具電磁遮蔽的無鍍層銅線及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是有關(guān)于一種具電磁遮蔽的無鍍層銅線及其制造方法，所述方法是首先將鈦錫合金層形成于銅芯線的表面，再將金鎳合金層形成于鈦錫合金層的表面，最后將銅芯線進(jìn)行真空熱處理，使得鈦錫合金層以及金鎳合金層可完全擴散至芯線的基地組織，并于芯線組織中形成均勻的Cu(TiSn)xAuyNiz合金層；藉此，本發(fā)明的無鍍層銅線不僅具有抗電磁干擾以及改善高頻的表面效應(yīng)，亦可大幅提升線材拉伸強度與打線接合強度，進(jìn)而提高接合線后續(xù)工藝的可靠度。
【專利說明】具電磁遮蔽的無鍍層銅線及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是有關(guān)于一種具電磁遮蔽的無鍍層銅線及其制造方法，尤其是指一種以真 空熱處理工藝將銅芯線表面的鈦錫合金層以及金鎳合金層完全擴散至芯線基地組織并于 芯線基地組織中形成有Cu(TiSn)xAuyNiJ^表面層的技術(shù)，不僅可避免傳統(tǒng)接合線因環(huán)境氧 化、氯離子腐蝕以及硫化等所產(chǎn)生的可靠度降低等問題，且能適用于各式高頻電子產(chǎn)品以 及防電磁干擾的醫(yī)療傳輸線。

【背景技術(shù)】
[0002] 半導(dǎo)體封裝在打線接合（Wire-Bonding，WB)工藝時，常因銅線的硬度較高且易氧 化的問題造成封裝工藝上的缺失；舉例而言，使用銅導(dǎo)線時，由于封裝用樹脂與導(dǎo)線的熱膨 脹系數(shù)差異過大，隨著半導(dǎo)體晶片啟動后溫度上升，因熱形成的體積膨脹對形成回路的銅 接合線產(chǎn)生外部應(yīng)力，特別是對暴露于嚴(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題；因此，針對上述缺失，雖有業(yè)者針對封裝用的接合銅線改 良，請參閱中國臺灣發(fā)明專利公開第201207129號所揭露的『封裝用之接合銅線及其制造 方法』，其中揭露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， 銀含量系〇. 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，且添加物的含量是〇. 1?3wt%;再者，銅與銀共晶相體積率占全部體積的 0. 1?8%，且接合銅線抗拉強度250MPa以上，導(dǎo)電率在70%IACS以上；藉此，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，上述的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 失，因此有業(yè)者進(jìn)一步藉由一表面涂層，其能為積體電路封裝，提供更佳的引線接合性能； 請參閱中國臺灣發(fā)明專利公告第480292號所揭露的『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，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，藉由鍍鈀銅線來取代金 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的可靠度（如耐高溫、高濕能 力）也能符合要求；此外，亦請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 有限公司所申請一系列有關(guān)半導(dǎo)體裝置用合接線的中國臺灣發(fā)明專利公告第1342809所 揭露的『半導(dǎo)體裝置用合接線』、公告第1364806所揭露的『半導(dǎo)體裝置用合接線』、公告第 1364806所揭露的『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』;上述前案的接合線結(jié)構(gòu)大抵皆是于一芯材（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際 實施使用時常產(chǎn)生下述缺失：(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，且工藝電流控制不易，常導(dǎo)致鍍鈀層厚度不均，造成封裝過程整體產(chǎn)出率差、良 率偏低；(b)銅或銅合金鍍上鈕層于燒球成型（electric frame off, EFO)時，因表面的鈕 層使得成球（free air ball，F(xiàn)AB)的球心硬度過硬，造成焊球上方頸部的強度不足，于打線 (wire bonding，WB)后，常發(fā)生頸部斷裂問題，進(jìn)而導(dǎo)致接合界面剝離的問題發(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）的保存試驗不佳，易導(dǎo)致表面起泡 的現(xiàn)象，造成接合強度降低，由可靠性的觀點來看，存有問題；（d)成球后，鈀元素幾乎于頸 部區(qū)域偏析，對抑制金屬間化合物（Intermetallic Compound, IMC)成長不彰；以及（e)不 具有電磁遮蔽特性和抗硫、耐氯阻抗的功效。
[0004] 據(jù)此，本案發(fā)明人于2013年2月19日以『固相擴散反應(yīng)銅鈀合金線及其制造方 法』（中國臺灣申請案號第102105756號）向中國臺灣申請發(fā)明專利；但是，原案的結(jié)構(gòu) 雖具有較佳的球心硬度以及頸部降伏強度，并于打線接合封裝工藝后產(chǎn)生較優(yōu)異的界面接 合抗拉強度，但尚有未臻妥善之處，舉例而言，一般所謂的胃鏡檢查，全名為『上消化道內(nèi) 視鏡檢查』，其用以檢查食道、胃、十二指腸球部及十二指腸第二部分的傳輸線易受醫(yī)療電 子儀器設(shè)備所釋出的電磁波干擾，當(dāng)電磁發(fā)生干擾時，傳輸線的訊號可能出現(xiàn)錯誤；又例 如打線接合為半導(dǎo)體封裝及發(fā)光二極體（LED)封裝的工藝上極為重要步驟，以提供晶片與 基板的訊號與功率傳輸，而一般用以封裝的高分子封膠常含有高含量腐蝕性氯離子，且高 分子封膠本身具環(huán)境吸濕性，不僅使得線材容易因氯離子的腐蝕外，也會因環(huán)境氧化、硫化 等降低其導(dǎo)電性，甚至造成斷線情形；再者，當(dāng)線材應(yīng)用在高頻時，會產(chǎn)生表面效應(yīng)（skin effect)，此因線材在高頻時受到自身渦電流影響，致使電流流動范圍只集中于線材表面邊 緣部分，造成線材交流電阻的增加。因此，先前的銅鈀合金線仍無法達(dá)到適用各式高頻電子 產(chǎn)品、防電磁干擾的醫(yī)療傳輸線，以及優(yōu)良抗氯離子、硫化腐蝕性等缺失。本案發(fā)明人有鑒 于此，乃本著創(chuàng)作改良的初衷，務(wù)求精益求精、盡善盡美的精神，遂決心再予改良，在幾經(jīng)苦 思與實驗之后，終研創(chuàng)出本發(fā)明。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明人即是鑒于上述現(xiàn)有的銅芯接合線在實際實施上仍具有多處的缺失，于是乃 本著孜孜不倦的精神，并藉由其豐富的專業(yè)知識及多年的實務(wù)經(jīng)驗所輔佐，而加以改善，并 據(jù)此研創(chuàng)出本發(fā)明。
[0006] 本發(fā)明主要目的為提供一種具電磁遮蔽的無鍍層銅線的制備方法。
[0007] 本發(fā)明的另一目的為提供一種以上述制備方法制得的具電磁遮蔽的無鍍層銅線。
[0008] -方面，本發(fā)明提供了一種具電磁遮蔽的無鍍層銅線的制備方法，該方法主要包 含有下述步驟：
[0009] 步驟一：準(zhǔn)備純銅所制成的芯線；
[0010] 步驟二：將鈦錫合金層形成于所述芯線的表面，所述鈦錫合金層是由包含65重量 百分比至75重量百分比的鈦以及剩余重量百分比的錫所構(gòu)成；
[0011] 步驟三：于所述鈦錫合金層的表面形成金鎳合金層，所述金鎳合金層是由包含92 重量百分比至99重量百分比的金以及剩余重量百分比的鎳所構(gòu)成；以及
[0012] 步驟四：進(jìn)行真空熱處理，使所述鈦錫合金層以及金鎳合金層可完全擴散至芯線 的基地組織（即上述純銅所制成的芯線）中，并于芯線組織中形成均勻&1〇1511)/11#込合 金層；其中 0〈叉〈1，0〈}<1，0〈2〈1，且叉+7+2=1。
[0013] 藉此，由于表面鍍層完全擴散至芯線的基地組織中，不僅可解決習(xí)知因鍍鈀層厚 度不均造成封裝過程整體產(chǎn)出率差、良率偏低的問題，且因芯線組織中形成有Cu(TiSn)xAuyNiz的表面層，不僅可在芯線外圍形成遮蔽層，避免外在的電磁干擾，且亦能改善高頻的 表面效應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到降低高頻交流電阻的功效；同時，亦具有良好的抗氧化性與耐腐蝕性， 解決傳統(tǒng)封裝工藝制程時線材因環(huán)境氧化、氯離子腐蝕以及硫化等所產(chǎn)生的可靠度降低等 問題，符合市場殷切需求的產(chǎn)出率以及優(yōu)良率。
[0014] 再者，于上述的制備步驟中，鈦錫合金層與金鎳合金層可分別以濺鍍、蒸鍍或沉積 的方式形成，且鈦錫合金層較佳是以70重量百分比的鈦以及30重量百分比的錫所構(gòu)成；再 者，鈦錫合金層以及金鎳合金層所形成的總厚度介于75?85納米，較佳為80納米，而其中 的鈦錫合金層厚度介于3?7納米之間；較佳約為5納米。
[0015] 此外，于上述的制備步驟中，真空熱處理的溫度范圍可介于500°C?700°C之間， 處理時間為30?90分鐘；較佳是以溫度600°C、時間60分鐘的方式處理，以便總厚度約為 80納米的鈦錫合金層以及金鎳合金層可完全擴散至芯線的基地組織中，形成無鍍層銅線。
[0016] 另一方面，本發(fā)明提供了一種以上述制備方法制得的具電磁遮蔽的無鍍層銅線； 其中，電磁遮蔽的判定是以頻率數(shù)1MHz?3GHz的電磁波測量屏蔽性具有-10dB以內(nèi)。
[0017] 本發(fā)明的無鍍層銅線不僅具有抗電磁干擾以及改善高頻的表面效應(yīng)，亦可大幅提 升線材拉伸強度與打線接合強度，進(jìn)而提高接合線后續(xù)工藝的可靠度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1 :本發(fā)明具電磁遮蔽的無鍍層銅線的制備方法步驟流程示意圖。
[0019] 圖2 :本發(fā)明具電磁遮蔽的無鍍層銅線其芯線表面的鍍層完全擴散至芯線基地組 織中的顯微鏡照片電子圖。

【具體實施方式】
[0020] 本發(fā)明的目的及其結(jié)構(gòu)功能上的優(yōu)點，將依據(jù)附圖所示并配合具體實施例予以說 明，以使閱讀者能對本發(fā)明有更深入且具體的了解。
[0021] 首先，本發(fā)明制造方法所制成的具電磁遮蔽的無鍍層銅線可例如適用于印刷電路 板的電路、1C封裝、IT0基板、1C卡等的電子工業(yè)零件的端子或電路表面，亦或是需防電磁 干擾的醫(yī)療傳輸線，以及惡劣環(huán)境下（例如氯離子、硫化腐蝕）的封裝工藝；請參閱圖1所 示，為本發(fā)明具電磁遮蔽的無鍍層銅線的制備方法步驟流程示意圖，所述方法包括有下述 步驟：
[0022] 步驟一（S1):準(zhǔn)備純銅所制成的芯線；
[0023] 步驟二（S2):將鈦錫合金層形成于芯線的表面，鈦錫合金層是由包含65重量百分 比至75重量百分比的鈦以及剩余重量百分比的錫所構(gòu)成；較佳的鈦錫合金層是以70重量 百分比的鈦以及30重量百分比的錫所構(gòu)成；
[0024] 步驟三（S3):于鈦錫合金層的表面形成金鎳合金層，金鎳合金層是由包含92重量 百分比至99重量百分比的金，以及剩余重量百分比的鎳所構(gòu)成；值得注意的，上述的鈦錫 合金層與金鎳合金層可分別以濺鍍、蒸鍍或沉積的方式形成，在此并不限定；且鈦錫合金層 以及金鎳合金層所形成的總厚度介于75?85納米，較佳為80納米，而其中的鈦錫合金層 厚度介于3?7納米之間；以及
[0025] 步驟四（S4):于步驟三（S3)完成后，進(jìn)行真空熱處理，使得鈦錫合金層以及金鎳 合金層可完全擴散至芯線的基地組織中，亦即于芯線表面無先前技術(shù)中所述的表皮層，并 于芯線組織中形成均勻Cu (TiSn) xAuyNiz合金層，其中0〈x〈 1，0〈y〈 1，0〈z〈 1，且x+y+z=l ;且 真空熱處理的溫度范圍可介于500°C?700°C之間，處理時間為30?90分鐘之間；較佳是 以溫度600°C，時間60分鐘的方式處理，以便鈦錫合金層以及金鎳合金層可完全擴散至芯 線的基地組織中，形成無鍍層銅線。
[0026] 接著，為使閱讀者能進(jìn)一步了解本發(fā)明的目的、特征以及所達(dá)成的功效，以下茲舉 本發(fā)明所制備出具電磁遮蔽的無鍍層銅線一些具體實際實施例，并進(jìn)一步證明本發(fā)明的制 造方法可實際應(yīng)用的范圍，但不意欲以任何形式限制本發(fā)明的范圍：
[0027] 首先，準(zhǔn)備一線徑(q>)為20 的純銅芯線（4N);接著，于芯線表面鍍上一厚度 約為80納米的金鎳合金層，其中金鎳合金層分別為99%Aul%Ni、97%Au3%Ni、94%Au6%Ni、 55%Au45%Ni，以及10%Au90%Ni不同比例所組成的實施例，同時以100%鍍鈀層、100%鍍金層 以及100%鍍鎳層作為比較組，并進(jìn)行鹽霧試驗、硫化處理以及電磁屏蔽的試驗；其中本案 的鹽霧試驗是以100%、pH值介于7?8的NaCl于35°C下進(jìn)行500小時，而硫化處理則以 純硫蒸氣（含硫化合物）于260°C下進(jìn)行24小時為本案實施例中所示范使用者，電磁屏蔽 試驗是以頻率數(shù)1MHz?3GHz的電磁波測量屏蔽性是否具有-10dB以內(nèi)的返回?fù)p失結(jié)果來 判斷；其實驗結(jié)果如下表所示?？汕宄弥?，100%鍍鈀層、100%鍍金層的線材樣品不僅無 法通過鹽霧試驗與硫化處理，亦不具有電磁屏蔽的功效，而100%鍍鎳層、10%Au90%Ni，以及 55%Au45%Ni則無法通過上述的電磁屏蔽試驗，其原因可能為鎳含量過高，雖可使線材本身 避免電磁波的干擾，但對其鄰近的電路卻同樣產(chǎn)生遮蔽，影響訊號的傳遞或接收，故本試驗 將返回?fù)p失盡可能控制在-10dB以內(nèi)；然而，鎳含量若過低，如99%Aul%Ni樣品則無法通過 鹽霧試驗與硫化處理，足見鎳含量范圍為本案的一個重要技術(shù)特征。
[0028]

【權(quán)利要求】
1. 一種具電磁遮蔽的無鍍層銅線的制造方法，該方法包括有下述步驟： 步驟一：準(zhǔn)備純銅所制成的芯線； 步驟二：將鈦錫合金層形成于所述芯線的表面，所述鈦錫合金層是由包含65重量百分 比至75重量百分比的鈦以及剩余重量百分比的錫所構(gòu)成； 步驟三：于所述鈦錫合金層的表面形成金鎳合金層，所述金鎳合金層是由包含92重量 百分比至99重量百分比的金以及剩余重量百分比的鎳所構(gòu)成；以及 步驟四：進(jìn)行真空熱處理，使所述鈦錫合金層以及金鎳合金層完全擴散至芯線的基地 組織中，并于芯線組織中形成均勻Cu (T i Sn) xAuyNi z合金層；其中00〈1，0〈7〈1，0〈2〈1，且 x+y+z=l〇
2. 如權(quán)利要求1所述的具電磁遮蔽的無鍍層銅線的制造方法，其中所述鈦錫合金層是 由70重量百分比的鈦以及30重量百分比的錫所構(gòu)成。
3. 如權(quán)利要求1所述的具電磁遮蔽的無鍍層銅線的制造方法，其中所述鈦錫合金層以 及金鎳合金層的總厚度介于75?85納米。
4. 如權(quán)利要求1所述的具電磁遮蔽的無鍍層銅線的制造方法，其中所述鈦錫合金層的 厚度介于3?7納米。
5. 如權(quán)利要求1所述的具電磁遮蔽的無鍍層銅線的制造方法，其中所述鈦錫合金層與 金鎳合金層是分別以濺鍍、蒸鍍或沉積的方式形成。
6. 如權(quán)利要求1所述的具電磁遮蔽的無鍍層銅線的制造方法，其中所述真空熱處理的 溫度范圍介于500°C?700°C之間，且處理時間為30?90分鐘之間。
7. 如權(quán)利要求6所述的具電磁遮蔽的無鍍層銅線的制造方法，其中所述真空熱處理是 以溫度60CTC、時間60分鐘的方式處理。
8. -種以如權(quán)利要求1?7任一項所述的方法制得的具電磁遮蔽的無鍍層銅線。
9. 如權(quán)利要求8所述的具電磁遮蔽的無鍍層銅線，其中無鍍層銅線以頻率數(shù)1MHz? 3GHz的電磁波測量屏蔽性具有-10dB以內(nèi)。
【文檔編號】H01B13/00GK104517687SQ201310466029
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】呂傳盛, 洪飛義 申請人:呂傳盛, 洪飛義