CN104060281A - 固相扩散反应铜钯合金线及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明有关于一种固相扩散反应铜钯合金线及其制造方法，其方法主要包括有将一含钯被覆层形成于铜或铜合金所制成的芯线表面，再将芯线进行真空热处理，使得含钯被覆层可完全扩散至芯线的基体上，并于芯线的组织中形成均匀铜钯合金层；借此，与熟知未进行真空热处理的接合线相较下，不仅具有较佳的球心硬度、颈部降伏强度以及界面接合抗拉强度，且亦能通过较严苛的高温保存试验，进而提高铜钯合金线后续的烧球成型以及引线处理工序的可靠度。

Description

固相扩散反应铜钯合金线及其制造方法

技术领域

本发明是关于一种固相扩散反应铜钯合金线及其制造方法，尤其是指一种以真空热处理工序将含钯被覆层完全扩散至芯线基体上。

背景技术

半导体封装在引线接合(Wire-Bonding，WB)工序使用的线材一直以金线为主，例如以高纯度4N系(纯度＞99.99质量％)的黄金与其他微量金属元素制成的金线作为封装工序的接合线(合金线)；然而，随着金价不断地上涨，近年已达到每盎司1600美元的高价，导致半导体后段封装厂家在考量材料成本下纷纷导入铜线工序以寻求获利空间；相对金或银线而言，铜线不仅有成本上的优势，且具高导电性与导热性，并在高温下有优异可靠度等优点；然而铜线的硬度较高且易氧化的问题仍是封装工序上最大的问题，举例而言，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，随着半导体晶片启动后温度上升，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元件，更容易使铜接合线发生界面剥离与断线问题；因此，针对上述缺点，虽有技术人员针对封装用的接合铜线改良，请参阅中国台湾发明专利公开第201207129号所公开的“封装用之接合铜线及其制造方法”，其中公开一种封装用的接合铜线，成分包括有银(Ag)、添加物、以及铜(Cu)；其中，银含量0.1～3wt％；添加物是至少一选自由镍(Ni)、铂(Pt)、钯(Pd)、锡(Sn)、及金(Au)所组成的群组，且添加物的含量是0.1～3wt％；再者，铜与银共晶相体积率占全部体积的0.1～8％，且接合铜线抗拉强度250MPa以上，导电率在70％IACS以上；借此，不仅使得阻抗和传统金线相当或甚至更低(＞70％IACS)，可达到更佳导电率，且硬度适中并易于焊接，更能进行球型焊接，于耐热循环的严苛条件下亦能使用。

然而，上述接合铜线虽能满足成本与焊接的要求，但却有易氧化、寿命短的缺点，因此有技术人员进一步借由一表面涂层，其能为集成电路封装，提供更佳的引线接合性能；请参阅中国台湾发明专利公告第480292号所公开的“适用于引线接合之钯表面涂层及形成钯表面涂层之方法”，其表面涂层是形成于一基板之上，包含一钯层与一种或多种材料层；该一种或多种材料层是夹在基板与钯层之间；当至少一种材料的硬度少于250(KHN50)时，该钯层的硬度少于大约500(KHN50)；其中该钯层的厚度最好大于0.075微米，以避免氧化物在其下材料层上形成；上述的基板材料可包含有铜或铜合金，借由镀钯铜线来取代金线，不但可以节省约七成的材料成本，而且镀钯铜线被使用时的可靠度(如耐高温、高湿能力)也能符合要求；此外，亦请一并参阅新日铁高新材料股份有限公司与日铁微金属股份有限公司所申请一系列有关半导体装置用合接线的中国台湾发明专利，公告第I342809所公开的“半导体装置用合接线”、公告第I364806所公开的“半导体装置用合接线”、公告第I364806所公开的“半导体用接合导线”、公开第201107499的“半导体用铜合金接合线”、公开第201140718的“半导体用铜接合线及其接合构造”以及公开第201230903的“复数层铜接合线的接合构造”；上述现有申请案的接合线结构大都是于一芯材(可为铜、金、银等金属所构成)表面设有一表皮层(可为钯、钌、铑、铂，以及银所构成)，导致上述的接合线于实际实施使用时常产生下述缺点：(a)因镀钯铜线(芯材)的表面具有一钯层(表皮层)，使得硬度偏高，且工序电流不易控制，常导致镀钯层厚度不均，造成封装过程整体产出率差、优良率偏低；(b)铜或铜合金镀上钯层于烧球成型(electric frame off，EFO)时，因表面的钯层使得成球(free air ball，FAB)的球心硬度过硬，造成焊球上方颈部的强度不足，于引线接合(wire bonding，WB)后，常发生颈部断裂问题，进而导致接合界面剥离的问题发生；(c)铜或铜合金上形成的表面涂层在高温下(160℃，24小时)的保存试验不佳，易导致表面起泡的现象，造成接合强度降低，由可靠性的观点来看，存有问题；以及(d)成球后，钯元素几乎于颈部区域偏析，对抑制金属间化合物(Intermetallic Compound，IMC)成长不显。

发明内容

本发明主要目的为提供一种固相扩散反应铜钯合金线的制备方法，

本发明的另一目的为提供一种以上述制备方法制得的半导体封装铜钯合金线。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供一种固相扩散反应铜钯合金线的制备方法，包括有下述步骤：

步骤一：准备铜或铜合金所制成的芯线；

步骤二：将含钯被覆层形成于该芯线的表面；以及

步骤三：将具含钯被覆层的芯线进行真空热处理，使该含钯被覆层完全扩散至该芯线的基体上，并于该芯线的组织中形成均匀铜钯合金层。

如本发明所述的固相扩散反应铜钯合金线制造方法，其中该含钯被覆层是以溅镀、蒸镀或沉积的方式形成于该芯线的表面。

如本发明所述的固相扩散反应铜钯合金线制造方法，其中该真空热处理的温度范围介于300℃～500℃之间，且处理时间为1～3小时之间。

如本发明所述的固相扩散反应铜钯合金线制造方法，其中该含钯被覆层的厚度≤120纳米。

具体说，本发明的固相扩散反应铜钯合金线制造方法，主要包含有下述步骤：首先，准备一铜或铜合金所制成的芯线；接着，将含钯被覆层以例如溅镀、蒸镀或沉积的方式形成于芯线的表面；最后，将上述芯线进行真空热处理，使含钯被覆层完全扩散至芯线的基体(matrix)上，并于芯线的组织中形成均匀铜钯合金层；借此，以真空热处理工序将含钯被覆层完全扩散至芯线基体上，使得所制备的半导体封装铜钯合金线于烧球成型后，不仅符合真圆度的要求，且亦具有较佳的球心硬度以及颈部降伏强度，并于引线接合封装工序后产生较优异的界面接合抗拉强度；此外，所制备的铜钯合金线亦可通过严苛的高温保存试验，提升铜钯合金线后续的烧球成型以及打线处理工序的可靠度。

再者，于上述的制备步骤中，真空热处理的温度范围介于300℃～500℃之间，且处理时间为1～3小时之间；此外，形成于芯线表面的含钯被覆层的厚度≤120纳米。

另一方面，本发明提供一种以上述制备方法制得的半导体封装铜钯合金线；

如本发明所述的固相扩散反应铜钯合金线，其中铜钯合金线于烧球成型后的球心硬度≤50Hv1。

如本发明所述的固相扩散反应铜钯合金线，其中铜钯合金线于烧球成型后的颈部降伏强度≥140MPa。

如本发明所述的固相扩散反应铜钯合金线，其中铜钯合金线于烧球成型、引线处理后，其界面接合的抗拉强度≥7.0g。

具体说，本发明的以上述制备方法制得的半导体封装铜钯合金线，其中，固相扩散反应铜钯合金线于烧球成型后的球心硬度≤50Hv1，且颈部降伏强度≥140MPa；而铜钯合金线于烧球成型、打线处理后，其界面接合的抗拉强度≥7.0g；借此，本发明的半导体封装铜钯合金线具有良好的焊接成球性与接合性，符合市场殷切需求的产出率以及优良率。

本发明与现有技术相较之下，本发明具有以下优点：

本发明的固相扩散反应铜钯合金线具有较佳的球心硬度、颈部降伏强度以及界面接合抗拉强度，进而提高整体产出率与优良率，同时可通过较严苛的高温保存试验，提升铜钯合金线后续的烧球成型以及引线处理工序的可靠度，使得本发明的铜钯合金线具有良好的焊接成球性与接合性者。

附图说明

图1：本发明固相扩散反应铜钯合金线其制备方法步骤流程图；

图2：本发明步骤二完成后，含钯被覆层形成于芯线表面的显微镜照片图；

图3：本发明步骤三完成后，含钯被覆层完全扩散至芯线基体的显微镜照片图；

图4：本发明的铜钯合金线于烧球成型后，测试颈部降伏强度示意图；

图5：本发明的铜钯合金线于烧球成型、打线处理后，测试界面接合抗拉强度示意图；

图6：传统镀钯合金线(接合线)表面起泡的显微镜照片图，其为未进行真空热处理的镀钯合金线(接合线)于160℃进行24小时的保存试验；

图7：本发明铜钯合金线的显微镜照片图，其为进行真空热处理的铜钯合金线于160℃进行24小时保存试验；

符号说明：

S1步骤一 S2步骤二

S3步骤三 1铜钯合金线

2零件表面 3固定装置

4拉伸装置

11焊球 12颈部。

具体实施方式

本发明的目的及其结构功能上的优点，将依据附图所示的结构，配合具体实施例予以说明，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。

首先，本发明制造方法所制成的固相扩散反应铜钯合金线可例如适用于印刷电路板的电路、IC封装、ITO基板、IC卡等的电子工业零件的端子或电路表面；请参阅图1所示，为本发明固相扩散反应铜钯合金线的制备方法步骤流程图，包括有下述步骤：

步骤一：准备一铜或铜合金所制成的芯线；

步骤二：将一含钯被覆层形成于芯线的表面；其中，含钯被覆层可以溅镀、蒸镀或沉积的方式形成于芯线的表面，在此并不限定；再者，含钯被覆层的厚度较佳是≤120纳米；以及

步骤三：将具含钯被覆层的芯线进行真空热处理，使含钯被覆层完全扩散至芯线的基体上，并于芯线的金相组织中形成均匀铜钯合金层，亦即于芯线表面无现有技术中所述的表皮层；其中，真空热处理的温度范围可介于300℃～500℃之间，且处理时间为1～3小时之间。

接着，为进一步说明本发明的目的、特征以及所达成的功效，以下列举本发明所制备出固相扩散反应铜钯合金线一些具体实际实施例，并进一步证明本发明的制造方法可实际应用的范围，但不以任何形式限制本发明的范围：首先，准备一线径为20μm的铜芯线；接着，于芯线表面镀上一厚度分别为30纳米、70纳米以及120纳米的含钯被覆层，请参阅图2所示，是含钯被覆层形成于芯线表面的显微镜照片图；然后，将此3种样品分别于250℃～500℃的不同温度下进行2小时的真空热处理，下表1所示为芯线表面残留的含钯被覆层厚度的结果整理表：

表1

由上表可知，芯线表面的含钯被覆层厚度越厚，在相同的热处理时间下，所需的热处理温度必须越高，其含钯被覆层才能完全扩散至芯线基体；举例而言，当含钯被覆层的厚度为70纳米时，于350℃，2小时的真空热处理下，含钯被覆层才能完全扩散至芯线基体，请一并参阅图3所示，为含钯被覆层完全扩散至芯线基体的显微镜照片图；此外，本发明的铜钯合金线1制备完成并于引线接合封装实际实施使用时，一般是以打线机将上述铜钯合金线1的端部烧球成型为一焊球11，请一并参阅图4、图5所示，再将焊球11以超音波热压方式于印刷电路板的电路、IC晶片、ITO基板、IC卡等电子工业零件表面2，即可完成所需的引线接合封装工序；而下表2所述即为上述3种样品分别于250℃～500℃的不同温度下进行2小时的真空热处理后，其焊球11的真圆度结果，由表2中可清楚得知，以本发明制备方法产生的铜钯合金线其烧球性都符合真圆度的要求。

表2

接着，请再参阅图4所示，为本发明的铜钯合金线于烧球成型后，测试颈部降伏强度示意图，其测试方法是将铜钯合金线1的颈部12以一固定装置3(例如一微细夹具)夹掣，并于铜钯合金线1对应焊球11的另一端以一拉伸装置4朝远离焊球11方向进行拉伸，借以测试铜钯合金线1其颈部12的降伏强度，其7个不同热处理状态下试验样品的测试结果如下表3所述；其中，样品A为于芯线表面镀上30纳米厚度的含钯被覆层，且未进行真空热处理、样品B是于芯线表面镀上30纳米厚度的含钯被覆层，且于300℃下进行真空热处理2小时、样品C为于芯线表面镀上70纳米厚度的含钯被覆层，且未进行真空热处理、样品D则于芯线表面镀上70纳米厚度的含钯被覆层，且于350℃下进行真空热处理2小时、样品E是具120纳米厚度的含钯被覆层，且未进行真空热处理、样品F具120纳米厚度的含钯被覆层，且于250℃下进行真空热处理2小时、样品G具120纳米厚度的含钯被覆层，且于500℃下进行真空热处理2小时；由表3中的结果可清楚得知，当含钯被覆层完全扩散至芯线的基体，并于芯线的金相组织中形成均匀铜钯合金层时(亦即含钯被覆层厚度为0的样品为B、D以及G)，其颈部降伏强度明显大于未进行真空热处理，以及含钯被覆层未完全扩散至芯线基体的样品，且整体而言，以本发明制备方法所制得的铜钯合金线1，于烧球成型后，其颈部降伏强度较佳是≥140MPa；请再参阅图5所示，为本发明的铜钯合金线于烧球成型、打线处理后，测试界面接合抗拉强度示意图，其测试方法是于铜钯合金线1完成引线接合工序后，于铜钯合金线1对应零件表面2另一端以一拉伸装置4(例如一微细夹具夹住铜钯合金线1尾端)朝远离接合面方向进行拉伸，借以测试铜钯合金线1的界面接合抗拉强度，其试验结果如下表3所述；由表中清楚得知，样品B、D以及G的界面接合抗拉强度明显大于未进行真空热处理，或含钯被覆层未完全扩散至芯线基体的样品，其界面接合抗拉强度较佳是≥7.0g；此外，本发明亦使用维克氏(Vicker)硬度机测量上述7个样品其焊球11球心硬度(xHVy，其中y＝1g)，结果显示样品B、D以及G明显小于未进行真空热处理，或含钯被覆层未完全扩散至芯线基体的样品，可理解地，当含钯被覆层未扩散或未完全扩散至芯线基体时，铜钯合金线1的端部于烧球成型为焊球11后，焊球11所含的钯金属大多聚积于靠近颈部12处，造成钯偏析，导致颈部12成为铜钯合金线1结构强度的相对弱点，而易于此处发生断裂问题；反观本发明完全扩散至芯线基体的铜钯合金线1，其钯金属是均匀分布于焊球11，因此球心硬度明显较小，以便打线工序后，可避免如传统常发生于颈部12断裂问题，进而导致接合界面剥离的问题发生，且应理解地，较小的球心硬度亦有关于如上所述的较佳颈部降伏强度与界面接合抗拉强度。

表3

最后，请再参阅下表4是将上述C、D样品进行保存试验的比较表，可明显看出未进行真空热处理的样品C于160℃，24小时的保存条件下，芯线表面的含钯被覆层将出现起泡现象(如图6所示)，此势必影响后续的烧球成型以及打线封装工序；反观本发明以350℃下进行真空热处理2小时的样品D，因含钯被覆层完全扩散至芯线的基体，即可通过160℃，24小时的保存试验(如图7所示)，进而提高铜钯合金线后续工序以及实施使用的可靠度。

表4

由上述之实施说明可知，本发明与现有技术相较之下，本发明具有以下优点：

1、本发明将具含钯被覆层的芯线进行真空热处理，于芯线的组织中形成均匀铜钯合金层，与熟知未进行真空热处理的合金线(接合线)相较下，本发明因具有较佳的球心硬度、颈部降伏强度以及界面接合抗拉强度，不仅可避免熟知接合线于实施使用时常造成颈部断裂，导致接合界面剥离的问题发生外，且由于本发明的含钯被覆层完全扩散至芯线基体上，亦可解决熟知的因镀钯层厚度不均，造成封装过程整体产出率差、优良率偏低的问题。

2、本发明的固相扩散反应铜钯合金线因含钯被覆层已完全扩散至芯线的基体，可通过较严苛的高温保存试验(160℃，24小时)，进而提高铜钯合金线后续的烧球成型以及打线处理工序的可靠度，使得本发明的铜钯合金线具有良好的焊接成球性与接合性。

Claims (8)

1.一种固相扩散反应铜钯合金线制造方法，包括有下述步骤：

步骤一：准备铜或铜合金所制成的芯线；

步骤二：将含钯被覆层形成于该芯线的表面；以及

步骤三：将具含钯被覆层的芯线进行真空热处理，使该含钯被覆层完全扩散至该芯线的基体上，并于该芯线的组织中形成均匀铜钯合金层。

2.如权利要求1所述的固相扩散反应铜钯合金线制造方法，其中该含钯被覆层是以溅镀、蒸镀或沉积的方式形成于该芯线的表面。

3.如权利要求1所述的固相扩散反应铜钯合金线制造方法，其中该真空热处理的温度范围介于300℃～500℃之间，且处理时间为1～3小时之间。

4.如权利要求1所述的固相扩散反应铜钯合金线制造方法，其中该含钯被覆层的厚度≤120纳米。

5.一种使用权利要求1至4任一项所述方法制备的固相扩散反应铜钯合金线。

6.如权利要求5所述的固相扩散反应铜钯合金线，其中铜钯合金线于烧球成型后的球心硬度≤50Hv1。

7.如权利要求5所述的固相扩散反应铜钯合金线，其中铜钯合金线于烧球成型后的颈部降伏强度≥140MPa。

8.如权利要求5所述的固相扩散反应铜钯合金线，其中铜钯合金线于烧球成型、引线处理后，其界面接合的抗拉强度≥7.0g。