專利名稱：一種具有防氧化層的銅基鍵合絲及其加工工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鍵合絲技術(shù)，特別是一種母合金銅基鍵合絲及其制備工藝技術(shù)。
背景技術(shù)：
集成電路中半導(dǎo)體封裝需要用到一種關(guān)鍵的材料-鍵合絲(Bonding Wires)，電子行業(yè)的快速發(fā)展，促進(jìn)了鍵合絲制造技術(shù)的快速發(fā)展。鍵合絲是一種直徑精細(xì)的高拉伸強度金屬絲，是集成電路、半導(dǎo)體分立器件和LED發(fā)光管制造過程中必不可少的封裝內(nèi)引線。常見的有合金鍵合絲、銅鍵合絲、鋁鍵合絲、金鍵合絲等。鍵合絲需具備的特質(zhì)是耐腐蝕、傳導(dǎo)性、連接性好，鍵合速度快。在現(xiàn)有鍵合絲應(yīng)用技術(shù)中，比較有代表性的鍵合絲是鍵合金絲和鍵合銅絲兩種。 其中，鍵合金絲是一種傳統(tǒng)的鍵合絲，LED發(fā)光封裝的內(nèi)引線大多采用直徑15至75微米的高純度黃金制成的金鍵合絲，金屬基黃金的純度大于99. 999%，再配以鈀、鎳、鈰等微量元素，經(jīng)熔煉、拉絲、退火等程序制成。鍵合金絲因具有良好的導(dǎo)電性、抗氧化性和卓越的成弧穩(wěn)定、鍵合快速性，目前在鍵合絲使用中占主導(dǎo)地位，但其價格昂貴、強度偏低，這些缺點已經(jīng)在目前企業(yè)追求利潤空間，降低生存壓力方面形成制約瓶頸。另外一種鍵合絲是鍵合銅絲，其價格優(yōu)勢較鍵合金絲明顯，抗拉強度也有所提升， 但是鍵合銅絲還存在很多不足之處，主要問題為其一、鍵合銅線燒球后瞬間氧化，硬度較高，與鋁基粘合時需要很大的鍵合力才能完整粘連，易砸傷鋁基，對芯片及鋁基要求非常高。其二、銅的氧化溫度低，鍵合銅線很容易氧化，在儲存時，條件受限。傳統(tǒng)銅線采用真空包裝，但大量的包裝，偶爾會有個別泄漏現(xiàn)象，同時運輸搬運過程也是造成泄漏的因素。包裝一旦泄漏，若短時間內(nèi)不使用，銅線就會因氧化而失效。同時，在設(shè)備上使用時，銅線已經(jīng)開始氧化，單軸長度只能使用最長200m的銅線，若超過200m，后部份銅線就會因氧化而失效。因為線短，所以增加了換線次數(shù)，致使鍵合生產(chǎn)效率低。實際應(yīng)用中，如果在銅鍵合絲表面形成大量氧化物，則銅鍵合絲很難鍵合，并且很難成球，因而，在成球的過程中，銅鍵合絲必須存儲在無氧的環(huán)境中。因此，銅成球時一般采用惰性氣體保護(hù)。由于銅的硬度、屈服強度等物理參數(shù)都高于金，因而鍵合需要施加更大的鍵合力和能量，容易出現(xiàn)焊盤出坑，對芯片造成損傷甚至破壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述傳統(tǒng)鍵合絲應(yīng)用中存在的問題，提供一種銅基鍵合絲，解決鍵合金絲絲價格高、鍵合銅絲硬度、防氧化，鍵合絲包裝、儲運等問題。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采取的解決方案是一種具有防氧化層銅基鍵合絲，所述的銅基鍵合絲由基礎(chǔ)材料銅添加La、Ce、Pt 微量金屬元素構(gòu)成母合金基材，并在母合金基材制成的微細(xì)金屬絲表面鍍金層而構(gòu)成該銅基鍵合絲，所述銅基鍵合絲用料中的銅和鍍層金的純度均高于99. 99%，并且所述的銅來料包括成品銅線材料。上述銅基鍵合絲基材包括基礎(chǔ)材料添銅，并添加微量金屬元素La、Pt、Ce而構(gòu)成。上述銅基鍵合絲材料中各金屬成分質(zhì)量比重分別是Cu為88-97%，微量金屬元素 La 為 0. 0006-0. 010%, Ce 為 0. 001-0. 005%, Pt 為 0. 003-0. 005%，鍍層金 2-10%。上述銅基鍵合絲表面鍍金的厚度為0. 1微米-2. 5微米。上述所述的一種銅基鍵合絲的防氧化層加工工藝，其中銅基鍵合絲的制備工藝包括如下步驟步驟一，熔煉母合金胚材，將基礎(chǔ)材料Cu與選定的微量金屬材料Pt、Ce、La混合， 將混合金屬材料在真空度10_2-10_3Mpa的熔爐內(nèi)融化，保持熔煉溫度為1790°C，精煉時間45 分鐘以上，熔煉過程中采用高純度氬氣保護(hù)，最后采用凝固方式制備直徑為10毫米左右的母合金銅棒胚料；步驟二，拉制微細(xì)絲，將上述直徑為10毫米左右的母合金銅棒胚料進(jìn)行冷加工， 加工至直徑ι. O毫米的母合金絲，然后進(jìn)行拉拔處理，每次加工率為15%至20%，每次拉拔速度控制在50米/分鐘左右，速度波動控制在10% ；然后經(jīng)過以下相似過程多次，采用每次加工率為6%至20%，將前述銅絲加工至直徑0. 015毫米-0. 075毫米，拉制速度控制在 500米/分鐘，速度變化控制在10%以內(nèi)；步驟三，清洗金屬絲，將上述微細(xì)金屬絲進(jìn)行表面清洗，采用超聲波技術(shù)清洗，清洗介質(zhì)采用無水酒精；步驟四，表面鍍金，將上述清洗后的微細(xì)金屬絲進(jìn)行電鍍處理，電鍍液為軟金電鍍液，電鍍電流密度為0. 25A/dm2-5. OA/dm2,電鍍速度控制在20m/min內(nèi)；步驟五，退火處理，將表面鍍金的微細(xì)銅絲進(jìn)行退火處理，采用氮氣保護(hù)環(huán)境下熱處理，熱處理溫度為415°C _425°C，處理時間控制在1. OS-2. 1S，控制退火時張力大小3. Og 以內(nèi)；步驟六，分卷繞線，使用專用繞線機，將鍵合絲定長繞制在量英寸直徑的線軸上， 繞線速度控制在50m/min-100m/min，線間距為5毫米，分卷長度為50米至1000米； 步驟七，普包儲運，采用普通包裝，常溫常壓條件下儲運。上述鍍金采用電鍍方式，電鍍金溶液的主要成分包括亞硫酸金鈉，其濃度為 5-25g/L、檸檬酸鉀，濃度為5-25g/L、亞硫酸金銨，濃度為5_25g/L、亞硫酸銨，濃度為 180-250g/L、EDTA，濃度為2_4g/L、聚乙二醇，濃度為l_2g/L、亞硫酸堿鹽、結(jié)晶調(diào)整劑、表面活性劑、緩沖劑。采用本發(fā)明制備工藝制造的銅基鍵合絲具有的優(yōu)點銅添加微量金屬元素構(gòu)成母合金基材，改善了成品鍵合絲的硬度，并且在母合金基礎(chǔ)材料表面鍍金，增加了鍵合絲的防氧化功能，鍵合絲兼具銅絲和金絲的雙重優(yōu)點具體表現(xiàn)在1、價格優(yōu)勢。銅基鍵合絲主要材料為銅，較鍵合金絲成本大大降低，是鍵合金絲的良好替代品，為企業(yè)生成創(chuàng)造利潤空間，提高其競爭力。2、抗氧化性。銅基鍵合絲表面鍍有金層，使得鍵合絲具有良好的抗氧化性能，常溫常壓下在空氣中不會氧化，便于包裝、儲運。省去了真空包裝的較高成本，普通包裝，并且對運輸、存儲條件要求不高；在鍵合過程中，傳統(tǒng)銅線避免氧化的發(fā)生需要在無空氣保護(hù)條件
4性進(jìn)行，本發(fā)明鍵合絲不需要無空氣保護(hù)；傳統(tǒng)鍵合絲因為使用過程中氧化，因此其長度受限制，而本發(fā)明鍵合絲可以設(shè)計為長度不等的多種類型，其長度不受化學(xué)變化的限制。3、改善了鍵合絲硬度。在銅材中添加微量金屬成分，降低了鍵合絲硬度，特別是成球硬度，減少對芯片的沖擊力和破壞，降低了鍵合能量。4、電導(dǎo)、熱導(dǎo)優(yōu)勢。銅基鍵合絲的高導(dǎo)電性，較金絲高約23%，在高品質(zhì)器件中具有更廣闊的應(yīng)用前景，適用于高性能電氣電路。在精細(xì)鍵合技術(shù)領(lǐng)域有助于提高功率器件性能和可靠性。導(dǎo)熱性比鍵合金絲高約20%，使得封裝體內(nèi)的熱量可以很快且更有效的散發(fā)出來，從而使鍵合絲可以更快的冷卻下來，應(yīng)力被盡快釋放。在成球的過程中，高導(dǎo)熱性還有一個優(yōu)點就是影響鍵合絲機械性能的熱影響區(qū)變得更短，因而保證更高的鍵合性能。制備實施例實施例1一種銅基鍵合絲，由基礎(chǔ)材料銅添加La、Ce、Pt微量金屬元素構(gòu)成母合金基材，并在母合金基材制成的微細(xì)金屬絲表面鍍金層而構(gòu)成該銅基鍵合絲。鍵合絲用料中的銅和鍍層金的純度均高于99. 99%。銅基鍵合絲表面鍍金的厚度為0. 6微米。銅基鍵合絲材料中各金屬成分質(zhì)量比重分別是Cu為94. 9912%，微量金屬元素 La 為 0. 0008%, Ce 為 0. 004%, Pt 為 0. 004%，鍍層金 5%。所述銅基鍵合絲的制備工藝如下步驟一，熔煉母合金胚材，混合金屬基材，將基礎(chǔ)材料Cu與選定的微量金屬材料 La、Pt、Ce混合，將混合金屬材料在真空度0. 005Mpa的熔爐內(nèi)高溫融化，保持熔煉溫度為 1800°C，精煉時間50分鐘，熔煉過程中采用高純度氬氣保護(hù)，最后采用凝固方式制備直徑為10毫米左右的母合金銅棒胚料；步驟二，拉制微細(xì)絲，將上述直徑為10毫米左右的母合金銅棒胚料進(jìn)行冷加工， 加工至直徑1. 0毫米左右的母合金絲，然后進(jìn)行拉拔處理，每次加工率為15%至20%，每次拉拔速度控制在50米/分鐘左右，速度波動控制在10% ；然后經(jīng)過以下相似過程多次，采用每次加工率為6%至20%，將前述銅絲加工至直徑50微米，拉制速度控制在500米/分鐘，速度變化控制在10%以內(nèi)；步驟三，清洗金屬絲，將上述微細(xì)金屬絲進(jìn)行表面清洗，采用超聲波技術(shù)清洗，清洗介質(zhì)采用無水酒精；步驟四，表面鍍金，將上述清洗后的微細(xì)金屬絲進(jìn)行電鍍處理，電鍍液為軟金電鍍液，電鍍電流密度為lA/dm2，電鍍速度控制在20m/min內(nèi)；步驟五，退火處理，將表面鍍金的微細(xì)銅絲進(jìn)行退火處理，采用氮氣保護(hù)環(huán)境下熱處理，熱處理溫度為420°C，處理時間控制在1.5S，控制退火時張力大小3. Og以內(nèi)；步驟六，分卷繞線，使用專用繞線機，將鍵合絲定長繞制在量英寸直徑的線軸上， 繞線速度控制在75m/min，線間距約為5毫米，分卷長度為1000米；步驟七，普包儲運，采用普通包裝，常溫常壓條件下儲運。銅基鍵合絲制備工藝中，鍍金采用電鍍方式，電鍍金溶液的主要成分包括亞硫酸金鈉，其濃度為15g/L、檸檬酸鉀，濃度為15g/L、亞硫酸金銨，濃度為15g/L、亞硫酸銨，濃度為200g/L、EDTA，濃度為3g/L、聚乙二醇，濃度為1. 5g/L、亞硫酸堿鹽、結(jié)晶調(diào)整劑、表面活性劑、緩沖劑等。實施例2一種銅基鍵合絲，由基礎(chǔ)材料銅添加La、Ce、Pt微量金屬元素構(gòu)成母合金基材，并在母合金基材制成的微細(xì)金屬絲表面鍍金層而構(gòu)成該銅基鍵合絲。鍵合絲用料中的銅和鍍層金的純度均高于99. 99%。銅基鍵合絲表面鍍金的厚度為0. 25微米。銅基鍵合絲材料中各金屬成分質(zhì)量比重分別是Cu為96. 98%，微量金屬元素La 為 0. 010%, Ce 為 0. 005%, Pt 為 0. 005%，鍍層金 3%。銅基鍵合絲的制備工藝如下步驟一，熔煉母合金胚材，混合金屬基材，將基礎(chǔ)材料Cu與選定的微量金屬材料 La、Pt、Ce混合，將混合金屬材料在真空度0. OlMpa的熔爐內(nèi)高溫融化，保持熔煉溫度為 1800°C，精煉時間55分鐘，熔煉過程中采用高純度氬氣保護(hù)，最后采用凝固方式制備直徑為10毫米左右的母合金銅棒胚料；步驟二，拉制微細(xì)絲，將上述直徑為10毫米左右的母合金銅棒胚料進(jìn)行冷加工， 加工至直徑1.0毫米左右的母合金絲，然后進(jìn)行拉拔處理，每次加工率為15%至20%，每次拉拔速度控制在50米/分鐘左右，速度波動控制在10 % ；然后經(jīng)過以下相似過程多次，采用每次加工率為6%至20%，將前述銅絲加工至直徑50微米，拉制速度控制在500米/分鐘，速度變化控制在10%以內(nèi)；步驟三，清洗金屬絲，將上述微細(xì)金屬絲進(jìn)行表面清洗，采用超聲波技術(shù)清洗，清洗介質(zhì)采用無水酒精；步驟四，表面鍍金，將上述清洗后的微細(xì)金屬絲進(jìn)行電鍍處理，電鍍液為軟金電鍍液，電鍍電流密度為0. 30A/dm2，電鍍速度控制在20m/min內(nèi)；步驟五，退火處理，將表面鍍金的微細(xì)銅絲進(jìn)行退火處理，采用氮氣保護(hù)環(huán)境下熱處理，熱處理溫度為420°C，處理時間控制在1. 2S，控制退火時張力大小3. Og以內(nèi)；步驟六，分卷繞線，使用專用繞線機，將鍵合絲定長繞制在量英寸直徑的線軸上， 繞線速度控制在55m/min，分卷長度為1000米；步驟七，普包儲運，采用普通包裝，常溫常壓條件下儲運。銅基鍵合絲制備工藝中，鍍金采用電鍍方式，電鍍金溶液的主要成分包括亞硫酸金鈉，其濃度為10g/L、檸檬酸鉀，濃度為10g/L、亞硫酸金銨，濃度為510g/L、亞硫酸銨，濃度為185g/L、EDTA，濃度為2g/L、聚乙二醇，濃度為lg/L、亞硫酸堿鹽、結(jié)晶調(diào)整劑、表面活性劑、緩沖劑等。實施例2產(chǎn)品如表1所示檢測報告，與傳統(tǒng)鍵合銅絲比較，新的銅基鍵合絲傳熱效率更高，機械性質(zhì)高，抗拉強度更大、延伸特性更好，模壓中具有優(yōu)異的球頸強度和較高的弧線穩(wěn)定性，焊接后無發(fā)現(xiàn)絲材氧化現(xiàn)象。表1焊線設(shè)備調(diào)整參數(shù)及接力檢測結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種具有防氧化層的銅基鍵合絲，其特征在于所述的銅基鍵合絲由基礎(chǔ)材料銅添加微量金屬元素構(gòu)成母合金基材，并在母合金基材制成的微細(xì)金屬絲表面鍍金層而構(gòu)成該銅基鍵合絲，所述銅基鍵合絲用料中的銅和鍍層金的純度均高于99. 99%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有防氧化層的銅基鍵合絲，其中銅基鍵合絲基材包括基礎(chǔ)材料添銅，并添加微量金屬元素La、Pt、Ce而構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有防氧化層的銅基鍵合絲，其中銅基鍵合絲材料中各金屬成分質(zhì)量比重分別是Cu為88-97%，微量金屬元素La為0. 0006-0. 010%, Ce為 0. 001-0. 005%, Pt 為 0. 003-0. 005%，鍍層金 2-10%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有防氧化層的銅基鍵合絲，其中銅基鍵合絲表面鍍金的厚度為0.1微米-2. 5微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的一種具有防氧化層的銅基鍵合絲，其中銅基鍵合絲的制備工藝包括如下步驟步驟一，熔煉母合金胚材，將基礎(chǔ)材料Cu與選定的微量金屬材料Pt、Ce、La混合，將混合金屬材料在真空度10_2-10_3Mpa的熔爐內(nèi)融化，保持熔煉溫度為1790°C，精煉時間45分鐘以上，熔煉過程中采用高純度氬氣保護(hù)，最后采用凝固方式制備直徑為10毫米左右的母合金銅棒胚料；步驟二，拉制微細(xì)絲，將上述直徑為10毫米左右的母合金銅棒胚料進(jìn)行冷加工，加工至直徑1. 0毫米的母合金絲，然后進(jìn)行拉拔處理，每次加工率為15%至20%，每次拉拔速度控制在50米/分鐘左右，速度波動控制在10% ；然后經(jīng)過以下相似過程多次，采用每次加工率為6%至20%，將前述銅絲加工至直徑0. 015毫米一0. 075毫米，拉制速度控制在500 米/分鐘，速度變化控制在10%以內(nèi)；步驟三，清洗金屬絲，將上述微細(xì)金屬絲進(jìn)行表面清洗，采用超聲波技術(shù)清洗，清洗介質(zhì)采用無水酒精；步驟四，表面鍍金，將上述清洗后的微細(xì)金屬絲進(jìn)行電鍍處理，電鍍液為軟金電鍍液， 電鍍電流密度為0. 25A/dm2-5. OA/dm2,電鍍速度控制在20m/min內(nèi)；步驟五，退火處理，將表面鍍金的微細(xì)銅絲進(jìn)行退火處理，采用氮氣保護(hù)環(huán)境下熱處理，熱處理溫度為415°C _425°C，處理時間控制在1. OS-2. 1S，控制退火時張力大小3. Og以內(nèi)；步驟六，分卷繞線，使用專用繞線機，將鍵合絲定長繞制在量英寸直徑的線軸上，繞線速度控制在50m/min-100m/min，線間距為5毫米，分卷長度為50米至1000米；步驟七，普包儲運，采用普通包裝，常溫常壓條件下儲運。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有防氧化層的銅基鍵合絲，其中中鍍金采用電鍍方式，電鍍金溶液的主要成分包括亞硫酸金鈉，其濃度為5-25g/L、檸檬酸鉀，濃度為5-25g/ L、亞硫酸金銨，濃度為5-25g/L、亞硫酸銨，濃度為180-250g/L、EDTA，濃度為2_4g/L、聚乙二醇，濃度為l_2g/L、亞硫酸堿鹽、結(jié)晶調(diào)整劑、表面活性劑、緩沖劑。
全文摘要
本發(fā)明提供一種銅基鍵合絲的防氧化層加工工藝，由基礎(chǔ)材料銅添加La、Ce、Pt微量金屬元素構(gòu)成母合金基材，并在母合金基材制成的微細(xì)金屬絲表面鍍金層而構(gòu)成該銅基鍵合絲，銅和金的純度都高于99.99％。本發(fā)明還提供了所述銅基鍵合絲的制備工藝，包括混合熔煉、拉制、清洗、鍍金、退火、繞線、包裝等步驟。該銅基鍵合絲兼具銅鍵合絲和金鍵合絲的雙重優(yōu)點，具有良好抗氧化性、導(dǎo)電性以及低弧度特點，改善了單一銅材的硬度，價格低等優(yōu)點，銅絲采用普通包裝，在常溫下可以長期保存，是昂貴鍵合金絲的良好替代品。
文檔編號H01B13/00GK102332439SQ20111031707
公開日2012年1月25日 申請日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者周鋼, 薛子夜, 趙碎孟 申請人:浙江佳博科技股份有限公司