CN104752385B - 一种ic封装用超软键合丝及其制造方法 - Google Patents

一种ic封装用超软键合丝及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种IC封装用超软键合铜合金丝及其制造方法，线材中的氧含量为0～5ppm，钨含量为0.1～2ppm，硫含量为1～10ppm，磷含量为4～200ppm，余量为高纯铜。本发明提供的IC封装用超软键合丝及其制造方法，通过直接调整线材中的氧含量和通过引入磷，借助其去氧能力；通过引入钨、硫并进一步利用forming gas中氢的还原性，降低FAB中的氧含量，降低了FAB的硬度。此外，在上述添加物的基础上，添加了8～200ppm的银，提升了线材的超声软化效能和与IC铝材料的结合能力，拓宽了打线工作窗口，由于操作窗口的拓宽，使得该IC封装用超软键合丝也能应用于多芯片叠片封装中的悬空打线。

Description

一种IC封装用超软键合丝及其制造方法
技术领域
本发明涉及IC封装的键合丝材料，尤其涉及一种IC封装用超软键合铜丝及其制造方法。
背景技术
键合丝(bonding wire)是连接芯片与外部封装基板(substrate)和/或多层线路板(PCB)的主要连接方式。键合丝发展趋势从应用方向上主要是线径细微化，高车间寿命(floor life)以及高线轴长度的产品，从化学成分上，主要有铜线(包括裸铜线、镀钯铜线、闪金镀钯铜线)在半导体领域大幅度取代金线，而银线和银合金线在LED以及部分IC封装应用上取代金线。
相对于金线，铜线主要的优势是：1、产品成本低；2、线材机械强度高，在形成loop后的灌胶的过程中抗冲击能力强，减少了线材的晃动(wire sweep)，更适合于细间距封装；3、导电性高(电阻率：铜1.69；金2.2*10-6Ohm cm)；4、与Al-Au共晶相比较，Al-Cu共晶相的生长速率低许多，所以可靠性大幅度提升。
但是铜线有以下问题：1、线材容易氧化；2、线材硬度高，在打线时容易对IC造成损伤；3、焊线工作窗口需要拓宽，其中一个方面的具体表现为产品由于氧化和硫化的原因导致铜线的车间寿命(floor life)低。
对于铜线容易氧化的问题，业界普遍采用Forming gas(5％H2+95％N2)来完成铜线成球过程，但出于成本原因，更多的企业希望采用纯氮气来生产。
对于铜线相对金线硬度高的问题，业界有三种方法：1、采用银及其合金线材的趋势；2、强化IC Pad下材料的机械性能，从而保护Pad下的电子线路；3、采用软铜线(主要是高纯度的铜线)。
对于焊线工作窗口的拓宽和车间寿命提升，业界普遍采用表面镀钯的铜线。日本Tanaka公司在中国申请的专利CN200980100723公开了这种方法，然而该方法采用镀Pd工艺，不仅会增加产品成本,还会使铜线的硬度也进一步增加。
此外，铜线在半导体行业中的应用还出现了以下几个问题：
1、由于打线速度越来越快，增加了线材与瓷嘴的摩擦，因此使线材表面刮伤情况有所增加，并造成间接影响产品的可靠性；
2、在高线轴长度的产品的开发中如何保证线材优异的放线性能，避免卡线情况的发生而造成放线不畅影响生产；
3、随着封装技术的小型化，大量的采用Mulit-Chip Module(MCM)的封装形式，而其中的悬空打线(overhang)对线材的软度提出了更高要求，通常采用金线来完成，因为当采用常规铜线时，由于打线的参数过大容易造成芯片的弯曲，从而变形球真圆度变差，产生打球不稳定等问题；此外，该悬空打线亦对线材的操作窗口的提升提出了更高的要求。
发明内容
本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。
为克服现有技术的问题，本发明提供一种IC封装用超软键合丝及其制造方法，采用氧含量为0～5ppm，钨含量为0.1～2ppm，硫含量为1～10ppm，磷含量为4～200ppm，余量为高纯铜的线材，从而具有超软、抗氧化、抗刮伤、放线顺畅等特点。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供一种IC封装用超软键合丝，其特征在于，线材中的氧含量为0～5ppm，钨含量为0.1～2ppm，硫含量为1～10ppm，磷含量为4～200ppm，余量为高纯铜。
根据本发明的一个实施例，还包括银，含量为8～250ppm。
根据本发明的一个实施例，该银的纯度在99.99％以上。
根据本发明的一个实施例，在该线材外表面还设有有机涂层，该有机涂层的成分包括：有机胺、阳离子表面活性剂与非离子表面活性剂的复配物。
根据本发明的一个实施例，该有机胺选自单乙醇胺、双乙醇胺、三乙醇胺、单甲胺、双甲胺、三甲胺、咪唑、苯并三氮唑中的至少一种；该阳离子表面活性剂选自氯化十六烷基三甲基铵、氯化十八烷基三甲基铵、含硫阳离子表面活性剂中的至少一种；该非离子表面活性剂选自辛基酚聚氧乙烯醚，月桂醇聚氧乙烯醚中的至少一种。
根据本发明的一个实施例，该有机涂层的厚度为0.2～2.5nm。
根据本发明的一个实施例，该高纯铜的纯度为4N以上。
根据本发明的另一个方面，提供一种IC封装用超软键合丝的制造方法，其特征在于，包括：
S1、将原料按预定的比例进行熔炼，得到氧含量为0～5ppm，钨含量为0.1～2ppm，硫含量为1～10ppm，磷含量为4～200ppm，余量为高纯铜的线材；
S2、将该线材行多次拉丝，并在多次拉丝过程中对该线材进行退火处理，得到直径为18～50um的键合丝；
S3、对该直径为18～50um的键合丝进行最后一次退火处理。
根据本发明的一个实施例，在该步骤S1中得到的线材还包括银，含量为8～250ppm。
根据本发明的一个实施例，还包括步骤S4，将完成最后一次退火处理的键合丝浸入并通过盛有机涂层溶液的槽，在该键合丝外表面形成厚度为0.2～2.5nm的有机涂层。
根据本发明的一个实施例，在该步骤S2或S3中，进行该退火处理时，退火温度450～600℃，退火炉有效长度为600mm，退火速度为50～100m/min。
根据本发明的一个实施例，该有机涂层溶液的组份按重量百分比计包括：有机溶剂15～30％，水60～70％，有机胺5～18％，阳离子表面活性剂与非离子表面活性剂的复配物0.005～0.2％。
根据本发明的一个实施例，该有机溶剂为选自乙醇、异丙醇中的至少一种；该有机胺选自单乙醇胺、双乙醇胺、三乙醇胺、单甲胺、双甲胺、三甲胺、咪唑、苯并三氮唑中的至少一种；该阳离子表面活性剂选自氯化十六烷基三甲基铵、氯化十八烷基三甲基铵、含硫阳离子表面活性剂中的至少一种；该非离子表面活性剂选自辛基酚聚氧乙烯醚，月桂醇聚氧乙烯醚中的至少一种。
通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：
图1为本发明实施例的IC封装用超软键合丝制造方法的流程示意图。
图2为本发明实施例的FAB Vicker Hardness压痕图片。
图3为本发明键合丝与标准4N铜线在第一焊点工作窗口的比较
具体实施方式
本发明提供一种IC封装用超软键合丝，其特征在于，线材中的氧含量为0～5ppm，钨含量为0.1～2ppm，硫含量为1～10ppm，磷含量为4～200ppm，余量为高纯铜，其中高纯铜的纯度为4N以上。
上述线材中氧含量要小于5ppm，这是因为：线材中氧的含量越小，则相应的线材越软(根据第二焊点的表现)；同样地在保护气体下得到的变形球(Free air ball，FAB)的硬度也越低。这可能是因为氧在铜中的存在会增加其硬度。对于第一焊点，即使是在forminggas的保护下打线，其中的氢气能够还原部分铜中的氧，但FAB仍然含有相当的氧含量，而FAB中的残留氧是造成球硬度增加的主要原因；在本发明中，铜中的氧包含铜材初始氧A和在火花放电形成FAB过程中源于大气中的氧B，该氧B可能以氧化铜的形式存在。
当线材中的磷含量为4～200ppm时，在第一焊形成过程中，磷能和铜线中的氧A以及大气中的氧B(虽然有保护气体，但仍然存在大气中的氧扩散到FAB表面氧化FAB的可能)反应消耗掉氧从而保护铜FAB不被氧化，降低FAB的硬度。当P的含量大于40ppm时，第一焊点的打线可以在纯氮的气氛下进行。但当P的含量高于200ppm时，线材变得太硬，第二焊点需要很大参数才行，会造成工艺窗口过窄。
线材中包含0.1～2ppm钨，这是由于钨和硫(铜线中的杂质)所生成的W2S有催化H2S氧化的作用(其中H2S源自Forming gas中的H2与铜线中CuS杂质的反应)，请参见以下的两个化学反应方程式，W2S作为催化剂，能催化H2S转变成单原子S，因此会进一步降低FAB中氧和硫的含量，降低FAB的硬度而优化打线性能。
H2S+3/2O2→SO2+H2O 反应1
2H2S+SO2→3/xSx 0+2H2O 反应2
显然为了发挥钨的催化功能，线材中硫的含量也需要调节到1-10ppm之间，当硫含量小于1ppm时，钨的作用无从发挥，而大于10ppm时，则线材会变脆，对拉线和打线都不利。当硫的含量在1～10ppm时，以Cu2S和CuS形式存在的S，首先被转化为H2S，然后根据反应1、2在W2S的作用下变为单质S，随气流带走，从而极大地降低了FAB中硫和氧的含量，降低了FAB的硬度。
在本实施例中，还包括银，含量为8～250ppm；且该银的纯度在99.99％以上。银的引入可以使线材变软，这主要体现在第一焊点打线操作窗口变宽，在比较低的超声功率下也可以获得良好的焊接效果。超声在焊线中的作用主要有：1、软化线材；2、促使FAB与ICpad铝表面之间的摩擦。加入的Ag大多存在于晶界、位错(dislocation)等晶体缺陷部位，而超声的吸收也主要是在晶界、位错(dislocation)位置，由于银的引入极大地改变了这些缺陷部位的特性，使得这些缺陷部位变形更加容易，整体表现为线材更容易变形，在恒定的焊接力作用下(bonding force)与IP Pad能形成更紧密的接触，另外银也存在向FAB表面偏析的现象，FAB表面的银能更迅速地扩散到Pad的铝层中而形成焊接作用。
在该线材外表面还可以设有有机涂层，该有机涂层的其主要成分包括：有机胺、阳离子表面活性剂与非离子表面活性剂的复配物。这两者的结合能确保有机涂层拥有一定的厚度和结构及相应的牢固性以确保所得到的铜线拥有足够的车间寿命的保存期(Shelflife)，在本实施例中，该有机涂层的厚度为0.2～2.5nm，而本发明提供的IC封装用超软键合丝的直径可以为18～50微米。
有机胺的存在有利于与表面被氧化或者硫化而处于离子态的铜离子形成配合物，在具体实施时，有机胺可以选自单乙醇胺、双乙醇胺、三乙醇胺、单甲胺、双甲胺、三甲胺、咪唑、苯并三氮唑中的至少一种。
而阳离子表面活性剂与非离子表面活性剂的复配物最终吸附与线材表面能起到以下作用：
1、润滑作用，降低线材与机器之间的摩擦力，减少线材的表面磨损；
2、抗氧化，硫化作用，提高铜线的floor life以及防止铜线之间的黏线和卡线，提升放线能力。
在具体实施例时，阳离子表面活性剂可以选自氯化十六烷基三甲基铵、氯化十八烷基三甲基铵、含硫阳离子表面活性剂中的至少一种；该非离子表面活性剂可以选自辛基酚聚氧乙烯醚，月桂醇聚氧乙烯醚中的至少一种。
如图1所示，本发明还提供一种IC封装用超软键合丝的制造方法，其特征在于，包括：
S1、将原料按预定的比例进行熔炼，得到氧含量为0～5ppm，钨含量为0.1～2ppm，硫含量为1～10ppm，磷含量为4～200ppm，余量为高纯铜的线材；
S2、将该线材行多次拉丝，并在多次拉丝过程中对该线材进行退火处理，得到直径为18～50um的键合丝；
S3、对该直径为18～50um的键合丝进行最后一次退火处理。
该步骤S1中得到的线材还包括银，含量为8～250ppm。具体来说，在步骤S1中可以按预先确定的比例将高纯铜、含磷铜预合金、含银铜预合金、含钨铜预合金混合，通过调整真空熔炼的真空度，最终获得6-8mm线材；该线材中的氧含量为0～5ppm，钨含量为0.1～2ppm，硫含量为1～10ppm，磷含量为4～200ppm，银含量为8～250ppm。
而在步骤S2或S3中，进行退火处理时，其工艺条件为：退火温度450～600℃，退火炉有效长度为600mm，退火速度为50～100m/min。
此外，还包括步骤S4，将完成最后一次退火处理的键合丝浸入并通过盛有机涂层溶液的槽，在该键合丝外表面形成厚度为0.2～2.5nm的有机涂层。在具体实施时，可以通过调整槽的宽度和走丝的速度来变化键合丝与有机涂层液的接触时间从而控制有机涂层的厚度；此外键合丝出槽后，可以经过风冷后收线。
上述有机涂层溶液的组份按重量百分比计包括：有机溶剂15～30％，水60～70％，有机胺5～18％，阳离子表面活性剂与非离子表面活性剂的复配物0.005～0.2％。
其中，该有机溶剂为选自乙醇、异丙醇中的至少一种；该有机胺选自单乙醇胺、双乙醇胺、三乙醇胺、单甲胺、双甲胺、三甲胺、咪唑、苯并三氮唑中的至少一种；该阳离子表面活性剂选自氯化十六烷基三甲基铵、氯化十八烷基三甲基铵、含硫阳离子表面活性剂中的至少一种；该非离子表面活性剂选自辛基酚聚氧乙烯醚，月桂醇聚氧乙烯醚中的至少一种。
本发明提供的IC封装用超软键合丝及其制造方法，通过直接调整线材中的氧含量和通过引入磷，借助其去氧能力，,通过引入钨、硫并进一步利用forming gas中氢的还原性，降低FAB中的氧含量，降低了FAB的硬度。此外，在上述添加物的基础上，添加了8～200ppm的银，提升了线材的超声软化效能和与IC铝材料的结合能力，拓宽了打线工作窗口，由于操作窗口的拓宽，使得该IC封装用超软键合丝也能应用于多芯片叠片封装中的悬空打线。
本发明提供的IC封装用超软键合丝及其制造方法，还采用了一种有机混合膜，保护铜材被氧化和硫化，提升产品的车间寿命，第二焊点的可焊接性，减少了线材表面的划伤以及放线性能。
为了更好地理解本发明，下面结合具体的试验进一步阐明本发明的内容。
采用纯度为99.99％的铜作为原料(氧含量大于200ppm)，通过熔铸过程将下表1中的添加剂加入，其中氧、硫的含量由熔炼的真空度控制；通过常用拉丝退火工艺得到直径为15～25um之间的铜合金键合丝。
表1 线材元素添加试验
将根据表1制得的铜合金键合丝在Forming gas条件下烧球得到的FAB，针对试验序号1～3的Vicker Hardness数据如下表2所示。
表2 FAB Vicker硬度值
FAB Vicker Hardness测定条件为：5g,10s。请同时参照图2，图2为本发明实施例的FAB Vicker Hardness压痕图片，由此可见，氧含量越高，线材的硬度值也越高。
请参照图3，图3为本发明键合丝与标准4N铜线在第一焊点工作窗口的比较，具体的是上述试验2和试验4所得到的铜线的操作窗口，可见银的添加能拓宽打线工作窗口，且由于操作窗口的拓宽，使得该IC封装用超软键合丝也能应用于多芯片叠片封装中的悬空打线。
上述操作窗口的判断标准：一般地当第一焊点出现球起(NSOP)/(Ball lift)则认为打线参数太小，必须提高bonding force(打线力)，bonding power(打线超声功率)和打线时间，在本试验中打线时间固定，当第一焊点出现表面金属层的破损Pad Peeling/弹坑(Dielectric Crack)时则认为打线参数太大，这之间的区域为工作窗口，由于打线时间已经固定，所以窗口主要就打线力和打线超声功率来谈。
以试验5的配方制作线材5，分两批制作，第一批采用常规制作方式，即上述步骤S1至S3，第二批则在最后退火工序后，增加步骤S4，即在线材的外表面形成有机涂层。
在本试验中，有机涂层溶液的组份按重量百分比计，包括：有机溶剂20％，水70％，有机胺9.8％，阳离子表面活性剂与非离子表面活性剂的复配物0.2％。
其中，有机溶剂为异丙醇；有机胺为单乙醇胺与咪唑，其中单乙醇胺的重量百分比为8％，咪唑的重量百分比为1.8％；阳离子表面活性剂采用氯化十八烷基三甲基铵，其重量百分比为0.05％，非离子表面活性剂为辛基酚聚氧乙烯醚，其重量百分比为0.15％。
有机涂层的厚度是通过槽的宽度和走丝的速度来调整的，本试验中有效水槽宽度为0.8m；走丝速度为60m/min。此时，两种铜线的耐摩擦性、放线性能和车间寿命的比较结果如下表3所示：
表3 有机涂层的影响
其中，耐摩性能测试是指：按快速打线材模式(18*25.4*100um/s＝0.045m/s)进行打线操作，每隔10m,停机取样观察线材，500m打完看到表面划痕的次数。
放线性能测试是指：按照行业标准YS/T 678-2008进行检测，500m线材放完后出现卡线的频率。
车间寿命测试是指：在常温下放置，每天进行打线测试(采用Forminggas),开始出现偏心球的那天为其车间寿命。
可见，有机涂层的添加能增加键合丝的耐磨性能，减少卡线的频率，同时延长其车间寿命。
以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (12)

1.一种IC封装用超软键合丝，其特征在于，线材中的氧含量为0～5ppm，钨含量为0.1～2ppm，硫含量为1～10ppm，磷含量为4～200ppm，余量为纯度为4N以上的高纯铜。
2.根据权利要求1所述IC封装用超软键合丝，其特征在于，在所述线材外表面还设有有机涂层，所述有机涂层的成分包括：有机胺、阳离子表面活性剂与非离子表面活性剂的复配物。
3.根据权利要求2所述IC封装用超软键合丝，其特征在于，所述有机胺选自单乙醇胺、双乙醇胺、三乙醇胺、单甲胺、双甲胺、三甲胺、咪唑、苯并三氮唑中的至少一种；所述阳离子表面活性剂选自氯化十六烷基三甲基铵、氯化十八烷基三甲基铵、含硫阳离子表面活性剂中的至少一种；所述非离子表面活性剂选自辛基酚聚氧乙烯醚，月桂醇聚氧乙烯醚非离子中的至少一种。
4.根据权利要求2所述IC封装用超软键合丝，其特征在于，所述有机涂层的厚度为0.2～2.5nm。
5.一种IC封装用超软键合丝，其特征在于，线材中的氧含量为0～5ppm，钨含量为0.1～2ppm，硫含量为1～10ppm，磷含量为4～200ppm，银含量为8～250ppm，余量为纯度为4N以上的高纯铜。
6.根据权利要求5所述IC封装用超软键合丝，其特征在于，所述银的纯度在99.99％以上。
7.一种IC封装用超软键合丝的制造方法，其特征在于，包括：
S1、将原料按预定的比例进行熔炼，得到氧含量为0～5ppm，钨含量为0.1～2ppm，硫含量为1～10ppm，磷含量为4～200ppm，余量为纯度为4N以上的高纯铜的线材；
S2、将所述线材进行多次拉丝，并在多次拉丝过程中对所述线材进行退火处理，得到直径为18～50um的键合丝；
S3、对所述直径为18～50um的键合丝进行最后一次退火处理。
8.根据权利要求7所述IC封装用超软键合丝的制造方法，其特征在于，还包括步骤S4，将完成最后一次退火处理的键合丝浸入并通过盛有机涂层溶液的槽，在所述键合丝外表面形成厚度为0.2～2.5nm的有机涂层。
9.根据权利要求7所述IC封装用超软键合丝的制造方法，其特征在于，在所述步骤S2或S3中，进行所述退火处理时，退火温度450～600℃，退火炉有效长度为600mm，退火速度为50～100m/min。
10.根据权利要求8所述IC封装用超软键合丝的制造方法，其特征在于，所述有机涂层溶液的组份按重量百分比计包括：有机溶剂15～30％，水60～70％，有机胺5～18％，阳离子表面活性剂与非离子表面活性剂的复配物0.005～0.2％。
11.根据权利要求10所述IC封装用超软键合丝的制造方法，其特征在于，所述有机溶剂为选自乙醇、异丙醇中的至少一种；所述有机胺选自单乙醇胺、双乙醇胺、三乙醇胺、单甲胺、双甲胺、三甲胺、咪唑、苯并三氮唑中的至少一种；所述阳离子表面活性剂选自氯化十六烷基三甲基铵、氯化十八烷基三甲基铵、含硫阳离子表面活性剂中的至少一种；所述非离子表面活性剂选自辛基酚聚氧乙烯醚，月桂醇聚氧乙烯醚中的至少一种。
12.一种IC封装用超软键合丝的制造方法，其特征在于，包括：
S1、将原料按预定的比例进行熔炼，得到氧含量为0～5ppm，钨含量为0.1～2ppm，硫含量为1～10ppm，磷含量为4～200ppm，银含量为8～250ppm，余量为纯度为4N以上的高纯铜的线材；
S2、将所述线材进行多次拉丝，并在多次拉丝过程中对所述线材进行退火处理，得到直径为18～50um的键合丝；
S3、对所述直径为18～50um的键合丝进行最后一次退火处理。
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