CN104593635A - 电子封装用铜键合线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于大规模集成电路和半导体器件等电子封装用的键合铜线，本发明的键合铜线成分满足如下条件：0.0005～0.02wt％，镁、0.0005％～0.01％wt锶，且0.0015wt％≤Mg+Sr≤0.025wt％；还可以进一步添加附带元素硼、钙、镧、锂和镍等中的1种、2种或3种，但附带元素的总添加量≤0.4×(Mgwt％+Srwt％)。本发明所述的键合铜线的制备方法包括制作中间合金，铜合金圆杆的制备、铜圆杆的致密化冷处理、拉制、最终退火、复绕分装和最终的保护性包装。

Description

电子封装用铜键合线及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种大规模集成电路和半导体器件等电子产品封装用的铜引线材料及铜键合线制备方法，具体来说是一种用于微电子封装技术的铜键合线及其制备方法。

背景技术

作为IC芯片和线路板连接桥梁的键合金属线，是电子器件不可或缺的一种电子材料，它与硅材料、导电浆料、引线框架材料等一起构成了电子技术中的四大基础结构材料。

集成电路的超大规模化、多功能化及电子器件的小型化，使封装技术正朝多引线化、高密度化、薄型化、多功能化、高散热性化和高可靠性方向发展，要求更细的键合线进行小间距、长距离的焊接。金线键合技术已经不能完全满足更小、更高可靠性的高性能要求。高性能的铜线因其优异的机械、电学、热学性能和低的金属间化合物形成速度，使之在小间距长距离键合方面比金线更具有优势；晶片的金属化材料由铝等改为铜，也使铜与铜键合的电子产品具有高更高的可靠性。此外，全球金价的不断上涨，也推动了高性能铜键合线的应用和推广，以降低封装企业的封装成本，提高经济效益。所以，高性能铜线已成为键合线研发的重要方向。

中国专利文献CN102859672A提供一种高纯度铜合金球焊接引线，通过向纯度为99.9985质量％以上的高纯度铜中添加微量的磷(P)，使其重结晶温度比纯度为99.9999质量％以上的高纯度铜高的重结晶温度还高，并且球焊接的初始焊球的硬度降低。

专利文献CN101626006介绍了一种柔性键合铜丝及其制备方法，由以下组分组成：Ce0.001％-0.005％，Pd0.003％-0.005％，Pt0.005％-0.009％，余量为Cu。通过采取多元掺杂合金，加入其他成分，降低铜的硬度，特别是成球硬度，减少对芯片的冲击力和破坏，降低键合能量，阻止了界面氧化物和裂纹的产生，保持其结合性能的稳定，从而提高了结合性能、导电性和抗氧化性；并通过控制熔铸、加工、热处理条件，进一步优化组织结构，保证得到合适的机械性能，能够满足不同的需要。

中国专利文献CN101524721报道了一种单晶铜键合丝的制备方法，所述的单晶铜键合丝的原材料为铜，其步骤为：采用高真空炉将纯度高于99.995％高纯铜熔化，升温到1100～1180℃，精炼60～120分钟，整个熔炼过程采用高纯氩气保护，并采用定向凝固方式拉制单晶铜杆，然后冷加工至 每道次拉拔加工率为15～25％，然后分为47～70个道次，采用每道次加工率为7.59～17.82％将单晶铜杆拉制0.020～0.05mm，拉丝时温度为35～45℃，将单晶铜键合丝表面采用超声波清洗，将清洗后的单晶铜键合丝进行热处理。

上述专利文献所报道的铜键合线力学性能可以满足电子封装的要求，但铜线的硬度偏高、抗氧化性能较弱，不利于铜线的存储和打线作业。

中国专利文献CN1949493A公布了一种铜键合线，该文献中公布的铜键合线的材料配方为：铈含量0.0005％-0.001％，锌或锡含量0.0003-0.0008％，余量为铜，其含量不低于99.996％。采用该文献公布的铜线作为键合材料，一方面降低了键合线的价格，另一方面满足了对高的导电性能及键合线强度的要求，但是该方案中用来提高键合线表面抗氧化性的金属元素锌或者锡的含量较低，因此抗氧化性能差强人意。

为更好地提高铜线的抗氧化性能，中国专利文献CN102130067A公布了一种表面镀钯的铜键合线，该发明镀钯键合铜丝，包括铜为主组分的铜芯材，以及在所述铜芯材上镀覆形成的钯层，其特征在于：由铜为主组分的铜芯材添加改善延伸性能的微量金属，经过单晶熔炼拉伸成铜合金芯线并在表面镀钯后再超细拉伸为表面镀钯键合铜丝。

铜线的表面涂覆镀层虽然可以保护铜线不被氧化或者是能提高键合强度，但在表面钯层施镀过程中，难免出线电镀工艺参数和镀液成分的变化而导致钯镀层出线各种问题，如：钯镀层厚度的均匀性、钯镀层与铜基体牢固结合以及钯镀层的致密性等。镀钯层一旦出现问题，将会导致后续拉制过程中金属镀层出现厚薄不均匀现象，影响铜线成球的圆整性和规则性，严重时则会出线局部铜线无镀钯层现象；再者镀钯铜线在烧球时，易于形成高钯含量铜合金焊球，提高焊球的硬度，不利于施焊。

为更好地解决铜键合线硬度高和抗氧化能力低的问题，还需要采用多元微合金化的思路，通过改变铜合金的表面组织致密性来提高耐腐蚀抗氧化性能，和降低高含量合金化元素的强化作用导致的高硬度问题，制备出较现有铜键合线断裂强力更低、延伸率更高、表面致密度和光洁度更高的铜线。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种刚性较好、较低焊球硬度、力学性能均匀、抗氧化性能较好的铜键合线用铜合金材料，并且提供一种适用于本发明铜合金材料制作铜键合线的制备方法。

为此本发明提供一种适合于大规模集成电路和半导体器件等电子封装用的铜键合线材料及利用该材料制备铜键合线的制备方法，技术方案为：

一种适用于大规模集成电路和半导体器件封装用的键合线制造的铜合金，其基础成分组成及范围为：Mg0.0005～0.02wt％，Sr0.0005～0.01wt％，余者为Cu、附带的元素和杂质，且0.0015wt％≤Mgwt％+Srwt％≤0.025wt％，同时杂质总量≤0.0015wt％。

本发明的用于键合线制造的铜合金还可以进一步添加选自附带元素B、Ni、Ca、La和Li中的至少1种，最多至3种，但所述的附带元素B、Ni、Ca、La和Li等的总添加含量≤0.4×(Mgwt％+Srwt％)。

利用上述成分铜合金制备铜键合线的方法，其制备流程为：

a.制备中间合金：分别将硼、镁、锶、镧、钙、锂和镍加入熔化的6N铜溶液中，制备Cu-B、Cu-Mg、Cu-La、Cu-Li、Cu-Ca、Cu-Sr、Cu-Ni中间合金，并将中间合金轧制成合适厚度的薄板；

b.由步骤a所制得的中间合金与6N铜熔化成所需成分的铜合金熔体，并制备铜合金圆杆；

c.将步骤b所制得的铜合金圆杆进行致密化冷处理；

d.将经过所述步骤f处理的铜合金圆杆进行拉制，形成所需尺寸的铜丝；

e.将所述铜丝在保护气体中进行最终退火处理，复绕分装和保护性包装。

本发明的铜键合线的制备方法，所述步骤a和所述步骤b均在真空度不低于10^-2Pa的条件下进行。

本发明的铜键合线的制备方法，在所述步骤a和b中，制备所述中间合金和所述铜合金的熔化熔炼温度维持在1100-1450℃。

本发明的铜键合线的制备方法，在所述步骤b中，所述铜合金熔体制备直径5-8mm的铜合金圆杆。

本发明的铜键合线的制备方法，在所述步骤c中，铜合金圆杆进行低温冷处理致密化，冷处理温度不高于-50℃，致密化时间低于10小时。。

本发明的铜键合线的制备方法，所述步骤c中，铜合金圆杆的进行致密化处理，冷处理温度不高于为-50℃，冷处理时间不少于10小时。

本发明的铜键合线及铜键合线的制备方法存在以下优点：

1.本发明的铜键合线在组分中加入了Mg、Sr以及B、Ca、La、Li、Ni等元素，改善了合金的综合性能。具体来说：镁(质量百分含量为0.0003％-0.02％)是铜的强脱氧剂，适量的镁可以避免铜合金中残存CuO和Cu₂O夹杂，还可以提高铜合金的抗高温氧化性；微量锶作为晶界活性元素，优先聚集于晶界，提高晶界的完整性和表面的致密性，增强抗氧原子侵入内部的能力，同时提高铜键合线熔球时稳定性；铜合金含有微量的硼(质量百分含量为0.0003％-0.01％)，作为活性元素，改善界面致密度，提高铜线表面完整性和光洁度，同时细化铜合金晶粒。硼含量低于0.0003％，则因硼原子数量太少而起不到应有的作用，含量大于0.01％，则可能会造成部分硼原子固溶于铜基体中，提高铜合金的强度，不利于铜线的变形和切断；微量的钙能同时调节键合线力学性能、封装性能、表面抗氧化性能和高温塑性；镧元素不仅可以调节封装性能，还可以改善铜键合线的表面抗氧化性；铜合金含有微量的锂(质量百分含量为0.0003％-0.003％)，可以进一步消除铜合金中的氧，同时不影响铜合金的导电和导热性能；微量镍可以提高铜合金的电位，改善抗腐蚀性能，同时提高铜合金的抗高温氧化能力。

2.本发明的铜键合线的制备方法，对5-8mm铜合金圆杆进行致密化冷处理，不仅可以降低制备过程中形成的铜合金圆杆中的残余内应力，降低铜合金圆杆拉制过程中不均匀变形，改善和提高铜合金圆杆的可拉制性能，减少铜键合线出现线径不均匀(即所谓的“竹节状”)的几率；同时还可以降低铜合金中原子排列间距，提高铜合金的致密度，改善拉制后的铜键合线的表面致密度和光洁度，增大氧原子通过表面侵入铜键合线内部的阻力，提高铜键合线抗氧化能力。

附图说明

图1是本发明铜键合线的组分和含量的第1-6个实施例；

图2是本发明铜键合线的组分和含量的第7-12个实施例；

图3是本发明铜键合线的组分和含量的第13-17个实施例；

图4是本发明铜键合线的组分和含量的第18-22个实施例；

图5是与图1相对应的铜键合线性能的实验数据；

图6是与图2相对应的铜键合线性能的实验数据；

图7是与图3相对应的铜键合线性能的实验数据；

图8是与图4相对应的铜键合线性能的实验数据；

图9是本发明的铜键合线制备方法流程图。

具体实施方式

实施方式1

按照图1所示的组分和含量，制备直径20μm的铜键合线。

铜键合线的制备方法见图9，具体工艺过程如下：

1.制备中间合金：以配制Cu-B合金为例，说明中间合金的配制。

按单质硼占Cu-B中间合金总质量的1％-3％，余量为6N铜的比例关系，称量好高纯硼和6N铜。将称量好的高纯B置入真空炉加料仓中，随后将6N铜放入真空炉熔炼坩埚中。抽真空不低于至10^-2Pa真空度后回充氩气至真空炉内微正压，开始熔化6N铜，待6N铜化清后，通过加料机构将高纯B加入到铜熔体中，等高纯B熔清并与铜熔体混合均匀后，将铜液浇注入模具，制备成所需Cu-B中间合金铸锭。同样方法可制备Cu-Mg、Cu-La、Cu-Ca、Cu-Li、Cu-Sr和Cu-Ni等中间合金锭。

2.中间合金锭的冷轧：将中间合金铸锭沿一定的方向轧制，冷轧成厚度为2mm的薄板或薄片。

3.铜合金圆杆的制备：按3公斤铜合金计算，依据铜键合线的化学成分，算出所需6N铜和相关的中间合金的量，然后分别将所述6N铜和所述中间合金置入真空炉的熔炼坩埚内，抽真空至10^-2Pa后回充干燥的氩气至真空炉内微正压，送电熔炼，调整送电功率。所述6N铜和所述中间合金熔化后的温度维持在1250℃。在完成熔化、精炼后，将铜合金熔体凝固成直径8mm的铜合金圆杆。

4.铜合金圆杆的致密化冷处理：将前述所制备的8mm铜合金圆杆进行致密化冷处理，冷处理温度为-70℃，处理时间为10小时。

5.铜键合线的继续拉伸：按照单模单道次拉制的方式进行拉伸，其中，模具延伸率16～20％，拉伸速度10m／min；或者按照多模单道次拉制的方式进行拉伸，其中，模具延伸率12～16％，拉伸速度120m／min；多模单道次拉制的方式进行拉伸，其中，模具延伸率6～10％，拉伸速度200～480m／min；多模单道次拉制的方式进行拉伸，其中模具延伸率5～8％，拉伸速度100～200／min。

6.将经过多道次拉伸至最终直径的铜线在最终保护气氛中退火，退火温度为550℃，保护性气体为干燥的氮气。

7.复绕分装和保护包装：以500+5m米为单轴铜键合线长度，进行复绕分装，分装好的铜线置入塑料包装盒内，并连同塑料包装盒一起放入封装塑料袋中预抽真空塑封。

根据图1所示的元素组分含量及相关的工艺条件制得的铜键合线的性能实验数据见图5。

实施方式2

按照图2所示的组分和含量，制备直径20μm的铜键合线。

铜键合线的制备方法见图9，具体工艺过程如下：

1.制备中间合金：以配制Cu-B合金为例，说明中间合金的配制。

按单质硼占Cu-B中间合金总质量的1％-3％，余量为6N铜的比例关系，称量好高纯硼和6N铜。将称量好的高纯B置入真空炉加料仓中，随后将6N铜放入真空炉熔炼坩埚中。抽真空不低于至10^-2Pa真空度后回充氩气至真空炉内微正压，开始熔化6N铜，待6N铜化清后，通过加料机构将高纯B加入到铜熔体中，等高纯B熔清并与铜熔体混合均匀后，将铜液浇注入模具，制各成所需Cu-B中间合金铸锭。同样方法可制备Cu-Mg、Cu-La、Cu-Ca、Cu-Li、Cu-Sr和Cu-Ni等中间合金锭。

2.中间合金锭的冷轧：将中间合金铸锭沿一定的方向轧制，冷轧成厚度为2mm的薄板或薄片。

3.铜合金圆杆的制备：按3公斤铜合金计算，依据铜键合线的化学成分，算出所需6N铜和相关的中间合金的量，然后分别将所述6N铜和所述中间合金置入真空炉的熔炼坩埚内，抽真空至10^-2Pa后回充干燥的氩气至真空炉内微正压，送电熔炼，调整送电功率。所述6N铜和所述中间合金熔化后的温度维持在1300℃。在完成熔化、精炼后，将铜合金熔体冷却制备成直径6mm的铜合金圆杆。

4.铜合金圆杆的致密化冷处理：将前述所制备的6mm铜合金圆杆进行致密化冷处理，冷处理温度为-60℃，处理时间为15小时。

5.铜键合线的拉伸：按照单模单道次拉制的方式进行拉伸，其中，模具延伸率16～20％，拉伸速度10m／min；或者按照多模单道次拉制的方式进行拉伸，其中，模具延伸率12～16％，拉伸速度120m／min；多模单道次拉制的方式进行拉伸，其中，模具延伸率6～10％，拉伸速度200～480m／min；多模单道次拉制的方式进行拉伸，其中模具延伸率5～8％，拉伸速度100～200／min。

6.将经过多道次拉伸至最终直径的铜线在最终保护气氛中退火，退火温度为500℃，保护性气体为干燥的氮气。

7.复绕分装和保护包装：以500+5m米为单轴铜键合线长度，进行复绕分装，分装好的铜线置入塑料包装盒内，并连同塑料包装盒一起放入封装塑料袋中预抽真空塑封。

根据图2所示的元素组分含量及相关的工艺条件制得的铜键合线的性能实验数据见图6。

实施方式3

按照图3所示的组分和含量，制备直径20μm的铜键合线。

铜键合线的制备方法见图9，具体工艺过程如下：

1.制备中间合金：以配制Cu-B合金为例，说明中间合金的配制。

按单质硼占Cu-B中间合金总质量的1％-3％，余量为6N铜的比例关系，称量好高纯硼和6N铜。将称量好的高纯B置入真空炉加料仓中，随后将6N铜放入真空炉熔炼坩埚中。抽真空不低于至10^-2PaPa真空度后回充氩气至真空炉内微正压，开始熔化6N铜，待6N铜化清后，通过加料机构将高纯B加入到铜熔体中，等高纯B熔清并与铜熔体混合均匀后，将铜液浇注入模具，制备成所需Cu-B中间合金铸锭。同样方法可制备Cu-Mg、Cu-La、Cu-Ca、Cu-Li、Cu-Sr和Cu-Ni等中间合金锭。

2.中间合金锭的冷轧：将中间合金铸锭沿一定的方向轧制，冷轧成厚度为2mm的薄板或薄片。

3.铜合金圆杆的制备：按3公斤铜合金计算，依据铜键合线的化学成分，算出所需6N铜和相关的中间合金的量，然后分别将所述6N铜和所述中间合金置入真空炉的熔炼坩埚内，抽真空至10^-2Pa后回充干燥的氩气至真空炉内微正压，送电熔炼，调整送电功率。所述6N铜和所述中间合金熔化后的温度维持在1380℃。在完成熔化、精炼后，将铜合金熔体凝固成直径5mm的铜合金圆杆。

4.铜合金圆杆的致密化冷处理：将前述所制备的5mm铜合金圆杆进行致密化冷处理，冷处理温度为-50℃，处理时间为18小时。

5.铜键合线的继续拉伸：按照单模单道次拉制的方式进行拉伸，其中，模具延伸率16～20％，拉伸速度10m／min；或者按照多模单道次拉制的方式进行拉伸，其中，模具延伸率12～16％，拉伸速度120m／min；多模单道次拉制的方式进行拉伸，其中，模具延伸率6～10％，拉伸速度200～480m／min；多模单道次拉制的方式进行拉伸，其中模具延伸率5～8％，拉伸速度100～200／min。

6.将经过多道次拉伸至最终直径的铜线在最终保护气氛中退火，退火温度为450℃，保护性气体为干燥的氮气。

7.复绕分装和保护包装：以500+5m米为单轴铜键合线长度，进行复绕分装，分装好的铜线置入塑料包装盒内，并连同塑料包装盒一起放入封装塑料袋中预抽真空塑封。

根据图3所示的元素组分含量及相关的工艺条件制得的铜键合线的性能实验数据见图7。

实施方式4

按照图4所示的组分和含量，制备直径20μm的铜键合线。

铜键合线的制备方法见图9，具体工艺过程如下：

1.制备中间合金：以配制Cu-B合金为例，说明中间合金的配制。

按单质硼占Cu-B中间合金总质量的1％-3％，余量为6N铜的比例关系，称量好高纯硼和6N铜。将称量好的高纯B置入真空炉加料仓中，随后将6N铜放入真空炉熔炼坩埚中。抽真空不低于至10^-2PaPa真空度后回充氩气至真空炉内微正压，开始熔化6N铜，待6N铜化清后，通过加料机构将高纯B加入到铜熔体中，等高纯B熔清并与铜熔体混合均匀后，将铜液浇注入模具，制备成所需Cu-B中间合金铸锭。同样方法可制备Cu-Mg、Cu-La、Cu-Ca、Cu-Li、Cu-Sr和Cu-Ni等中间合金锭。

2.中间合金锭的冷轧：将中间合金铸锭沿一定的方向轧制，冷轧成厚度为2mm的薄板或薄片。

3.铜合金圆杆的连铸：按3公斤铜合金计算，依据铜键合线的化学成分，算出所需6N铜和相关的中间合金的量，然后分别将所述6N铜和所述中间合金置入真空炉的熔炼坩埚内，抽真空至10^-2Pa后回充干燥的氩气至真空炉内微正压，送电熔炼，调整送电功率。所述6N铜和所述中间合金熔化后的温度维持在1380℃。在完成熔化、精炼后，将铜合金熔体凝固成直径8mm的铜合金圆杆。

4.铜合金圆杆的致密化冷处理：将前述所制备的8mm铜合金圆杆进行低温冷处理，冷处理温度为-70℃，处理时间为12小时。

5.铜键合线的继续拉伸：按照单模单道次拉制的方式进行拉伸，其中，模具延伸率16～20％，拉伸速度10m／min；或者按照多模单道次拉制的方式进行拉伸，其中，模具延伸率12～16％，拉伸速度120m／min；多模单道次拉制的方式进行拉伸，其中，模具延伸率6～10％，拉伸速度200～480m／min；多模单道次拉制的方式进行拉伸，其中模具延伸率5～8％，拉伸速度100～200／min。

6.将经过多道次拉伸至最终直径的铜线在最终保护气氛中退火，退火温度为570℃，保护性气体为干燥的氮气。

7.复绕分装和保护包装：以500+5m米为单轴铜键合线长度，进行复绕分装，分装好的铜线置入塑料包装盒内，并连同塑料包装盒一起放入封装塑料袋中预抽真空塑封。

根据图4所示的元素组分含量及相关的工艺条件制得的铜键合线的性能实验数据见图8。

从图5、图6、图7和图8中的实测性能数据可以看出，在本发明的铜键合线的成分和含量的范围之内，所制备的铜键合线的相关性能与当前使用的进口铜键合线性能相近，完全能满足大规模及超大规模集成电路封装的要求。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种适用于大规模集成电路和半导体器件封装用的键合线制造的铜合金，其基础成分组成及范围为：Mg0.0005～0.02wt％，Sr0.0005～0.01wt％，余者为Cu、附带的元素和杂质，同时0.0015wt％≤Mgwt％+Srwt％≤0.025wt％，且杂质总量≤0.0015wt％。

2.根据权利要求1所述适用于键合线制造的铜合金，其特征在于，所述铜合金还可以进一步添加附带元素B、Ca、La、Li和Ni中的1种或2种或3种，但无论是单个附带元素的添加，还是多个附带元素的复合添加，附带元素的添加总量应≤0.4×(Mgwt％+Srwt％)。

3.采用权利要求1或权利要求2所述成分组成的铜合金制备铜键合线的方法，包括以下步骤：

a.制备中间合金：分别将B、Ca、La、Li、Mg、Ni、Sr加入熔化的6N铜液中，制备Cu-B、Cu-Ca、Cu-La、Cu-Li、Cu-Mg、Cu-Ni和Cu-Sr中间合金，并将所制备的中间合金轧制成合适厚度的中间合金薄板；

b.由步骤a所制得的中间合金与6N铜熔化成所需成分的铜合金熔体，并制备铜合金圆杆；

c.对步骤b制得的铜合金圆杆的进行致密化冷处理；

d.将经过所述步骤c处理的铜合金圆杆进行拉制，制成所需尺寸的铜线；

e.将所述步骤d制得的铜线进行最终退火处理、复绕分装和保护性包装。

4.根据权利要求3所述的铜键合线的制备方法，其特征在于：步骤c中铜合金圆杆致密化处理采用低温冷处理致密化，冷处理温度不高于-50℃，致密化时间低于10小时。