CN101607360B - 超微细键合金丝规模化生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超微细键合金丝的规模化生产方法，键合金丝的生产中包括熔铸工艺(合金熔铸)、拉丝工艺(大拉、中拉、细拉、超微细拉伸)、退火工艺(成品退火、性能测试)、绕线工艺等步骤，本发明针对超微细键合金丝的规模化生产对其中的合金熔铸及退火工艺做了改进，主要是在熔铸过程中利用间歇式拉铸，借助可通过间歇抑制柱状晶的形成，有利于形成细等轴晶，在保证铸锭延伸性的同时可达到一定的强度，能更好地满足超微细金丝的加工的需要。通过本发明制造的产品适用于集成电路、大规模集成电路微型化封装要求，也适用于分立器件、LED封装低成本要求，其特点是超微细丝成材率高，批料间一致性好，满足批量化、规模化稳定生产要求。

Description

超微细键合金丝规模化生产方法
技术领域
本发明涉及一种键合金丝的生产方法，尤其涉及一种超微细键合金丝规模化生产的方法。
背景技术
随着微电子工业的迅猛发展，微电子工艺不断提高，IC特征参数不断缩小，集成度以惊人速度增长，由于VLSI集成度一直遵循“摩尔定律”以每18个月翻一番的速度急剧增加，目前一个芯片上集成的电路元件数早已超过一个亿，因此这种发展趋势正在使VLSI在电子设备中扮演的角色从器件芯片转变为系统芯片(SOC)；与此同时，深亚微米的VLSI工艺特征尺寸已达到0.18μm以下，在特征尺寸不断缩小、集成度和芯片面积以及实际功耗不断增加的情况下，产品结构越来越复杂，性能愈来愈高，系统级芯片(逻辑、模拟、存贮器一体化，也即硬件模块、固体模块、软件模块一体化)在未来五年将成为主导产品。世界前沿和未来最有希望的技术CPU、HDTV、IC卡、DC、3G、和网络安全这六大领域都需要有超大规模集成电路。这样随着大规模、超大规模集成电路的发展，对封装材料的要求越来越高，特别是键合金丝，线径要求越来越细，机械化学电等各项性能指标还需满足封装要求。
半导体器件不仅要高性能，同时要求低成本。为降低作为其材料之一微细金丝的高额费用，正在使金丝直径越来越细。金丝微细化不仅可降低所需金丝费用，而且适用于高密度封装。
FBGA(通常称作CSP)是一种在底部有焊球的面阵引脚结构，封装所需的安装面积接近于芯片尺寸。这种高密度、小巧、且扁薄的封装技术非常适宜用于设计小巧的手持式消费类电子装置，如个人信息工具、移动电话、摄录一体机、以及数码相机等。因此超微细键合金丝的批量稳定生产成为考验金丝生产厂家生产技术水平的重要标志之一。
然而越细的金丝，其生产的难度越大，拉丝越困难，非常容易拉断或出现金丝相互粘连的状况，造成成品率低下，尤其是在而17微米及以下超微细键合金丝的生产中，尤为明显，现有的改进方法一般仅是改进原材料的成分，例如中国专利200610021373.2的《一种键合金丝及其制造方法》，还有的是对生产方法进行了改进，例如中国专利200410017008.5的《有色金属及其合金材料超细丝的制备方法》，其利用水平定向连铸工艺改进铸造出的坯料的性能来提高成品率，目前这些现有金丝生产方法基本可满足18微米及以上键合金丝的批量化生产要求，而17微米及以下超微细键合金丝通过现有生产工艺生产，其在加工过程中断丝频繁、生产效率低下，同时顾客使用这样的金丝也容易出现质量问题，比如金丝表面质量不好、放线不好、性能不稳定等现象，键合时金丝容易发生粘连、断丝现象或设备报警现象，造成键合效率及成品率低下，不能有效满足顾客需求。
发明内容
有鉴于此，本发明改良上述缺点，针对微细化加工难、断丝多的原因进行分析，优选工艺，细化工艺，通过改进装置、增添装置等提高生产工艺的技术水平。本发明目的是提出一种超微细键合金丝规模化生产的方法，该方法不仅适用于常规规格键合金丝的生产，对17微米及以下超微细键合金丝的批量化生产适用性尤为合适，其能够满足超微细键合金丝规模化生产的要求。
本发明的主要目的之一在于利用改进熔铸工序中的熔铸工艺进而改进坯料线材的性能，使其满足后续工序的要求；
本发明的另一目的在于解决退火工序中，退火后的金丝发生粘连的现象。
金丝的生产方法中包括熔铸工艺(合金熔铸)、拉丝工艺(大拉、中拉、细拉、超微细拉伸)、退火工艺(成品退火、性能测试)、绕线工艺(定尺复绕)。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种超微细键合金丝规模化生产方法，其改进熔铸工序，该熔铸工序采用连铸设备进行拉铸，该熔铸工序采用间歇式拉铸工艺。
因键合金丝不是高纯金丝，还需要在纯金中加入微量元素，微量元起细化晶粒的作用，而间歇式拉铸可通过间歇抑制柱状晶的形成，有利于形成细等轴径，在保证铸锭延伸性的同时可达到一定的强度，能更好地满足超微细的加工。
为了更好的实现超微细键合金丝规模化生产本发明的一种超微细键合金丝规模化生产方法可对生产工艺的其它部分进一步改进，其中：
该间歇式拉铸工艺的拉铸时间为0.3s-1.0s；间歇时间为1.0s-2.0s，拉铸速度为600-800mm/min；拉铸时的温度为1180℃-1250℃；结晶器冷却水流量为1-5L/min。
该连铸设备可为竖式定向连铸设备。
该连铸设备的结晶器冷却水通过过渡水箱供给结晶器，使该结晶器冷却水进入结晶器时的温度不产生阶跃而保持恒定。
其还可包括一个高真空精炼工序，该工序采用提纯金为原料，首先进行高真空精炼，精炼是在高真空下进行，真空度达到1×10-3Pa以上，精炼温度为1200℃-1280℃，精炼时间为20分钟-60分钟。
其还可包含一个合金化过程，该合金化过程为在所述高真空精炼工序之后，在惰性气体气氛下，将温度降低到1150℃-1200℃进行合金化，即添加中间合金，搅拌静置后再进行所述拉铸工序。
其中在该退火工序中，可采用在连续退火炉中进行退火，退火温度为400℃-600℃，退火后的金丝直接经过冷却液，以保证退火后的金丝连续稳定均匀地在冷却液中冷却，使该金丝表面附着液体薄膜，防止退火后的该金丝发生粘连现象，然后退火后的该金丝再进入复绕工序。
通过上述工艺生产方法，17微米及以下超微细金丝平均单丝长度可达到5000米以上，微拉成材率可达到90％以上，可满足批量化规模化生产要求。
附图说明
图1为采用连续式工艺的拉铸产品的金相图；
图2为采用本发明的间歇式工艺的拉铸产品的金相图。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明确被了解，现特举本发明优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：
本发明的超微细键合金丝规模化生产方法，是对现有生产流程的改进，因此对与现有技术共同之处不再做详细说明，在此主要对本发明的改进工艺做一详细说明。
常见的键合金丝生产方法中包括熔铸工艺(合金熔铸)、拉丝工艺(大拉、中拉、细拉、超微细拉伸)、退火工艺(成品退火、性能测试)、绕线工艺(定尺复绕)。
其中熔铸合金化工序是基础，决定超微细金丝的加工性和性能均匀性，因此本发明对的该方法中的对熔铸工艺做了多项改进。这几个改进对超微细丝批量生产的成材率、批料间的一致性、性能均匀性具有决定性作用。
本发明的一具体实施例的生产工艺路线如下：
提纯金→合金熔铸→大拉→中拉→细丝拉伸→超微细拉伸→成品退火(性能测试)→定尺复绕→检验→包装入库
具体生产步骤如下：
(1)将提纯金进行高真空精炼熔铸并添加微量元素进行合金化。
本具体实施例采用提纯金为原料，提纯金要符合纯度要求，单个杂质元素含量不能超标。本发明采用连铸设备进行拉铸，在本具体实施例中优选为采用竖式定向连铸设备，在竖式定向连铸设备上的感应高纯石墨坩埚中熔化提纯金。
首先可进行高真空精炼，目的是为了将提纯金残留的电解液杂质更好地去除掉，同时也可将一些低熔点杂质元素挥发、高熔点杂质元素的通过炉下角去除，进一步提高纯度，有利于合金化微量元素的精确控制。
开始精炼是在高真空下进行，真空度达到1×10-3Pa以上，精炼温度为1200℃-1280℃，精炼时间为20分钟～60分钟。
然后在惰性气体气氛下，降低温度到1150℃-1200℃进行合金化，即添加中间合金，所添加的微量元素Be、Ca、Ag、Cu、Pd、中至少加入两种元素，每种元素的量在5ppm-20ppm之间，在Ce、La、Co、Ge、Sm、Y中至少加入其中的一种元素，每个元素含量在0-40ppm。本实施例中强调合金化时温度的调整，避免所加入的微量元素有所烧损。采用该工艺可避免所加入的微量元素有所烧损。
熔融的合金搅拌静置后进入拉铸，本实施例的拉铸速度为600-800mm/min；连铸时的温度为1180℃-1250℃。该工序的重要特点是利用间歇式铸锭工艺进行铸锭，所谓的间歇式工艺铸锭，是采用拉伸、暂停、拉伸的方式循环进行，在本实施例中采用拉铸时间0.3s-1.0s；间歇时间1.0s-2.0s；水流量为1-5L/min.；铸出ф8mm铸锭，该拉铸方式较连续式拉铸的铸锭结晶组织更加适合超微细丝的加工。键合金丝不是高纯金丝，还需要在纯金中加入微量元素，微量元素起细化晶粒的作用，间歇式拉铸可通过间歇抑制柱状晶的形成，有利于形成细等轴径。参见附图1为采用连续式工艺的拉铸产品的金相图；图2为采用本发明的间歇式工艺的拉铸产品的金相图。其清楚的显示间歇式拉铸方式较连续式拉铸的铸锭结晶组织更均匀细小，在保证铸锭延伸性的同时可达到一定的强度，能更好地满足超微细的加工。
该熔铸工艺首先是要确保铸锭结晶组织的均匀一致，为了进一步确保铸锭质量的均匀性，还可在于熔铸工序中加强熔铸控制条件：保持冷却水恒温要求，因结晶组织的好坏及一致性与结晶冷却水的水温控制关系密切。一般冷却水循环装置是直接循环，或通过冷冻机将水冷却后返回到设备；这两种方式均不能保证再次进入结晶器冷却铜套的水温始终恒定，特别是经冷冻机冷冻后的水温呈波动变化，影响铸锭结晶组织的一致性。本发明该具体实施例是通过冷却水恒温装置保持进行冷却铜套中的水温始终保持恒定，偏差不超过1℃，该装置在冷冻机之后增加了一个与保证结晶器冷却水的恒定的恒温(缓冲)水箱，通过在过渡水箱中中和制冷水，保证冷冻机冷却后的水能够混合均匀，温度恒定后再进入设备的冷却铜套。该方法采用简单的结构实现了保持冷却水恒温的要求，该装置的具体结构和使用方式可参见本申请人的《键合金丝生产熔铸冷却水温度恒定装置》的实用新型申请。
(2)取样通过ICP进行化学分析。
(3)大拉，将φ8mm金棒拉至φ1.5mm，卧罐拉丝机。
ф8mm铸锭通过大拉机到1.5mm，再通过中拉到到0.08mm，再通过细拉机到0.05mm，再经过微拉及超微细拉丝机加工到0.017mm及以下线径。
大拉过程中，为保护表面不发生磨擦，拉丝机的拉丝辊与收线辊均应有自动排线功能。润滑液选择正确并要定期更换。8mm加工到1.5mm.
(4)中拉，将φ1.5mm线材拉至φ0.08mm，塔轮拉丝机。
中拉过程中，配模很重要，要根据不同线径范围，不同设备进行配模。金线要平行进入模具。润滑液选择正确并要定期更换。1.5mm加工到0.08mm.
(5)细拉，用细拉丝机将φ0.08mm丝材拉至φ0.022mm--φ0.020mm。细拉机。
(6)微拉，用超微细拉丝机将0.022mm--φ0.020mm丝材拉至0.017mm及以下。
细拉和微拉在配模及门模加工率上均很重要，其选择要与设备和线径相配合，润滑液选择正确并要定期更换，特别是放线金丝轴放线时要在水中进行，且有压盖保护，以避免丝与轴边的磨擦。为了避免因模具磨损或脏物污染导致金丝表面有划伤若其它缺陷，模具要随时清洗和检查，拉丝张力系统要保持稳定，线径不同张力不同。0.08mm加工到0.05mm.
微拉和超微拉过程中对半成品和成品要观察表面，表面若不光洁不能转入下一道次或工序。0.05mm加工到0.01mm。
(7)中间检验，主要是检验丝材表面、称重法测定尺寸规格。
拉丝工序中，强调模具的配模、表面质量的控制、润滑效果好、拉丝速度与张力系数的匹配。
该方法的拉丝工艺中，拉丝配模特别是超微拉配模、拉丝中的表面保护是其特点。
拉丝过程中前道产生的缺陷会在后道中发生断丝现象，特别是到17微米及以后，之前造成的微小缺陷均会在成品加工过程中导致断线，严重影响拉丝长度及成材率，影响批量化生产的一致性。
超微细金丝张力控制相当重要，收放线要连动，避免张力波动导致退火不均匀。
(8)经检验合格的丝材进行连续成品退火，根据用户需要和标准温度范围在400℃～600℃之间。中间检验对退火后的丝材进行拉伸测试确定强度、延伸率力学参数，并以此对退火温度进行调整。
退火工序中，强调微张力的稳定，退火速度的一致，退火工序中可在退火炉加热后对金丝使用冷却液冷却，可保证退火后的金丝连续稳定地均匀地在冷却液中冷却，表面附着液体薄膜，防止退火后的金丝发生粘连现象，可以采用向金丝上滴冷却液的方式，优选为采用冷却循环装置。(该装置单独申请专利参见本申请人的实用新型《防止键合金丝退火后产生粘连现象的冷却循环装置》)，本装置的特点是冷却液在其中可循环，也起到搅拌冷却作用，易于拆卸和清洗，位置易于调节。
退火炉的温度精确控制，速度保持恒定。
在连续退火炉中进行退火，退火温度为400℃～600℃，退火后的丝直接经过冷却液。
(9)复绕工艺，退火后的金丝在绕线机上通过一定的张力定尺复绕出顾客要求的成品。
将检验合格的丝材按客户要求或标准分轴复绕，每轴长度分别为500m-3000m.。
复绕工序中，强调微张力的稳定，绕线程序设计与张力的匹配，强调导线轮的控制。其特点是张力控制精确稳定，绕线速度稳定，绕线程序与设备能力接合，导轮与轴承选择也很重要。
通过上述工艺生产方法，17微米及以下超微细金丝平均单丝长度可达到5000米以上，微拉成材率可达到90％以上，可满足批量化规模化生产要求。
其优点在于：
1、本发明适用于超微细键合金丝的规模化生产，特别是17微米及以下超微细丝的批量化生产。单丝长度长，成材率高，批料间一致性好。
2、本发明在熔铸合金化工序中有许多特点，对批料的拔丝长度、批料间一致性均起到决定性作用。
3、本发明的微拉配模工艺适合于超微细丝加工，断丝率低。
4、本发明退火工序中的冷却循环系统可保证退火后的金丝之间不发生粘连现象，确保顾客的正常使用。

Claims (4)

1.一种超微细键合金丝规模化生产方法，其包含熔铸工序，该熔铸工序采用连铸设备进行拉铸，其特征在于：所述熔铸工序采用间歇式工艺拉铸，所述间歇式工艺拉铸的拉铸时间为0.3s-1.0s，间歇时间为1.0s-2.0s，拉铸速度为600-800mm/min；拉铸时的温度为1180℃-1250℃，结晶器冷却水流量为1-5L/min，所述连铸设备为竖式定向连铸设备，并且连铸设备的结晶器冷却水通过一个过渡水箱供给结晶器，使该结晶器冷却水进入结晶器时的温度不产生阶跃而保持恒定。
2.如权利要求1所述的超微细键合金丝规模化生产方法，其特征在于：还包括一个高真空精炼工序，该工序采用提纯金为原料，首先进行高真空精炼，该精炼是在高真空下进行，真空度达到1×10-3Pa以上，精炼温度为1200℃-1280℃，精炼时间为20分钟-60分钟。
3.如权利要求2所述的超微细键合金丝规模化生产方法，其特征在于：还包含一个合金化过程，该合金化过程为在所述高真空精炼工序之后，在惰性气体气氛下，将温度降低到1150℃-1200℃进行合金化，即添加中间合金，加入Be、Ca、Ag、Cu、Pd中至少两种元素，每种元素的量在5ppm-20ppm之间，加入Ce、La、Co、Ge、Sm、Y至少其中的一种元素，每种元素含量在0-40ppm，搅拌静置后再进行所述拉铸工序。
4.如权利要求1或2或3所述的超微细键合金丝规模化生产方法，其还包括：拉丝工序、退火工序，复绕工序，其中在该退火工序中，采用在连续退火炉中进行退火，退火温度为400℃-600℃，其特征在于：退火后的金丝直接经过冷却液，以保证退火后的金丝连续稳定均匀地在冷却液中冷却，并使该金丝表面附着液体薄膜，防止退火后的该金丝发生粘连现象。
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