固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明有關(guān)于一種固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線及其制造方法，其方法主要包括有將一含鈀被覆層形成于銅或銅合金所制成的芯線表面，再將芯線進(jìn)行真空熱處理，使得含鈀被覆層可完全擴(kuò)散至芯線的基體上，并于芯線的組織中形成均勻銅鈀合金層；借此，與熟知未進(jìn)行真空熱處理的接合線相較下，不僅具有較佳的球心硬度、頸部降伏強(qiáng)度以及界面接合抗拉強(qiáng)度，且亦能通過(guò)較嚴(yán)苛的高溫保存試驗(yàn)，進(jìn)而提高銅鈀合金線后續(xù)的燒球成型以及引線處理工序的可靠度。
【專利說(shuō)明】固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是關(guān)于一種固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線及其制造方法，尤其是指一種以真空 熱處理工序?qū)⒑Z被覆層完全擴(kuò)散至芯線基體上。

【背景技術(shù)】
[0002] 半導(dǎo)體封裝在引線接合（Wire-Bonding, WB)工序使用的線材一直以金線為主， 例如以高純度4N系（純度> 99. 99質(zhì)量％ )的黃金與其他微量金屬元素制成的金線作為 封裝工序的接合線（合金線）；然而，隨著金價(jià)不斷地上漲，近年已達(dá)到每盎司1600美元 的高價(jià)，導(dǎo)致半導(dǎo)體后段封裝廠家在考量材料成本下紛紛導(dǎo)入銅線工序以尋求獲利空間； 相對(duì)金或銀線而言，銅線不僅有成本上的優(yōu)勢(shì)，且具高導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性，并在高溫下有優(yōu)異 可靠度等優(yōu)點(diǎn)；然而銅線的硬度較高且易氧化的問(wèn)題仍是封裝工序上最大的問(wèn)題，舉例而 言，使用銅導(dǎo)線時(shí)，由于封裝用樹脂與導(dǎo)線的熱膨脹系數(shù)差異過(guò)大，隨著半導(dǎo)體晶片啟動(dòng)后 溫度上升，因熱形成的體積膨脹對(duì)形成回路的銅接合線產(chǎn)生外部應(yīng)力，特別是對(duì)暴露于嚴(yán) 酷的熱循環(huán)條件下的半導(dǎo)體元件，更容易使銅接合線發(fā)生界面剝離與斷線問(wèn)題；因此，針 對(duì)上述缺點(diǎn)，雖有技術(shù)人員針對(duì)封裝用的接合銅線改良，請(qǐng)參閱中國(guó)臺(tái)灣發(fā)明專利公開第 201207129號(hào)所公開的"封裝用之接合銅線及其制造方法"，其中公開一種封裝用的接合銅 線，成分包括有銀（Ag)、添加物、以及銅（Cu);其中，銀含量0. 1?3wt%;添加物是至少一選 自由鎳（Ni)、鉬（Pt)、鈀（Pd)、錫（Sn)、及金（Au)所組成的群組，且添加物的含量是0. 1? 3wt % ;再者，銅與銀共晶相體積率占全部體積的0. 1?8%，且接合銅線抗拉強(qiáng)度250MPa 以上，導(dǎo)電率在70% IACS以上；借此，不僅使得阻抗和傳統(tǒng)金線相當(dāng)或甚至更低（> 70% IACS)，可達(dá)到更佳導(dǎo)電率，且硬度適中并易于焊接，更能進(jìn)行球型焊接，于耐熱循環(huán)的嚴(yán)苛 條件下亦能使用。
[0003] 然而，上述接合銅線雖能滿足成本與焊接的要求，但卻有易氧化、壽命短的缺點(diǎn)， 因此有技術(shù)人員進(jìn)一步借由一表面涂層，其能為集成電路封裝，提供更佳的引線接合性能； 請(qǐng)參閱中國(guó)臺(tái)灣發(fā)明專利公告第480292號(hào)所公開的"適用于引線接合之鈀表面涂層及形 成鈕表面涂層之方法"，其表面涂層是形成于一基板之上，包含一鈕層與一種或多種材料 層；該一種或多種材料層是夾在基板與鈀層之間；當(dāng)至少一種材料的硬度少于250 (KHN50) 時(shí)，該鈀層的硬度少于大約500 (KHN50);其中該鈀層的厚度最好大于0. 075微米，以避免氧 化物在其下材料層上形成；上述的基板材料可包含有銅或銅合金，借由鍍鈀銅線來(lái)取代金 線，不但可以節(jié)省約七成的材料成本，而且鍍鈀銅線被使用時(shí)的可靠度（如耐高溫、高濕能 力）也能符合要求；此外，亦請(qǐng)一并參閱新日鐵高新材料股份有限公司與日鐵微金屬股份 有限公司所申請(qǐng)一系列有關(guān)半導(dǎo)體裝置用合接線的中國(guó)臺(tái)灣發(fā)明專利，公告第1342809所 公開的"半導(dǎo)體裝置用合接線"、公告第1364806所公開的"半導(dǎo)體裝置用合接線"、公告第 1364806所公開的"半導(dǎo)體用接合導(dǎo)線"、公開第201107499的"半導(dǎo)體用銅合金接合線"、公 開第201140718的"半導(dǎo)體用銅接合線及其接合構(gòu)造"以及公開第201230903的"復(fù)數(shù)層銅 接合線的接合構(gòu)造";上述現(xiàn)有申請(qǐng)案的接合線結(jié)構(gòu)大都是于一芯材（可為銅、金、銀等金屬 所構(gòu)成）表面設(shè)有一表皮層（可為鈀、釕、銠、鉬，以及銀所構(gòu)成），導(dǎo)致上述的接合線于實(shí)際 實(shí)施使用時(shí)常產(chǎn)生下述缺點(diǎn)：(a)因鍍鈀銅線（芯材）的表面具有一鈀層（表皮層），使得 硬度偏高，且工序電流不易控制，常導(dǎo)致鍍鈀層厚度不均，造成封裝過(guò)程整體產(chǎn)出率差、優(yōu) 良率偏低；(b)銅或銅合金鍍上鈕層于燒球成型（electric frame off, EFO)時(shí)，因表面的 鈀層使得成球（free air ball，F(xiàn)AB)的球心硬度過(guò)硬，造成焊球上方頸部的強(qiáng)度不足，于引 線接合（wire bonding，WB)后，常發(fā)生頸部斷裂問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致接合界面剝離的問(wèn)題發(fā)生； (c)銅或銅合金上形成的表面涂層在高溫下（160°C，24小時(shí)）的保存試驗(yàn)不佳，易導(dǎo)致表面 起泡的現(xiàn)象，造成接合強(qiáng)度降低，由可靠性的觀點(diǎn)來(lái)看，存有問(wèn)題；以及（d)成球后，鈀元素 幾乎于頸部區(qū)域偏析，對(duì)抑制金屬間化合物（Intermetallic Compound, IMC)成長(zhǎng)不顯。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明主要目的為提供一種固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線的制備方法，
[0005] 本發(fā)明的另一目的為提供一種以上述制備方法制得的半導(dǎo)體封裝銅鈀合金線。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，一方面，本發(fā)明提供一種固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線的制備方 法，包括有下述步驟：
[0007] 步驟一：準(zhǔn)備銅或銅合金所制成的芯線；
[0008] 步驟二：將含鈀被覆層形成于該芯線的表面；以及
[0009] 步驟三：將具含鈀被覆層的芯線進(jìn)行真空熱處理，使該含鈀被覆層完全擴(kuò)散至該 芯線的基體上，并于該芯線的組織中形成均勻銅鈀合金層。
[0010] 如本發(fā)明所述的固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線制造方法，其中該含鈀被覆層是以濺 鍍、蒸鍍或沉積的方式形成于該芯線的表面。
[0011] 如本發(fā)明所述的固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線制造方法，其中該真空熱處理的溫度范 圍介于300°C?500°C之間，且處理時(shí)間為1?3小時(shí)之間。
[0012] 如本發(fā)明所述的固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線制造方法，其中該含鈀被覆層的厚度 彡120納米。
[0013] 具體說(shuō)，本發(fā)明的固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線制造方法，主要包含有下述步驟：首 先，準(zhǔn)備一銅或銅合金所制成的芯線；接著，將含鈀被覆層以例如濺鍍、蒸鍍或沉積的方式 形成于芯線的表面；最后，將上述芯線進(jìn)行真空熱處理，使含鈀被覆層完全擴(kuò)散至芯線的基 體（matrix)上，并于芯線的組織中形成均勻銅鈀合金層；借此，以真空熱處理工序?qū)⒑Z 被覆層完全擴(kuò)散至芯線基體上，使得所制備的半導(dǎo)體封裝銅鈀合金線于燒球成型后，不僅 符合真圓度的要求，且亦具有較佳的球心硬度以及頸部降伏強(qiáng)度，并于引線接合封裝工序 后產(chǎn)生較優(yōu)異的界面接合抗拉強(qiáng)度；此外，所制備的銅鈀合金線亦可通過(guò)嚴(yán)苛的高溫保存 試驗(yàn)，提升銅鈀合金線后續(xù)的燒球成型以及打線處理工序的可靠度。
[0014] 再者，于上述的制備步驟中，真空熱處理的溫度范圍介于300°C?500°C之間，且 處理時(shí)間為1?3小時(shí)之間；此外，形成于芯線表面的含鈀被覆層的厚度< 120納米。
[0015] 另一方面，本發(fā)明提供一種以上述制備方法制得的半導(dǎo)體封裝銅鈀合金線；
[0016] 如本發(fā)明所述的固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線，其中銅鈀合金線于燒球成型后的球心 硬度 < 50Hvl。
[0017] 如本發(fā)明所述的固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線，其中銅鈀合金線于燒球成型后的頸部 降伏強(qiáng)度彡140MPa。
[0018] 如本發(fā)明所述的固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線，其中銅鈀合金線于燒球成型、引線處 理后，其界面接合的抗拉強(qiáng)度> 7. 0g。
[0019] 具體說(shuō)，本發(fā)明的以上述制備方法制得的半導(dǎo)體封裝銅鈀合金線，其中，固相擴(kuò)散 反應(yīng)銅鈀合金線于燒球成型后的球心硬度彡50Hvl，且頸部降伏強(qiáng)度彡140MPa ;而銅鈀合 金線于燒球成型、打線處理后，其界面接合的抗拉強(qiáng)度> 7. 0g ;借此，本發(fā)明的半導(dǎo)體封裝 銅鈀合金線具有良好的焊接成球性與接合性，符合市場(chǎng)殷切需求的產(chǎn)出率以及優(yōu)良率。
[0020] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相較之下，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0021] 本發(fā)明的固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線具有較佳的球心硬度、頸部降伏強(qiáng)度以及界面 接合抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而提高整體產(chǎn)出率與優(yōu)良率，同時(shí)可通過(guò)較嚴(yán)苛的高溫保存試驗(yàn)，提升銅 鈀合金線后續(xù)的燒球成型以及引線處理工序的可靠度，使得本發(fā)明的銅鈀合金線具有良好 的焊接成球性與接合性者。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1 :本發(fā)明固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線其制備方法步驟流程圖；
[0023] 圖2 :本發(fā)明步驟二完成后，含鈀被覆層形成于芯線表面的顯微鏡照片圖；
[0024] 圖3 :本發(fā)明步驟三完成后，含鈀被覆層完全擴(kuò)散至芯線基體的顯微鏡照片圖；
[0025] 圖4 :本發(fā)明的銅鈀合金線于燒球成型后，測(cè)試頸部降伏強(qiáng)度示意圖；
[0026] 圖5 :本發(fā)明的銅鈀合金線于燒球成型、打線處理后，測(cè)試界面接合抗拉強(qiáng)度示意 圖；
[0027] 圖6 :傳統(tǒng)鍍鈀合金線（接合線）表面起泡的顯微鏡照片圖，其為未進(jìn)行真空熱處 理的鍍鈀合金線（接合線）于160°C進(jìn)行24小時(shí)的保存試驗(yàn)；
[0028] 圖7 :本發(fā)明銅鈀合金線的顯微鏡照片圖，其為進(jìn)行真空熱處理的銅鈀合金線于 160°C進(jìn)行24小時(shí)保存試驗(yàn)；
[0029] 符號(hào)說(shuō)明：
[0030] S1步驟一 S2步驟二
[0031] S3步驟三 1銅鈀合金線
[0032] 2零件表面 3固定裝置
[0033] 4拉伸裝置
[0034] 11焊球 12頸部。

【具體實(shí)施方式】
[0035] 本發(fā)明的目的及其結(jié)構(gòu)功能上的優(yōu)點(diǎn)，將依據(jù)附圖所示的結(jié)構(gòu)，配合具體實(shí)施例 予以說(shuō)明，旨在幫助閱讀者更好地理解本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和特點(diǎn)，不作為對(duì)本案可實(shí)施范圍的 限定。
[0036] 首先，本發(fā)明制造方法所制成的固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線可例如適用于印刷電路 板的電路、1C封裝、ΙΤ0基板、1C卡等的電子工業(yè)零件的端子或電路表面；請(qǐng)參閱圖1所示， 為本發(fā)明固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線的制備方法步驟流程圖，包括有下述步驟：
[0037] 步驟一：準(zhǔn)備一銅或銅合金所制成的芯線；
[0038] 步驟二：將一含鈀被覆層形成于芯線的表面；其中，含鈀被覆層可以濺鍍、蒸鍍或 沉積的方式形成于芯線的表面，在此并不限定；再者，含鈀被覆層的厚度較佳是< 120納 米；以及
[0039] 步驟三：將具含鈀被覆層的芯線進(jìn)行真空熱處理，使含鈀被覆層完全擴(kuò)散至芯線 的基體上，并于芯線的金相組織中形成均勻銅鈀合金層，亦即于芯線表面無(wú)現(xiàn)有技術(shù)中所 述的表皮層；其中，真空熱處理的溫度范圍可介于300°C?500°C之間，且處理時(shí)間為1?3 小時(shí)之間。
[0040] 接著，為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的目的、特征以及所達(dá)成的功效，以下列舉本發(fā)明所制 備出固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線一些具體實(shí)際實(shí)施例，并進(jìn)一步證明本發(fā)明的制造方法可實(shí) 際應(yīng)用的范圍，但不以任何形式限制本發(fā)明的范圍：首先，準(zhǔn)備一線徑(φ)為20 μ m的銅芯 線；接著，于芯線表面鍍上一厚度分別為30納米、70納米以及120納米的含鈀被覆層，請(qǐng) 參閱圖2所示，是含鈀被覆層形成于芯線表面的顯微鏡照片圖；然后，將此3種樣品分別于 250°C?500°C的不同溫度下進(jìn)行2小時(shí)的真空熱處理，下表1所示為芯線表面殘留的含鈀 被覆層厚度的結(jié)果整理表：

【權(quán)利要求】
1. 一種固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線制造方法，包括有下述步驟： 步驟一：準(zhǔn)備銅或銅合金所制成的芯線； 步驟二：將含鈀被覆層形成于該芯線的表面；以及 步驟三：將具含鈀被覆層的芯線進(jìn)行真空熱處理，使該含鈀被覆層完全擴(kuò)散至該芯線 的基體上，并于該芯線的組織中形成均勻銅鈀合金層。
2. 如權(quán)利要求1所述的固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線制造方法，其中該含鈀被覆層是以濺 鍍、蒸鍍或沉積的方式形成于該芯線的表面。
3. 如權(quán)利要求1所述的固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線制造方法，其中該真空熱處理的溫度 范圍介于300°C?500°C之間，且處理時(shí)間為1?3小時(shí)之間。
4. 如權(quán)利要求1所述的固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線制造方法，其中該含鈀被覆層的厚度 彡120納米。
5. -種使用權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述方法制備的固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線。
6. 如權(quán)利要求5所述的固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線，其中銅鈀合金線于燒球成型后的球 心硬度< 50Hvl。
7. 如權(quán)利要求5所述的固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線，其中銅鈀合金線于燒球成型后的頸 部降伏強(qiáng)度彡140MPa。
8. 如權(quán)利要求5所述的固相擴(kuò)散反應(yīng)銅鈀合金線，其中銅鈀合金線于燒球成型、引線 處理后，其界面接合的抗拉強(qiáng)度> 7. 0g。
【文檔編號(hào)】C23C14/58GK104060281SQ201310090594
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月21日
【發(fā)明者】呂傳盛, 洪飛義 申請(qǐng)人:呂傳盛, 洪飛義, 風(fēng)青實(shí)業(yè)股份有限公司