简介概要

添加钯和铜元素改善金包银复合键合丝的力学性能

来源期刊：稀有金属2019年第12期

论文作者：康菲菲孔建稳陈家林周文艳杨国祥裴洪营

文章页码：1302 - 1308

关键词：金包银复合键合丝;微合金化;铸态组织;力学性能;键合强度;

摘要：用固相复合技术制备微电子封装用金包银复合键合丝,利用金相显微镜、高低温拉力仪、推拉力计和扫描电镜(SEM),对不同合金成分的金包银复合键合丝的定向凝固组织及力学性能进行表征,获取晶粒尺寸大小及形貌特征,分析钯、铜元素对再结晶温度、力学性能参数及键合强度的影响,阐明钯和铜对金包银复合键合丝的强化机制。结果表明:在金包银复合键合丝芯材中添加铜,组织呈等轴晶,而同时添加钯和铜,铸态组织由胞状树枝晶和胞状晶组成,晶粒细小均匀。钯和铜可以提高复合键合丝的再结晶温度使其具备更高的耐热性。同时添加钯和铜的复合键合丝具有较高的塑/韧性,键合后弧形稳定,拉力及焊球推力最高,键合质量好。钯、铜微合金化金包银复合键合丝的强化机制为:固溶强化和细晶强化。二元复合添加的复合键合丝具有更高的强化增量,其力学性能更为优异。

网络首发时间: 2019-03-13 09:04

稀有金属 2019,43(12),1302-1308 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy18100004

添加钯和铜元素改善金包银复合键合丝的力学性能

康菲菲孔建稳陈家林周文艳杨国祥裴洪营

贵研铂业股份有限公司稀贵金属综合利用新技术国家重点实验室

昆明贵金属研究所

摘要：

用固相复合技术制备微电子封装用金包银复合键合丝,利用金相显微镜、高低温拉力仪、推拉力计和扫描电镜(SEM),对不同合金成分的金包银复合键合丝的定向凝固组织及力学性能进行表征,获取晶粒尺寸大小及形貌特征,分析钯、铜元素对再结晶温度、力学性能参数及键合强度的影响,阐明钯和铜对金包银复合键合丝的强化机制。结果表明:在金包银复合键合丝芯材中添加铜,组织呈等轴晶,而同时添加钯和铜,铸态组织由胞状树枝晶和胞状晶组成,晶粒细小均匀。钯和铜可以提高复合键合丝的再结晶温度使其具备更高的耐热性。同时添加钯和铜的复合键合丝具有较高的塑/韧性,键合后弧形稳定,拉力及焊球推力最高,键合质量好。钯、铜微合金化金包银复合键合丝的强化机制为:固溶强化和细晶强化。二元复合添加的复合键合丝具有更高的强化增量,其力学性能更为优异。

关键词：

金包银复合键合丝;微合金化;铸态组织;力学性能;键合强度;

中图分类号： TB331

作者简介：康菲菲(1985-),女,宁夏中卫人,硕士,工程师,研究方向:键合材料、复合材料;E-mail:kff@ipm.com.cn;;*孔建稳,高级工程师;电话:13378857588;E-mail:kjw@ipm.com.cn;

收稿日期：2018-10-09

基金：云南省重点研发计划项目(2017IB016);第62批中国博士后科学基金面上项目(2017M623316XB)资助;

Enhancement of Mechanical Properties of Gold-Coated Silver Composite Bonding Wire with Palladium and Copper Elements Addition

Kang Feifei Kong Jianwen Chen Jialin Zhou Wenyan Yang Guoxiang Pei Hongying

State Key Laboratory of Advanced Technologies for Comprehensive Utilization of Platinum Metals,Sino-Platinum Metals Co.,Ltd.

Kumming Institute of Precious Metals

Abstract：

Gold-coated silver composite bonding wire was prepared by solid phase composite technique for microelectronic package. The directional solidification structure and mechanical properties of gold-coated silver composite bonding wires with different alloy compositions were characterized by metallographic microscopy, high-low temperature tensile tester, push-pull gauge and scanning electron microscopy(SEM). The grain size and morphology characteristics were obtained. The effects of palladium and copper on recrystallization temperature, mechanical properties and bonding strength were analyzed, and the strengthening mechanism of palladium and copper on gold-coated silver composite wires was clarified. The results showed that copper was added to the gold-coated silver composite bonding wire core, and the microstructure was equiaxial crystal, while palladium and copper were added at the same time, the as-cast microstructure consisted of cellular dendrite and cellular crystal, and grains were uniformly fine. Palladium and copper could increase the recrystallization temperature of gold-coated silver composite wire to make them more heat resistance. The composite bonding wire with both palladium and copper had high plasticity/toughness, stable arc shape after bonding, the highest wire pulling force and ball shear force, and good bonding quality. The strengthening mechanism of palladium and copper micro-alloying gold-coated silver composite bonding wire was as follows: solid solution strengthening and fine grain strengthening. The composite bonding wires added by binary composites had higher strengthening increment, and their mechanical properties were better.

Keyword：

gold-coated silver composite bonding wire; microalloying; as-cast structure; mechanical property; bonding strength;

Received： 2018-10-09

复合键合丝因其特殊的结构特征及其优异的综合性能, 被广泛用于集成电路和半导体分立器件以连接芯片和外部框架, 实现两者之间可靠、有效的电连接 ^[1,2,3] 。金包银复合键合丝是一种以银为基体, 纯金为复层的双层复合键合丝, 既具备银的高导电导热性能, 又具备金稳定的化学性能 ^[4,5,6] 。以纯银丝为基体的金包银复合键合丝因强度较低, 而无法满足键合丝的要求, 具体表现为: 脆性大, 断丝频繁, 线弧塌丝严重等 ^[7] 。为了解决这一技术难题, 科研人员及技术员提出在纯银中添加微量的合金元素以调整其力学性能。然而, 在纯银中掺杂合金元素会降低键合丝的电学性能, 为了将这种损失降低, 各掺杂元素的含量要控制在5%以下 ^[8] 。目前已经报告的银基键合丝合金体系有: Ag-Pd ^[9,10] , Ag-Cu, Ag-La ^[11] , Ag-Au ^[12,13,14] 等。如: Shah等 ^[15] 研究了Au, Pd两种元素对银合金键合丝的球型、第一焊点和第二焊点的影响, 添加含量越多, 线弧拉力越高, 但球型偏心程度越大。再如: 林良等 ^[16] 总结了在银丝中添加Pd可降低Ag的晶界电压, 减慢银丝的电化学腐蚀, 增强抗腐蚀性; 添加Cu可细化银丝晶粒, 增强机械性能, 提高银丝的高温断裂强度和抗拉强度。然而, 已有研究还停留在表面初期阶段, 没有大量的实验数据和理论支撑。

为探明金包银复合键合丝微合金配方、微观组织及力学性能的内禀本征关系, 本文采用固相复合及大塑性拉拔技术, 制备出金包银复合键合丝为研究载体, 对新材料的微观结构和力学性能进行分析, 研究微合金元素钯和铜对金包银复合键合丝的定向凝固组织、晶粒尺寸、再结晶温度、抗拉强度和键合强度的影响, 阐明钯和铜对金包银复合键合丝的强化机理, 对促进新型复合型键合丝材料的研发, 具有重要的科学意义。

1 实验

实验所用材料为金包银复合键合丝, 银芯材采用定向凝固技术制备, 通过不同元素掺杂制备3种试样, 分别标记为Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, 如表1所示。再采用固相复合结合大塑性拉拔技术制备成线径为Ф0.020 mm的金包银复合键合丝。

表1 芯材的化学成分表

Table 1 Chemical composition of core material

Composite wire number	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ
Silver	100%	Allowance	Allowance
Palladium	/	/	0～2.5%
Copper	/	0～2.5%	0～2.5%

采用线切割机截取3种样品芯材铸锭的横截面和纵截面, 经预磨、抛光、腐蚀来制备金相样品, 采用XMJ-02正置材料显微镜观察铸锭的组织形貌。实验中使用INSTRON LEGEND 2344高低温拉力仪测试3种复合丝线径为Ф0.020 mm的抗拉强度、屈服强度及弹性模量。实验条件为: 标距100 mm, 拉伸速度50 mm·min^-1。为保证测试的可靠性, 对每个样品至少测量10次, 选取断点在两夹具中间的测试值, 取其平均值作为测试结果。采用Hitachi S-3400N扫描电子显微镜(SEM)观察3个样品常温拉伸测试后的断口形貌。

使用GA-3连续退火炉对线径为Ф0.020 mm的复合键合丝进行热处理, 温度为: 0～600 ℃, 速度为50 m·min^-1测试不同温度下样品的抗拉强度和延伸率。选取延伸率在15%的丝材进行键合实验, 采用DS2-5N数显推拉力计对线弧进行拉力和第一焊球推力测试。拉力测试方法为: 在线弧中间施加与基板表面垂直的拉力, 当出现失效时, 记录引起失效的拉力大小和失效类别。焊球推力是指在用锥形推力器靠近焊球, 施加力直到焊球脱离电极, 记录力的大小。为保证实验结果可靠, 线弧拉力和焊球推力分别测试20条线, 记录力的平均值, 统计失效类别。

2 结果与讨论

2.1 芯材铸态的显微结构

在定向凝固过程中, 合金元素掺杂会影响固液界面, 改变晶体生长走向, 继而形成特殊的组织结构 ^[17] 。图1为3种复合键合丝铸锭的显微结构。从图1可以看出复合丝Ⅰ纯银芯材的横截面组织为呈六边形的等轴晶, 纵截面是沿着拉拔方向生长的柱状晶组织。在凝固过程中, 柱状晶的形成过程如下: 在金属表面张力和加热铸型的作用下, 固液界面凸出向熔体一侧, 晶体沿着固液界面的垂直方向生长。在生长过程中, 晶体会横向扩展并相互排挤, 在此过程中, 占沿热流方向生长的晶体将逐渐吞食其他的晶体, 形成稳定的柱状晶组织。复合丝Ⅱ铸态横截面组织也是等轴晶(图1(c)), 多边形化明显, 由三角形、四边形、五边形及六边形等组成。晶粒内部包含大量的退火孪晶, 退火孪晶是一种有利于纵向性能提升的组织形貌 ^[18] 。其纵截面组织(图1(d))是柱状晶。复合丝Ⅲ的铸态横截面组织由胞状树枝晶(图1(e)中A区域)和胞状晶(图1(e)中B区域)组成, 晶粒明显比复合丝Ⅰ和Ⅱ小。其纵截面组织为条带状组织, 其条带尖端十分尖锐。

图1 3种金包银复合键合丝铸态微观组织

Fig.1 As-cast microstructure of three gold-coated silver composite bonding wires

(a)Section metallographic structure of composite wireⅠ;(b)Longitudinal metallographic structure of composite wireⅠ;(c)Section metallographic structure of composite wireⅡ;(d)Longitudinal metallographic structure of composite wireⅡ;(e)Section metallographic structure of composite wireⅢ;(f)Longitudinal metallographic structure of composite wireⅢ

3种复合丝的平均晶粒尺寸及偏差如图2所示。从图2中可以看出, 复合丝Ⅲ的晶粒尺寸小于复合丝Ⅱ, 而未添加任何合金元素的复合丝Ⅰ的晶粒尺寸最大。从标准偏差看, 复合丝Ⅲ的晶粒尺寸最为均匀。复合丝Ⅱ晶粒尺寸离散程度最大。说明钯和铜有明显的细化晶粒的效果, 而且双元素添加比单元素添加晶粒更加细小均匀。结合三种复合丝的铸态组织形貌, 铜添加后可保持等轴晶形貌, 再添加钯后, 等轴晶消失, 形成树枝晶及胞状晶, 说明钯的微量添加可改变复合丝的组织形貌, 继而使其具备特殊的性能。

图2 3种复合丝铸锭平均晶粒尺寸及标准偏差

Fig.2 Average grain size and standard deviation of three composite wire ingots

2.2 力学性能

测试3种复合丝力学性能和温度的关系, 评估不同成分复合丝的力学性能, 判断其耐热性。图3为3种复合丝抗拉强度随着温度的变化。从图3中可以看出3种复合丝的抗拉强度随着温度变化曲线相似, 均经历图中复合丝Ⅰ曲线所示的3个阶段, 分别为: 1是加工硬化阶段, 2是再结晶阶段, 3是晶粒长大阶段。图4为3种复合丝延伸率随着温度的变化, 延伸率随着温度的升高而增大, 到最后趋于稳定。结合图3, 4可以看出, 复合丝Ⅰ的再结晶温度为175 ℃, 复合丝Ⅱ的再结晶温度为350 ℃, 复合丝Ⅲ的再结晶温度为450 ℃, 说明添加钯和铜可提高复合丝的再结晶温度, 增强耐热性。

图3 3种复合丝抗拉强度和温度的关系

Fig.3 Relationship between tensile strength and temperature of three composite wires

图4 3种复合丝延伸率和温度的关系

Fig.4 Relationship between elongation rate and temperature of three composite wires

图5是3种复合丝加工态的应力应变曲线。从图5中可以看出, 3种复合丝在单轴拉伸过程中的变形行为差异较大, 其中复合丝Ⅰ的变形过程为:弹性变形、断裂; 复合丝Ⅱ的变形过程为: 弹性变形、塑性变形、断裂; 复合丝Ⅲ的变形过程为: 弹性变形、塑性变形、应力随着应变增加保持恒定、断裂四个阶段。依据加工韧性约等于应力应变曲线下的面积, 复合丝Ⅲ的加工韧性最好, 复合丝Ⅱ次之, 复合丝Ⅰ最差。对3种复合丝的弹性模量、抗拉强度、屈服强度进行统计, 结果如表2所示。因复合丝Ⅰ没有进入屈服阶段就断裂了, 因此屈服强度为0。经比较, 复合丝Ⅲ的屈服强度、抗拉强度和延伸率均优于其他两种复合丝, 而弹性模量较低。在键合拉弧过程中, 复合丝Ⅲ较其他两种复合丝比较容易发生变形, 且具有高的强度, 不易出现塌丝的现象。

图5 3种复合丝的拉伸应力-应变曲线

Fig.5 Tensile stress and strain curves of three composite wires

比较3种复合丝的断口形貌(见图6所示), 分析其断裂行为。复合丝Ⅰ的断口形貌仅有剪切唇一个区域, 在应力作用下快速的断裂。复合丝Ⅱ的断口形貌由剪切唇和放射区两个区域组成; 放射棱交汇到断口中心的一个点, 放射棱上可以看到明显的孔洞; 复合丝Ⅲ断口也由剪切唇和放射区组成, 放射区比例较小, 放射棱非常细。 3种产品的单轴拉伸断裂都属于穿晶韧性断裂。

2.3 键合强度测试

键合强度测试是评价键合质量的一个主要标准, 包括线弧拉力测试及其焊球推力测试。图7为复合丝Ⅲ键合后的弧形形貌及挑断后线弧形貌。从图7中可以看出, 复合丝Ⅲ键合后弧形稳定, 无塌丝现象出现, 球颈部无裂纹。挑断后, 断口有颈缩, 断点在线弧的最高点, 说明复合丝Ⅲ焊点键合强度高, 键合质量高。表3为3种复合丝线弧挑断力及其焊球推力。从表3中可以看出, 复合丝Ⅱ和Ⅲ的线弧挑断力及焊球推力均比复合丝Ⅰ高, 说明添加合金元素可明显提高键合强度。其中复合丝Ⅲ的拉力最高, 且焊球推力测试完毕后, 测量电极表面的残金率, 达12%, 说明键合丝和电极的界面结合力好, 键合质量高。键合丝线弧挑断实验是切应力作用于线弧最高处, 施加应力直到断裂, 不在两端点界面处断裂判定为合格, 其中以在弧线中间断裂的键合丝键合质量评价最高 ^[19] 。表4为3种复合丝的断裂失效模式。从表4中可以看出3种复合丝的断裂均未在A, E两点断裂, 其中又以复合丝Ⅲ在C点断裂的比例最高。说明添加双金属元素的复合丝Ⅲ的键合强度最高。

表2 3种复合丝的力学性能参数

Table 2 Mechanical properties of three composite wires

Composite wire number	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ
Elastic modulus/GPa	62.46	57.63	55.17
Yield strength/MPa	0	369	438
Tensile strength/MPa	315.28	476.10	507.65
Elongation/%	0.59	1.84	2.76

图6 3种复合丝的断口形貌

Fig.6 Fracture morphology of three composite wires

(a)Composite wireⅠ;(b)Composite wireⅡ;(c)Composite wireⅢ

图7 复合丝Ⅲ的键合后弧形形貌及线弧挑断后的形貌

Fig.7 Arc morphology after bonding (a) and shape of wire arc after being broken (b) of composite wire Ⅲ

表3 3种复合丝的线弧挑断力及其焊球推力

Table 3 Mechanical properties of three composite wires

Composite wire number	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ
Wire pulling force/g	6.5	7.2	8.5
Ball shear force/g	35.6	41.5	56.2
Residual gold rate/%	5	10	12

表4 键合丝的失效模式结果

Table 4 Failure model results of bonding wire (%)

Composite wire number	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ
A	0	0	0
B	30	40	16
C	34	45	75
D	36	15	9
E	0	0	0

Remarks:A-Interface of the first air ball and electrode;B-Ball neck;C-Highest point of line arc;D:Fish tail;E-Interface of fish tail and second ball

2.4 讨论

从银-钯合金相图中可以看出, 任何成分的银钯合金都是固溶体, 钯在银基体中可以均匀弥散的分布, 起到固溶强化的作用。从铸态的组织形貌可以看出, 钯具有明显的细化晶粒的作用, 使其强度进一步提高。故, 钯对银的强化机制为固溶强化和细晶强化两者结合。铜在银中添加量小于0.5%时, 以固溶体的形式存在, 从复合丝Ⅱ的显微组织可以看出, 其铜是以固溶体的形式存在于银基体中, 起到固溶强化的作用。金包银复合键合丝的强化可以用下式表示:

σ_y=σ_s+σ_g (1)

式中, σ_s为固溶强化增量; σ_g为晶界强化增量。钯和铜进入银的晶格中会引起晶格畸变, 比较3种元素的原子半径: 钯的原子半径为0.179 nm, 铜的原子半径为0.157 nm, 而银的原子半径为0.175 nm。铜和银的原子半径相差较大, 在晶格中有较大的晶格畸变能, 故铜能够在晶界偏聚, 净化基体降低晶界能和稳定晶界, 进而能达到提高强度的效果 ^[20] 。因此铜的固溶强化增量σ_s比钯的高。双元素添加的复合丝Ⅲ比单元素添加的复合丝Ⅱ的固溶强化增加更高。

式(1)中晶界强化增量σ_g可用Hall-Petch公式来表示 ^[21] :

σ_g=k_yd^-1/2 (2)

式中, k_y为比例常数, d为有效晶粒尺寸, 是指对位错的滑移运动起阻碍作用而使之产生位错塞积的晶界所构成的最小的晶粒尺寸。同时添加钯和铜两种元素的复合丝Ⅲ比纯银芯材的复合丝Ⅰ呈现出更好的热稳定性, 晶粒不易粗化, 尺寸更为细小。故复合丝Ⅲ的晶界强化增量要高于复合丝Ⅱ的。

综上所述, 钯和铜对金包银复合键合丝的强化机制为固溶强化和细晶强化。二元复合添加的金包银复合键合丝的强化效果优于单一元素。采用二元复合微合金添加, 通过各微合金元素间的优势互补, 以期获得更高的晶界强化增量和固溶强化增量以满足半导体分立器件及集成电路对键合丝高强度的要求。