型键合线的制备方法包括如下步骤：

(1)、独立地对主体段和键合段的金属材料进行熔炼并浇铸，得到主体段铸锭和键合段铸锭；

(2)、将所述键合段铸锭设置于所述主体段铸锭的至少一侧，将施压固定后的铸锭置于真空环境中进行保温处理，得到复合锭；

(3)、将所述复合锭进行轧制，所述轧制进行2～20次后得到合金带；

(4)、将所述合金线依次进行退火处理，得到键合线。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明中所述的键合线包括主体段和键合段并通过扩散结合相连接，既可大大降低键合线的原料成本，又可以保证键合线不会损坏集成电路基板，同时也可以解决键合界面处老化失效的问题。

(2)本发明所述的键合线为固定尺寸，且可以根据需求进行可控的规格定制，可以大幅降低在制备过程中裁切导致产品浪费的问题。

(3)本发明所述的键合线制造方法工艺适用性强，既可制造半导体封装用键合线，也可以制造LED封装用键合线等多个应用领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1提供了一种键合线产品示意图；

图2提供了一种键合线产品示意图；

图3提供了一种键合线制备工艺中轧制示意图；

图4提供了一种键合线制备工艺中轧制示意图；

图5提供了一种键合线制备工艺中分切线设置示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明的第一方面在于提供一种复合型键合线。

一种复合型键合线，包括主体段，以及与所述主体段的至少一侧扩散连接的键合段；所述主体段包括银及银基合金、铜及铜基合金中的至少一种；所述键合段包括金、银、钯或铋中的至少一种元素。

作为一种优选的实施方式，所述键合线可以采用键合段-主体段-键合段的三段复合结构，如图1所示；也可以采用主体段-键合段的双段结构，在整体结构上符合键合线产品的线类产品的结构，如图2所示。

作为一种优选的实施方式，当所述主体段的一端连接有所述键合段时，所述键合段的长度与所述主体段的长度之比为1/6～1/3；或者，当所述主体段的两端分别连接有所述键合段时，每个所述键合段的长度与所述主体段的长度之比为1/6～1/3。在本发明中通过对所述键合段与所述主体段的长度比例进行限定，能够在降低金属原料成本的前提下，保证键合线的键合性能，并实现更加便捷的封装键合操作。

作为一种优选的实施方式，所述键合线的截面为方形，且所述方形的长边长度≤1mm；需要注意的是，所述截面指的是与主体段和键合段的扩散连接界面相平行的、在键合线上任何一处进行铅直切割所获得的截面。

作为一种可选的实施方式，所述方形的规格可以依据应用场景或市场需求进行调整，所述方形的长宽规格即意味着所述键合线的侧宽或高度规格。所述方形的边长包括但不限于20μm、23μm、25μm、30μm、35μm、38μm、50μm、100μm等。

作为一种更优选的实施方式，方形的长边长度为16μm～70μm；在所述主体段的一端和两端分别扩散连接有所述键合段的不同情况时，本领域技术人员应当依据所述键合段的数量适应性调整所述截面的参数规格。

作为一种优选的实施方式，所述主体段中的金属元素的至少一种与所述键合段中的金属元素相同。

作为一种优选的实施方式，针对所述主体段的原料组分：所述银的纯度≥99.99％，所述铜的纯度≥99.99％；

所述银基合金中银的含量≥99.95％，所述银基合金中除银外还包括微量的Au、Mg、Pd或Cu等元素中的至少一种；

所述铜基合金中铜的含量≥99.90％，所述铜基合金中除银外还包括微量的Au、Ag、Ce或Mg等元素中的至少一种。

作为一种优选的实施方式，所述键合段包括金、金钯合金、银金钯合金或银铋合金中的至少一种。

作为一种更优选的实施方式，针对所述键合段的原料组分：所述金的纯度≥99.99％；

所述金钯合金中金的含量≥90.00％，所述金钯合金中钯的含量为1％～10％；

所述银金钯合金中银的含量≥90.00％，所述银金钯合金中钯的含量为1％～10％，所述银金钯合金中金的含量≥1.00％；

所述银铋合金中银的含量≥90.00％，所述银铋合金中铋的含量为1％～10％；

上述合金中可能还包含有Au、Ag、Cu、Mg等极微量的杂质组分，这些杂质通常是在冶炼过程中不可避免地掺杂出现；且杂质含量≤0.01％。

在本发明中主体段采用高导电性且成本相对低廉的金属为原料，而键合段采用低硬度、不易氧化的金属材料；通过对键合线的结构与原料进行设计，一方面能够抑制或解决键合界面易老化的缺陷，另一方面能够有效降低键合线的高成本问题。

作为一种优选的实施方式，所述键合线的长度为电子元器件端子与目标器件之间键合点之间的距离；即本领域技术人员可以依据所述键合线的应用场景对所述键合线的长度进行定制，而不存在技术层面的限制。

本发明的第二方面在于提供一种所述的键合线的制备方法。所述的键合线的制备方法包括如下步骤：(1)、独立地对主体段和键合段的金属材料进行熔炼并浇铸，得到主体段铸锭和键合段铸锭；(2)、将所述键合段铸锭设置于所述主体段铸锭的至少一侧，将施压固定后的铸锭置于真空环境中进行保温处理，得到复合锭；(3)、将所述复合锭进行轧制，所述轧制进行2～20次后得到合金带；(4)、将所述合金线依次进行退火处理，得到键合线。

作为一种优选的实施方式，在步骤(1)中，分别对所述主体段和所述键合段的金属材料进行真空熔炼，并对应得到均匀的金属熔液；所述真空熔炼的温度依据各结构段所采用的金属原料的熔点决定。

作为一种优选的实施方式，在步骤(1)中，所述主体段铸锭和所述键合段铸锭的长度与宽度相同；作为一种更优选的实施方式，所述主体段和所述键合段的金属熔液在进行所述浇铸时可以采用相同规格的模具，以保证两种铸锭的长宽保持一致；通过控制所述浇铸过程中的熔液体积，以获得不同高度的铸锭。

作为一种优选的实施方式，在步骤(1)中，所述主体段铸锭的高度为1mm～4mm，包括但不限于1、1.5、2、2.5、3、3.5、4(mm)中的一种或是任意两种所构成的数值区间。

作为一种优选的实施方式，在步骤(1)中，所述键合段铸锭的高度为1mm～3mm，包括但不限于1、1.5、2、2.5、3(mm)中的一种或是任意两种所构成的数值区间；当所述主体段铸锭的两侧均设置有所述键合段铸锭时，每个所述键合段铸锭的高度均独立地选自1mm～3mm。

作为一种优选的实施方式，在步骤(1)后还包括：独立地对所述主体段铸锭和所述键合段铸锭的待复合表面进行超声冲击处理、抛光处理或酸洗处理中的至少一种；作为一种更优选的实施方式，独立地对所述主体段铸锭和所述键合段铸锭的待复合表面依次进行超声冲击处理、抛光处理和酸洗处理。

在本发明中采用超声冲击合金锭的待复合表面，一方面可以清洁合金锭表面，保证扩散焊接时不引入杂质；另一方面超声冲击以实现塑性变形储能和表面晶粒细化，细化合金锭表面的晶粒，降低扩散焊温度(约降低10℃～50℃左右)，达到扩散焊接更加牢固的效果。

作为一种更优选的实施方式，所述超声冲击处理的超声输出振幅为20μm～60μm，所述超声冲击处理的时间为30min～50min。

作为一种更优选的实施方式，所述抛光处理的操作方法可以以本领域的常规操作进行，如以抛光机、砂带机等对合金锭表面进行打磨，或以抛光垫、研磨盘等进行摩擦等，本发明不对所述抛光处理的操作进行限制；经所述抛光处理后的金属表面的粗糙度Ra＜0.1μm。

作为一种更优选的实施方式，通过所述酸洗处理以去除铸锭表面的氧化膜；所述酸洗处理的时间为30s～60s，所述酸洗处理所采用的酸包括但不限于盐酸、硫酸、硝酸等，所述酸洗处理所采用的酸的浓度为4mol/L～6mol/L。

作为一种优选的实施方式，在步骤(2)前还包括：打磨所述键合段铸锭和所述主体段铸锭至光滑，以便于后续步骤中界面处的扩散熔合；所述打磨包括机械抛光、化学抛光、电化学抛光、喷砂等方式中的任意一种，但需要注意的是，针对所述铸锭高度的限定应当是基于打磨后的高度而决定的。

作为一种优选的实施方式，在步骤(2)中，通过在相互接触的主体段和键合段的铸锭的表面，通过温度和压力的作用，局部发生塑性变形，原子间产生相互扩散，从而在界面接触处形成扩散段合金，以实现段间的扩散连接；在本发明中可以通过压具进行所述固定施压，所述施压的压力值为100MPa～500MPa，包括但不限于100、150、200、250、300、350、400、450、500(MPa)中的一种或是任意两种所构成的数值区间。

作为一种优选的实施方式，在步骤(2)中，所述保温处理的温度不低于200℃；且所述保温处理的温度小于所述主体段铸锭和所述键合段铸锭的熔点；所述保温处理的保温时间为3h～10h，包括但不限于3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10(h)中的一种或是任意两种所构成的数值区间。

作为一种更优选的实施方式，在步骤(2)中，所述保温处理在真空条件下进行。

作为一种优选的实施方式，在步骤(3)中，所述轧制包括：将扩散界面紧贴轧辊，且平行于轧制方向进行辊压。如图3、图4分别给出了两种情况下的轧制过程示意图，进行若干次轧制后所得到的前体产品如图5所示。

作为一种优选的实施方式，在步骤(3)中，所述轧制通过多道次进行，具体的轧制次数依据所述复合锭的厚度和键合线产品的预设直径而定，并得到厚度＜1mm的合金带；在一些常规的实施方法中，所述轧制包括但不限于2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20次等。

作为一种优选的实施方式，在步骤(3)中，每次所述轧制的变形量为10％～30％，其中，变形量为本领域常规的定义：即轧制前后的厚度差与轧制前厚度的比值；作为一种可选的实施方式，每次所述轧制的变形量包括但不限于10％、12％、14％、15％、16％、18％、20％、22％、24％、25％、26％、28％、30％中的一种或是任意两种所构成的数值区间。

作为一种优选的实施方式，在步骤(4)中，所述退火处理的温度为200℃～500℃，包括但不限于200、250、300、350、400、450、500(℃)中的一种或是任意两种所构成的数值区间；所述退火处理的时间为120min～180min，包括但不限于120、130、140、150、160、170、180(min)中的一种或是任意两种所构成的数值区间。

作为一种优选的实施方式，在步骤(4)中，所述退火处理在真空状态下进行。

作为一种优选的实施方式，在步骤(4)中，所述退火处理后还包括剪裁处理，所述剪裁处理通过激光进行切割，并获得特定长宽需求的键合线产品；或者，所述退火处理后还包括设置分切线，以便在使用过程中，通过简单的分离操作就可以获得若干独立的键合线产品。如图5所示给出一种分切线示意图。

作为一种更优选的实施方式，在步骤(4)后，将所述剪裁处理后的余料进行机械分离，并用于重新熔炼铸锭和钎料合金；其中，存在扩散元素的余料主要用于钎料合金的制备。

实施例1

(1)合金锭制备

通过真空熔炼炉分别将用于键合线主体部分的纯铜原料和用于键合部分的金钯合金(3wt.％钯)进行熔炼，获得成分均匀的液态金属；然后分别在尺寸大小相同的长方体模具(模具长宽为20cm*1cm)中浇铸，浇铸时用于键合部分的液态金属所浇铸的体积小于用于键合线主体部分所用的液态金属，然后在室温下冷却凝固，得到厚度为4mm主体段铸锭和厚度为3mm的键合段铸锭。

(2)表面处理

通过超声冲击设备处理铜锭和金钯铸锭的待复合表面，超声输出振幅设定为40μm，冲击时间设定为40min；待超声冲击结束后分别将表面打磨光滑(Ra＜0.1μm)，再通过盐酸溶液(5mol/L)进行表面酸洗，酸洗时间为40s，而后洗去残余酸液，干燥。

(3)扩散连接

将铜铸锭放置于金钯铸锭的单侧，尺寸相同且面积较大的表面紧密贴合，并采用工装夹具固定，施压300MPa，然后将固定好的金属铸锭放置于真空扩散炉中进行高温扩散连接，保温时间为3h，真空炉温度为900℃。

(4)多道次轧制

将扩散完成后的铸锭在轧机上轧制，扩散界面紧贴轧辊，且平行于轧制方向，经过多道次轧制，且每道次轧制时合金的变形量在40％左右，获得一定宽度且厚度为1mm的合金带。轧制完成后，将合金带再次放置于真空炉中进行退火处理以消除残余应力，退火温度为200℃，退火时间为180min。

(5)激光裁剪

采用激光切割机对退火完成后的合金带进行裁剪，并裁边，获得20mm长、厚度为1mm的复合型键合线。

实施例2

与实施例1基本相同，区别仅在于：

步骤(1)中，金钯合金替换为银金钯合金(5wt.％钯、2wt.％金)；

步骤(3)中，保温时间为5h，真空炉温度为850℃；

步骤(4)中，每道次轧制时合金的变形量在30％左右，获得一定宽度且厚度为0.5mm的合金带。

实施例3

与实施例2基本相同，区别仅在于：

步骤(1)中，纯铜替换为纯银，金钯合金替换为银金钯合金(6wt.％钯、2wt.％金)；

步骤(3)中，在铜锭的两侧均放置有银金钯铸锭；

步骤(4)中，每道次轧制时合金的变形量在50％左右，获得一定宽度且厚度为0.05mm的合金带；退火温度为250℃；

步骤(5)中，键合线长度为10mm。

实施例4

与实施例1基本相同，区别仅在于：

步骤(1)中，纯铜替换为银基合金(Ag-4Pd)，金钯合金替换为银铋合金(5wt.％铋)；同时，浇铸时用于键合部分的液态金属所浇铸的体积大于用于键合线主体部分所用的液态金属，然后在室温下冷却凝固，得到厚度为3mm主体段铸锭和厚度为5mm的键合段铸锭；

步骤(3)中，施压500MPa。

实施例5

与实施例1基本相同，区别仅在于：

步骤(1)中，纯铜替换为铜基合金(Cu-3Pd)，金钯合金替换为纯金；同时，浇铸时用于键合部分的液态金属所浇铸的体积大于用于键合线主体部分所用的液态金属，然后在室温下冷却凝固，得到厚度为1mm主体段铸锭和厚度为3mm的键合段铸锭；

步骤(3)中，施压100MPa。

对比例：4N纯金键合线，规格与实施例1一致。

试验例：耐老化性能实验

将单根键合线穿入键合机的劈刀中，采用键合机在铝基板上进行键合形成键合点，而后放入温度冲击试验箱中进行热冲击实验，选用-55～150℃作为热冲击条件，循环周期1h/周，于极限温度停留30min，实验循环600次终止。

将键合点解剖，分析其微观组织，在金相显微镜与扫描电子显微镜观察下观测键合点界面中间化合物的生长深度，以衡量老化的程度。试验结果如下表1所示。

表1

	生长深度(μm)
		实施例1	3
实施例2	2
		实施例3	1
实施例4	1
		实施例5	5
对比例	7

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。

Claims (10)

1.一种复合型键合线，其特征在于，所述键合线包括主体段，以及与所述主体段的至少一端扩散连接的键合段；

所述主体段包括银及银基合金、铜及铜基合金中的至少一种；

所述键合段包括金、银、钯或铋中的至少一种元素。

2.根据权利要求1所述的复合型键合线，其特征在于，当所述主体段的一端连接有所述键合段时，所述键合段的长度与所述主体段的长度之比为1/6～1/3；

或者，当所述主体段的两端分别连接有所述键合段时，每个所述键合段的长度与所述主体段的长度之比为1/6～1/3。

3.根据权利要求1所述的复合型键合线，其特征在于，所述键合线的截面为方形，且所述方形的长边长度≤1mm；

优选地，所述方形的长边长度为16μm～70μm。

4.根据权利要求1所述的复合型键合线，其特征在于，所述主体段中的金属元素的至少一种与所述键合段中的金属元素相同。

5.根据权利要求1所述的复合型键合线，其特征在于，所述银基合金中银的含量≥99.95％，所述铜基合金中铜的含量≥99.90％；

和/或，所述键合段包括金、金钯合金、银金钯合金或银铋合金中的至少一种；所述金钯合金中金的含量≥99.00％；所述银金钯合金或所述银铋合金中银的含量≥99.00％。

6.如权利要求1～5任一项所述的复合型键合线的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

(1)、独立地对主体段和键合段的金属材料进行熔炼并浇铸，得到主体段铸锭和键合段铸锭；

(2)、将所述键合段铸锭设置于所述主体段铸锭的至少一侧，将施压固定后的铸锭置于真空环境中进行保温处理，得到复合锭；

(3)、将所述复合锭进行轧制，所述轧制进行2～20次后得到合金带；

(4)、将所述合金带依次进行退火处理，得到键合线。

7.根据权利要求6所述的复合型键合线的制备方法，其特征在于，在步骤(1)后还包括：独立地对所述主体段铸锭和所述键合段铸锭的待复合表面进行超声冲击处理、抛光处理或酸洗处理中的至少一种；

优选地，所述超声冲击处理的超声输出振幅为20μm～60μm，所述超声冲击处理的时间为30min～50min。

8.根据权利要求6所述的复合型键合线的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述保温处理的温度不低于200℃；且所述保温处理的温度小于所述主体段铸锭和所述键合段铸锭的熔点；所述保温处理的保温时间为3h～10h；

优选地，所述施压的压力值为100MPa～500MPa。

9.根据权利要求6所述的复合型键合线的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述轧制包括：将扩散界面紧贴轧辊，且平行于轧制方向进行辊压；

优选地，每次所述轧制的变形量为10％～30％。

10.根据权利要求6所述的复合型键合线的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述退火处理的温度为200℃～500℃，所述退火处理的时间为120min～180min；

优选地，在步骤(4)中所述退火处理后还包括剪裁处理，所述剪裁处理通过激光进行；或者，在步骤(4)中所述退火处理后还包括设置分切线；

更优选地，将所述剪裁处理后的余料进行机械分离，并用于重新熔炼铸锭和钎料合金。