无氧化键合金银合金丝的研发

中图分类号： TG 146． 3
文章编号： 1001 － 1277（ 2016） 02 － 0005 － 03
文献标志码： A
doi： 10． 11792 / hj20160202
0 引言
键合金丝作为半导体封装中的内引线，主要应用 在集成电路 （ IC） 和半导体分立器件等的封装［1 － 2］。 随着 LED 照明技术的飞速发展，LED 灯已经广泛应 用在户外照明灯、交通灯、汽车灯、液晶屏背光源等领 域。由于 LED 照明在节能、安全、环保等方面具有优 势，LED 产品大规模应用的趋势将不可阻挡［3 － 4］。在 LED 产品的生产制造中，采用价格昂贵的金丝作为 键合材料，成本较高。为了降低生产成本，寻求低成 本的键合丝，因而键合金合金丝、银及银合金丝、铜及 铜合金丝以及镀钯铜丝应势而生［5 － 8］。目前，其研究 表明： 键合纯银丝的使用存在成球不稳定以及易氧化 等问题［2］； 而键合铜丝虽可以有效替代键合金丝使 用在集成电路行业，但因其发热后易氧化不能应用于 LED 照明行业； 这就限制了键合纯银丝和键合铜丝 在 LED 行业的应用［1］。在此研究背景下，一些 LED 企业开始寻求高掺杂的金合金丝，一方面可以适当的 降低成本，一方面又利用了金良好的化学稳定性。为 满足 LED 行业的需求，烟台招金励福贵金属股份有
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黄金 GOLD
工业用金 5
无氧化键合金银合金丝的研发
马晓霞1，2 ，范 红3 ，李守生1 ，李玉芹3 ，杜晋峰4
（ 1． 山东招金集团有限公司； 2． 山东大学材料与科学工程学院； 3． 烟台招金励福贵金属股份有限公司； 4． 神华国华（ 北京） 电力研究院有限公司）
0． 50
0． 56
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2． 30
图 1 直径 20 μm 和 25 μm 键合丝断裂负荷
图 2 直径 20 μm 和 25 μm 键合丝伸长率
2． 2 电学性能 封装材料的电学性能直接决定了芯片的性能指
标。随着芯片频率不断提高，对封装中导体材料的电 学性能提出了更高的要求。4N 型键合银丝的电阻率 为 1． 60 μΩ·cm，在所有金属中电阻率最小，导电性
0． 00
0
1 000
0． 91
0． 37
－ 0． 07
0． 00
0
168
－ 5． 49
0． 57
－ 0． 12
0． 00
0
高温高湿 温度： 85 ℃ 相对湿度： 85 %
500
－ 6． 40
2． 59
－ 0． 02
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0
1 000
－ 7． 14
2． 61
－ 0． 23
0． 00
0
LED 寿命 IF = 25 mA
WL / nm IF = 20 mA
300（ 循环）
－ 1． 90
3． 98
－ 0． 07
IＲ / μA VＲ = 5 V
LED 产品失效
0． 00
0
冷热冲击
高温： 100 ℃ ，5 min 低温： － 10 ℃ ，5 min 转换时间： 10 s
300（ 循环）
0． 10
0． 69
－ 0． 09
0． 00
0
168
－ 1． 37
0． 19
－ 0． 17
0． 00
0
高温贮存 100 ℃
500
－ 3． 26
1． 30
－ 0． 05
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0
1 000
0． 61
0． 58
－ 0． 25
0． 00
0
168
－ 1． 68
－ 0． 71
0． 00
0． 00
0
低温贮存
－ 40 ℃
500
－ 3． 02
0． 33
－ 0． 02
摘要： 在高纯金的基础上分别添加了 20 % 、30 % 的纯银，制备了 KA8、KA7 型键合金银合金
丝，对其力学性能、电学性能、键合性能以及稳定性和可靠性进行了测试。其测试结果表明，KA8、
KA7 型键合金银合金丝完全可以满足 LED 行业的使用要求，并能适当的降低成本。
关键词： 键合； 金银合金； 可靠性测试； LED 行业
dustry，many mining companies try to change and increase the value of human resources，providing human resources
support for strategic development of the enterprise． The paper based on the macro- and micro-analysis of the current
Study of the transformation path of traditional HＲs of mining company based on HＲBP － COE － SSC model
Wu An'an
（ Business School of Hohai University）
Abstract： Faced with the new constant economic environment and the upgrading and transformation of mining in-
LED 单管失效会给整 个 LED 照 明 产 品 造 成 失 效，而 LED 单管内部是由键合丝连接而成，因此 LED 单管失效多为键合失效问题［10］。将 LED 灯中键合 金银合金丝放大（ 见图 3） ，结合表 2 的测试 结 果 表 明，键合金银合金丝在经过长达 1 000 h 的 可 靠 性 测试后第 1 焊 点 和 第 2 焊 点 均 无 开 裂、断 线 现 象； 这证明该型键合丝具有优异的键合性能和良好的 稳定性。
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工业用金 7
项目 温度循环
表2
条件
高温： 100 ℃ ，15 min 低温： － 40 ℃ ，15 min 转换时间： 5 min
直径 25 μm KA8 型键合 LED 产品可靠性测试
时间 /h
ΔIV /% IF = 20 mA
ΔVF /% IF = 20 mA
situation of traditional human resource management of mining enterprises proposed and discussed the transformation
paths based on HＲBP － COE － SSC from the perspective of the three modules of HＲBP，COE and SSC，and offered
2． 3 可靠性测试 在 LED 使用过程中，不良芯片会导致 LED 直接
失效，而环境温度的变化以及 LED 发热后在封装结 构中产生的应力会破坏芯片、键合丝与引脚之间的连 接，造成 裂 痕、脱 落，甚 至 断 裂，最 终 导 致 LED 失 效［10］。本文在一定温度、湿度和电流条件下，测试了 使用该类型合金丝生产的 LED 产品的发光强度（ IV ） 变化率、正向电压（ VF ） 变化率、波长（ WL ） 以及反向 电流（ 漏电流） （ IＲ ） ，测试结果见表 2。从表 2 可知： 该类型 LED 产品在一定温度、湿度和电流条件下，经 历 1 000 h 后，测试指标变化很小，仍在其标准范围 内，且每组测试的样品都达 到 了“0 ”失 效。 该 测 试 结 果充分表明，采用金银合金线键合的 LED 灯完全可 以满足其使用要求。 2． 4 键合性能
限公司研发了银质量分数高达 30 % 的键合金银合金 丝［9］。其力学性能、电学性能、键合性能以及稳定性 和可靠性测试结果表明，该类型键合丝完全可以满足 LED 企业的需求，并现已批量生产。
1 材料与方法
KA8 型键合金银合金丝化学成分： Ag 质量分数为 20 % ，微量 Pd、Ca、Be 和 Ce（ 5 ～ 1 000 mg / kg） ，其余为 Au。KA7 型键合金银合金丝化学成分： Ag 质量分数 为 30 % ，微量 Pd、Ca、Be 和 Ce（ 5 ～ 1 000 mg / kg） ，其 余为 Au。采 用 高 频 竖 式 熔 炼 炉 将 材 料 在 1 050 ～ 1 250 ℃ 条件下多次熔炼，获得直径为 8 mm、成分均 匀的金银合金棒。采用拉丝设备拉制直径 20 μm 的 金银合金丝，并在拉丝过程中采用中间退火工序恢复 合金丝的塑性，提高金相组织稳定性。拉制完成后， 再经终退火工序，退火温度 500 ～ 600 ℃ ，消除拉丝过 程中产生的残余应力，获得所需的力学性能。拉制好 的合金丝一部分测试其力学性能、电学性能和键合性 能，另一部分采用键合机焊线，封装后测试整个器件 的稳定性和可靠性。
率、良好的化学稳定性、良好的可塑性外，由于其要保 持一定的形状，必须具有规定的抗拉强度和伸长率。 采用 ISＲTON 32 材料试验机对键合金银合金丝的力 学性能 进 行 了 测 试，其 力 学 性 能 指 标 为 断 裂 负 荷 （ BL） 和伸长率（ EL） 。直径 20 μm /25 μm KA8 / KA7 型键合金银合金丝与普通型 4N（ 99． 99 % ） 键合金丝 断裂负荷对比见图 1。从图 1 中可知，合金型键合丝断 裂负荷稍高于普通型键合金丝。直径 20 μm /25 μm KA8 / KA7 型键合金银合金丝与普通型 4N（ 99． 99 % ） 键合金丝伸长率对比见图 2。从图 2 中可知，合金型 键合丝伸长率明显高于普通型金丝。金与银属于无 限互溶金属，形成合金之后，其力学性能要优于其中 一种纯金属。4N 型键合金丝的密度为 19． 32 g / cm3 ， 4N 型键合银丝的密度为 10． 50 g / cm3 ，由于这两种金 属密度相差较大，在熔炼过程中需进行多次熔炼，才 能保证其成分的均匀性，才能在拉制到细丝后保证其 力学性能的稳定性。从图 1、图 2 中不难发现合金丝 的稳定性仍逊于纯金丝的稳定性。
168
0． 42
－ 0． 44
0． 00
0． 00
0
500
1． 67
0． 98
0． 03
0． 00
0
1 000
1． 71
0． 09
－ 0． 19
0． 00
0
注： IF 为正向电流（ mA） ，VＲ 为反向电压； 其有关标准规定为 － 30 % ＜ LED 寿命 ΔIV ＜ 30 % ，－ 20 % ＜ 其余项目 ΔIV ＜ 30 % ，ΔVF ＜ 10 % ， － 2 nm ＜ WL ＜ 2 nm，IＲ ＜ 10 μA。
表 1 KA8 / KA7 型与普通 4N 型键合丝电学性能比较
型号
熔断电流（ 长度 10 mm） / A
电阻率 /
直径 20 μm 直径 25 μm 直径 30 μm （ μΩ·cm）
KA7
0． 33
0． 42
0． 56
10． 76
KA8
0． 36
0． 46
0． 60
10． 26
4NAu
0． 48
能最优； 4N 型键合金丝的导电性能次于 4N 型键合 银丝，电阻率为 2． 30 μΩ·cm。金和银形成合金后 无疑会增加电阻率，导电性能降低，但考虑到该合金 仍然以金为主，利用金优异的化学稳定性，形成合金 以后无氧化问题的存在，且由于银的加入又可以节省 约 30 % 的成本，故很多 LED 企业还是选择这种类型 的合金丝。不同线径 KA8 / KA7 型键合金银合金丝 熔断电流、电阻率与普 通 4N 型 键 合 金 丝 对 比 值 见 表 1。从表 1 中可以看出： 合金丝熔断电流低于 4N 型键合金丝，电阻率明显高于 4N 型键合金丝。金银 熔炼成合金后，电阻率明显上升，且银质量分数越高， 电阻率越高； 若要达到与 4N 型键合金丝相同的导电 效果，则需要采用较大线径的合金丝。由于电阻率的 限制，目前该类型合金丝主要应用于 LED 行业，很少 应用于 IC 封装行业。
corresponding suggestions．
Keywords： mining company； HＲBP； COE； SSC； transformation paths
（ 编辑： 程晓霞）
6 工业用金
黄金
2 试验结果及分析
2． 1 力学性能 键 合 丝 作 为 键 合 内 引 线，除 要 求 具 有 高 的 电 导
收稿日期： 2015 － 12 － 02 作者简介： 马晓霞（ 1979—） ，女，山西孝义人，讲师，主要从事半导体键合丝材料的制备与性能研究； 山东省招远市盛泰路 108 号，山东招金集团有
限公司，265400； E-mail： evolllll@ 126． com
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