技术领域
[0001] 本
发明涉及LED封装技术领域，更具体地说是涉及一种LED封装用银合金线及其制作方法。
背景技术
[0002] 键合丝(bonding wire)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。键合丝发展趋势，从应用方向上主要是线径细微化、高车间寿命(floor life)以及高
线轴长度的产品；从化学成分上，主要有
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封装应用上取代金线。
[0003] 相对于金线来说，银线主要的优势是：产品成本低，但是早期的银合金的主要问题是线材表面容易硫化、
氧化，影响银合金线的打线性能以及高温、高湿可靠性(PCT,HAST)问题，另外还有严重的电迁移问题，导致
电路短路失效，可靠性低。
[0004] 在球焊的烧球过程中(electric flame off,EFO),
电弧高压击穿球焊时的保护气体(95％氮气和5％氢气)，放出大量的热。
熔化键合丝的末端，由于表面张
力的作用，在键合丝末端形成一个圆球即自由空气球(Free air ball)，由于钯可以和银形成固体溶液，所以钯可以熔入到银合金球的主体中，从而在FAB的表面消失。因此钯是很难均匀分布于FAB的四周的，尤其是不能富集于FAB底部与IC
铝焊盘
接触的部分，但是钯在该区域的富集对后续焊点的可靠性是十分有益的。
[0005] 所以上述的问题都可以通过向银线中引入钯(Pd，引入的用量为3-4％)而得到改善，尤其是其高温、高湿可靠性(PCT,HAST)问题。但是引入3-4％的钯到银合金线中会导致导电率上升，同时线材的硬度也上升，而这两点对于高端IC封装，例如记忆体(memory)中的封装是十分重要的。
发明内容
[0006] 本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。
[0007] 本发明提供的目的在于提供一种可靠性高、硬度低的LED封装用银合金线及其制作方法。
[0008] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：本发明提供一种LED封装用银合金线，包括银合金键合丝、包覆在银合金键合丝外的第一混合层以及包覆在所述第一混合层外的第二混合层，所述第一混合层按重量计钯含量大于50％，其余为高熔点金属；所述第二混合层按重量计高熔点金属含量大于50％，其余为钯。
[0009] 所述第一混合层的厚度为15-25纳米，所述第二混合层的厚度为7-10纳米。
[0010] 所述第一混合层的厚度为20纳米，所述第二混合层的厚度为7纳米。
[0011] 所述银合金键合丝按重量计氧含量低于5ppm，掺杂元素含量在8-100ppm之间，其余为银，所述掺杂元素为
钙、铜、
铁和
硅中的一种或其中多种的组合。
[0012] 所述高熔点金属为铑、钌、铱或者铂。
[0013] 本发明还提供一种LED封装用银合金线的制作方法，包括以下步骤：
[0014] S1、制作银合金键合丝；
[0015] S2、在所述银合金键合丝的表面上镀钯，形成钯层；
[0016] S3、在所述钯层的外表面上镀高熔点金属，形成高熔点金属层；
[0017] S4、将镀有钯层和高熔点金属层的银合金键合丝进行热扩散处理，使钯层和高熔点金属层之间的
原子相互扩散，形成包覆在银合金键合丝外的第一混合层以及包覆在所述第一混合层外的第二混合层，获得银合金线；所述第一混合层按重量计钯含量大于50％，其余为高熔点金属；所述第二混合层按重量计高熔点金属含量大于50％，其余为钯。
[0018] 在所述步骤S4中热扩散处理的条件为：采用氮气作为
退火气氛，
退火炉有效长度为600mm，
温度在500-700℃之间，走线速率为100m/min。
[0019] 所述步骤S1中制作银合金键合丝步骤为：
[0020] S11、在按重量计的氧含量低于5ppm的银中加入掺杂元素，所述掺杂元素含量在8-100ppm之间，所述掺杂元素为钙、铜、铁和硅中的一种或其中多种的组合，经过定向连续拉工艺，获得直径为6-8毫米的线材；
[0021] S12、对步骤S11中获得的线材进行
拉丝，获得线径为15-50微米的银合金键合丝；
[0022] 拉丝包括多次拉丝操作，在拉丝过程中，对线材进行一次以上的中间退火，中间退火中采用氮气或Forming gas作为
退火气氛；
[0023] 拉丝结束后，对银合金键合丝进行最后退火，最后退火中采用氮气或Forming gas作为退火气氛。
[0024] 所述第一混合层的厚度为15-25纳米，所述第二混合层的厚度为7-10纳米。
[0025] 所述高熔点金属为铑、钌、铱或者铂。
[0026] 本发明的有益效果为：一方面，由于高熔点金属在钯中有一定的溶解性，而正是这种溶解使得钯在烧球过程中向银球内扩散的过程受到了制约，从而促使钯和高熔点金属都均匀地分布于自由空气球的表面；另一方面，由于钯和高熔点金属的
密度都高于银，所以使得钯和高熔点金属会优先富集在自由空气球的底部，从而可以延缓铝垫上的铝向自由空气球扩散，从而提高产品的可靠性，而且银合金线的
导电性有所提高，且硬度会大幅度下降。
附图说明
[0027] 下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：
[0028] 图1为本发明
实施例中银合金线的结构示意图。
[0029] 图2为本发明实施例中银合金线制作
流程图。
具体实施方式
[0030] 如图1所示，本发明实施例中提出的LED封装用银合金线，包括银合金键合丝10、包覆在银合金键合丝10外的第一混合层20以及包覆在第一混合层20外的第二混合层30。
[0031] 银合金键合丝10按重量计氧含量低于5ppm，掺杂元素含量在8-100ppm之间，其余为银，银的纯度为4N。掺杂元素为钙、铜、铁和硅中的一种或其中多种的组合。
[0032] 本实施例中，第一混合层20按重量计钯含量大于50％，其余为高熔点金属。第二混合层30按重量计高熔点金属含量大于50％，其余为钯。一方面，由于高熔点金属在钯中有一定的溶解性，而正是这种溶解使得钯在烧球过程中向银球内扩散的过程受到了制约，从而促使钯和高熔点金属都均匀地分布于自由空气球的表面；另一方面，由于钯和高熔点金属的密度都高于银，所以使得钯和高熔点金属会优先富集在自由空气球的底部，从而可以延缓铝垫上的铝向自由空气球扩散，从而提高产品的可靠性。
[0033] 另外，钯在银合金键合丝中所发挥的抗电迁移、抗硫化以及增加可靠性的功能都是钯在表面和界面上的功能体现。所以本发明利用高熔点金属在钯中的溶解性和其本身的高熔点特性，同时将钯和高熔点金属在球焊时留在了自由空气球的表面，保证了银合金线的可靠性，而且银合金线的导电性有所提高，且硬度会大幅度下降。
[0034] 第一混合层20的厚度为15-25纳米，第二混合层30的厚度为7-10纳米。
[0035] 本实施例中，第一混合层的厚度为20纳米，第二混合层的厚度为7纳米。
[0036] 高熔点金属为铑(Rh，2236℃)、钌(Ru，2527℃)、铱(Ir，2720℃)或者铂(Pt，2045℃)。
[0037] 如图2所示，本发明还提供一种LED封装用银合金线的制作方法，包括以下步骤：
[0038] S1、制作银合金键合丝；
[0039] S2、在银合金键合丝的表面上镀钯，形成钯层；
[0040] S3、在钯层的外表面上镀高熔点金属，形成高熔点金属层；
[0041] S4、将镀有钯层和高熔点金属层的银合金键合丝进行热扩散处理，使钯层和高熔点金属层之间的原子相互扩散，形成包覆在银合金键合丝外的第一混合层以及包覆在第一混合层外的第二混合层，获得银合金线；第一混合层按重量计钯含量大于50％，其余为高熔点金属；第二混合层按重量计高熔点金属含量大于50％，其余为钯。
[0042] 步骤S1中制作银合金键合丝步骤为：
[0043] S11、在按重量计的氧含量低于5ppm的银原料中加入掺杂元素，掺杂元素含量在8-100ppm之间，掺杂元素为钙、铜、铁和硅中的一种或其中多种的组合，经过定向连续拉工艺，获得直径为6-8毫米的线材；
[0044] S12、对步骤S11中获得的线材进行拉丝，获得线径在15-50微米的银合金键合丝；
[0045] 拉丝包括多次拉丝操作，在拉丝过程中，对线材进行一次以上的中间退火，中间退火中采用氮气或Forming gas作为退火气氛；
[0046] 拉丝结束后，对银合金键合丝进行最后退火，最后退火中采用氮气或Forming gas作为退火气氛。
[0047] 在步骤S2中，钯通过
电镀的方式均匀的涂敷在银合金键合丝的表面。
[0048] 在步骤S3中，高熔点金属通过电镀或者
化学镀的方式均匀地涂敷于钯层的外表面。
[0049] 在步骤S4中热扩散处理的条件为：采用氮气作为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，温度在500-700℃之间，走线速率为100m/min。
[0050] 下面给出本发明LED封装用银合金线的制作方法的一个具体实施例。
[0051] 实施例一：
[0052] S1、按重量计选取氧含量低于5ppm的4N银，加入8ppm的钙(Ca)，经定向连续拉工艺，获得直径为6-8mm的线材；对获得的线材进行拉丝，获得直径为23微米的银合金键合丝；拉丝过程中，对线材进行一次中间退火，中间退火中采用氮气作为退火气氛；拉丝结束后，对银合金键合丝进行最后退火，最后退火中采用氮气作为退火气氛；
[0053] S2、在银合金键合丝的表面上电镀钯，钯层的厚度为25纳米；
[0054] S3、在钯层的外表面上化学镀钌(闪钌工艺)，化学镀钌中以氯化钌为银源，氯化钌浓度为0.02M,以联胺(Hydrazine)为还原剂，联胺浓度为0.009M，以
氨水(NH3H2O)为主离子络合剂,
氨水浓度为2.0M，采用NaOH为PH调节剂，在60℃下进行闪镀，闪镀槽长度为2米，保持闪镀时间在6秒，得到厚度为8nm的钌层；
[0055] S4、在闪镀钌完成后，将镀有钯层和高熔点金属层的银合金键合丝进行热扩散处理，热扩散处理中采用氮气作为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，热扩散温度为500-700℃，走线速率为100m/min；使钌与钯之间的原子相互扩散，最终得到包覆在银合金键合丝外的第一混合层以及包覆在第一混合层外的第二混合层，获得银合金线；第一混合层按重量计钯含量大于50％，其余为高熔点金属；第二混合层按重量计高熔点金属含量大于50％，其余为钯；第一混合层的厚度为20纳米，第二混合层的厚度为7nm。
[0056] 下面给出两种常规的制作银合金键合丝的方法，与实施例一作为对比。
[0057] 对比例一：
[0058] S1、按重量计，在4N银(纯度为99.99％)中加入4.0％的钯，8ppm的Ca，经过定向连续拉工艺，获得直径为8mm的线材；
[0059] S2、对得到的线材进行拉丝，获得直径为23um的银合金键合丝，在拉丝过程中，对线材进行一次中间退火，中间退火在拉丝至直径为0.0877mm时进行，在退火过程中采用氮气作为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为600℃，退火速率为90m/min；
[0060] S3、拉丝完成后，对银合金键合丝进行最后退火，在退火过程中采用氮气作为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为450℃，退火速率为100m/min，线材最后退火段的
张力设定为0.3克。
[0061] 对比例二：
[0062] S1、按重量计，在氧含量低于5ppm的4N银中加入8ppm的掺杂元素Ca，经定向连续拉工艺，获得直径为6-8mm的线材；再通过多次拉丝(粗拉、小拉、细拉、微拉等过程)，获得23微米的银合金键合丝；在拉丝过程中及拉丝完成后，分别对线材以氮气作为退火气氛进行退火处理。
[0063] S2、在银合金键合丝的表面电镀钯，钯层厚度为25纳米。
[0064] S3、在电镀钯完成后，将键合丝以氮气作为退火气氛，温度在450-650℃之间进行
热处理，使钯与银之间的原子相互扩散，获得包覆在银合金键合丝外的混合层，混合层中钯含量高于50％，其余为银，混合层厚度为20纳米。
[0065] 下面表1为采用实施例一、对比例一和对比例二制作的银合金线的
电阻率的比较：
[0066]
[0067] 下面表2为采用实施例一、对比例一和对比例二制作的银合金线的硬度的比较：
[0068] 将三种线材沿着
中轴线剖开，然后对线材的剖面进行Vicker硬度测定。每组读数取十个测量的平均值，采用FM-810e显微维氏硬度计，在1克的作用力下，保留15秒，通过压印的大小来测定硬度，结果如下。
[0069]
[0070] 下面表3为采用实施例一、对比例一和对比例二制作的银合金线的可靠性的比较：
[0071] 采用三种线材(23微米)进行第一焊点的球焊，然后进行灌胶封装。在温度为200℃的条件下，进行高温保存实验1000个小时(HTS:High Temperature Test),最后剥离灌封胶，然后再进行第一焊点的剪切强度测试来评估三种线材在高温存储可靠性上的表现。剪切强度小于5克为差，介于5-8克为良，大于8克为优。
[0072]实验 实施例一 对比例一 对比例一
剪切强度 优 优 差
[0073] 可见，本发明通过在银合金键合丝的表面设置第一混合层和第二混合层，第一混合层按重量计钯含量大于50％，其余为高熔点金属；第二混合层按重量计高熔点金属含量大于50％，其余为钯，一方面，由于高熔点金属在钯中有一定的溶解性，而正是这种溶解使得钯在烧球过程中向银球内扩散的过程受到了制约，从而促使钯和高熔点金属都均匀地分布于空气自由球的表面。另一方面，由于钯和高熔点金属的密度都高于银，所以使得钯和高熔点金属会优先富集在空气自由球的底部，从而可以延缓铝垫上的铝向自由空气球(Free air ball)的扩散，从而提高产品的可靠性。而且发明还大幅降低了钯的总用量，并将钯和高熔点金属都集中到线材表面，降低了线材主体的电阻率，降低了线材和空气自由球(Free air ball)的硬度。
[0074] 以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明
说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。
