CN105161476B - 一种用于细间距ic封装的键合铜丝及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于细间距IC封装的键合铜丝，该键合铜丝由纯度为4N以上且主体氧含量≤5ppm（重量）的铜制成，该键合铜丝的晶体大小呈正态分布，晶体平均粒径为1.6－1.8微米。优选键合铜丝内的孪晶密度小于35%。本发明还提供上述用于细间距IC封装的键合铜丝的制造方法。本发明的键合铜丝硬度极低，并且球焊时得到的变形球的真圆度高，可靠性高，适合于芯片细间距封装的需要。

Description

一种用于细间距IC封装的键合铜丝及其制造方法
技术领域
本发明涉及IC封装用的键合丝，具体涉及一种用于细间距IC封装的键合铜丝及其制造方法。
背景技术
键合丝(bonding wire)是在IC工业中作为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。当芯片中的晶体管尺寸在不断降低(现在最尖端的logic芯片，其最小特征尺寸为14、16nm)时，自然其芯片上焊盘的尺寸也会缩小，而通常键合丝的直径是焊盘尺寸的1/3，键合丝烧球FAB(free air ball，自由空气球)的直径为焊线直径的1.8－2.0倍，变形球(Squashed FAB)直径是键合丝直径的2.5－2.8倍。为满足高端芯片细间距的键合封装要求，显然键合丝的直径也要下降，目前IC封装中最细的铜丝为0.6mil(约15微米)。
铜线与金线和银合金线不同，在球焊接过程中，即使得到真圆度高的FAB，后续压球过程中形成的变形球比其它线材(键合丝)更容易出现变形球不圆的情况，容易导致变形不圆的变形球的边缘超出IC焊盘(Pad)的范围，在细间距的封装中(如0.9mil以下)容易导致相邻的两个变形球接触而发生短路。为克服该问题，日本Nippon Steel Materials公司的专利(US20110011618A1)提出了加入搀杂磷元素(P)借以细化晶粒，从而起到增加变形球圆度的作用，然而增加搀杂磷元素同时也会增加铜线的硬度，加之铜线本身固有的问题之一就是硬度高，因而会引起IC焊盘之下的非介电层破裂。因此行业内急需一种变形球圆度高，同时硬度低的键合铜丝。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于细间距IC封装的键合铜丝以及这种键合铜丝的制造方法，这种键合铜丝硬度极低，并且球焊时得到的变形球的真圆度高，可靠性高，适合于芯片细间距封装的需要。采用的技术方案如下：
一种用于细间距IC封装的键合铜丝，其特征在于所述键合铜丝由纯度为4N以上且主体氧含量≤5ppm(重量)的铜制成，该键合铜丝的晶体大小呈正态分布，晶体平均粒径为1.6－1.8微米。
上述主体氧含量是总氧含量减去表面氧含量后，其内部主体组织的含氧量。
优选上述键合铜丝的中心区域(即1/2半径范围内)主要由长轴晶和球形度高的小晶体组成，其中长轴晶是指纵横比大于3.5、折算直径在5.5微米以上的晶体，球形度高的小晶体是指折算直径在3微米以下、纵横比小于2.5的晶体。
优选上述键合铜丝内的孪晶密度小于35％。
优选上述键合铜丝的直径为15－25微米(um)。
上述键合铜丝用于细间距IC封装时，通常在N2或者Forming gas下进行球焊。
本发明还提供上述用于细间距IC封装的键合铜丝的一种制造方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)熔铸：将纯度为4N以上且主体氧含量≤5ppm(重量)的铜，经过真空熔炼和定向连续拉工艺，获得直径为6－8毫米(mm)的线材；
(2)拉丝：对步骤(1)得到的线材进行拉丝，获得直径为15－25微米(um)的键合铜丝；
在拉丝过程中，对线材进行一次中间退火，中间退火在拉丝至直径为0.1100－0.0384毫米(mm)时进行，在退火过程中采用N2(氮气)做为退火气氛，退火炉有效长度为500－800毫米(mm)，退火温度480－510℃，退火速度为50－100米/分钟(m/min)；
(3)最后退火：拉丝完成后，对键合铜丝进行最后退火，在退火过程中采用N2(氮气)做为退火气氛，退火炉有效长度为500－800毫米(mm)，退火温度为510－530℃，退火速度为60－110米/分钟(m/min)；
(4)冷却：最后退火结束后，将键合铜丝置入水中冷却至20－30℃，得到所需的键合铜丝。
本发明的键合铜丝与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)通过控制铜的纯度以及键合铜丝的主体氧含量，可有效降低键合铜丝的硬度(当键合铜丝中的主体氧含量≤5ppm且铜的纯度≥4N时，该键合铜丝表现出很低的硬度)；
(2)本发明的键合铜丝球焊时得到的变形球的真圆度高，产品可靠性高，适合于高端芯片细间距封装的需要。
(3)通过对拉丝退火工艺的参数控制，尤其对中间退火次数以及中间退火点的选择，以及对退火温度的控制，使得获得的键合铜丝有特殊的组织结构，主要是在键合丝的中心部位主要由细长晶和圆度高的小晶体组成，这种结构的形成机理可以简单地概括为：线材在拉丝过程中积累了足够的变形量，借以中间退火的过程中的参数调整，使得退火中恢复(Recovery)和再结晶这两个子过程得到优化，使得两种子过程得到了合理范围内的进行。这种结构的键合铜丝在烧球过程中所形成的FAB的结构具有更好的对称性和较合适的晶体数目，从而保证了好的变形对称性(圆度)和软度特性。相对而言，当退火过程强度太大时，会导致中间细长晶的消失；当退火强度不足时，又无法有效形成数量合适的直径小、圆度高的晶体。
附图说明
图1是本发明实施例1的键合铜丝、对比例1的键合铜丝和对比例2的键合铜丝的Vicker硬度测试图(图1中1a为实施例1键合铜丝的Vicker硬度测试图,1b为对比例1键合铜丝的Vicker硬度测试图,1c为对比例2键合铜丝的Vicker硬度测试图)；
图2是本发明实施例1的键合铜丝、对比例1的键合铜丝和对比例2的键合铜丝的变形球真圆度测试结果(图2中2a为实施例1键合铜丝球焊后的变形球，2b为对比例1键合铜丝球焊后的变形球，2c为对比例2键合铜丝球焊后的变形球)；
图3是本发明实施例1的键合铜丝和对比例2的键合铜丝的晶体结构特征的EBSD图(图3中3a为实施例1键合铜丝的晶体结构特征的EBSD图，3b为对比例2键合铜丝的晶体结构特征的EBSD图)；
图4是本发明实施例1的键合铜丝和对比例2的键合铜丝的键合铜丝内部晶体尺寸分布图(后者红色为实施例1，前者蓝色为对比例2)；
图5本发明实施例1的键合铜丝和对比例2的键合铜丝的FAB剖面内部晶体ESBD图(图5中5a为实施例1键合铜丝的FAB内部晶体EBSD图，5b为对比例2键合铜丝的FAB内部晶体EBSD图)。
具体实施方式
实施例1
本实施例的用于细间距IC封装的键合铜丝的制造方法包括以下步骤：
(1)熔铸：将纯度为4N且主体氧含量为4ppm(重量)的铜，经过真空熔炼和定向连续拉工艺，获得直径为8毫米(mm)的线材；
(2)拉丝：对步骤(1)得到的线材进行拉丝(整个拉丝过程包括多次拉丝操作，经历粗拉、小拉、细拉、微拉等阶段)，获得直径为23微米(um)的键合铜丝；
在拉丝过程中，对线材进行一次中间退火，中间退火在拉丝至直径为0.0556毫米(mm)时进行，在退火过程中采用N2(氮气)做为退火气氛，退火炉有效长度为600毫米(mm)，退火温度500℃，退火速度为70米/分钟(m/min)；
(3)最后退火：拉丝完成后，对键合铜丝进行最后退火，在退火过程中采用N2(氮气)做为退火气氛，退火炉有效长度为600毫米(mm)，退火温度为520℃，退火速度为80米/分钟(m/min)；
(4)冷却：最后退火结束后，将键合铜丝置入水中冷却至25℃，得到所需的键合铜丝。
实施例2
本实施例的用于细间距IC封装的键合铜丝的制造方法包括以下步骤：
(1)熔铸：将纯度为4N且主体氧含量为3ppm(重量)的铜，经过真空熔炼和定向连续拉工艺，获得直径为8毫米(mm)的线材；
(2)拉丝：对步骤(1)得到的线材进行拉丝(整个拉丝过程包括多次拉丝操作，经历粗拉、小拉、细拉、微拉等阶段)，获得直径为23微米(um)的键合铜丝；
在拉丝过程中，对线材进行一次中间退火，中间退火在拉丝至直径为0.0384毫米(mm)时进行，在退火过程中采用N2(氮气)做为退火气氛，退火炉有效长度为600毫米(mm)，退火温度510℃，退火速度为50米/分钟(m/min)；
(3)最后退火：拉丝完成后，对键合铜丝进行最后退火，在退火过程中采用N2(氮气)做为退火气氛，退火炉有效长度为600毫米(mm)，退火温度为530℃，退火速度为60米/分钟(m/min)；
(4)冷却：最后退火结束后，将键合铜丝置入水中冷却至30℃，得到所需的键合铜丝。
实施例3
本实施例的用于细间距IC封装的键合铜丝的制造方法包括以下步骤：
(1)熔铸：将纯度为4N且主体氧含量为3ppm(重量)的铜，经过真空熔炼和定向连续拉工艺，获得直径为8毫米(mm)的线材；
(2)拉丝：对步骤(1)得到的线材进行拉丝(整个拉丝过程包括多次拉丝操作，经历粗拉、小拉、细拉、微拉等阶段)，获得直径为23微米(um)的键合铜丝；
在拉丝过程中，对线材进行一次中间退火，中间退火在拉丝至直径为0.0893毫米(mm)时进行，在退火过程中采用N2(氮气)做为退火气氛，退火炉有效长度为600毫米(mm)，退火温度490℃，退火速度为90米/分钟(m/min)；
(3)最后退火：拉丝完成后，对键合铜丝进行最后退火，在退火过程中采用N2(氮气)做为退火气氛，退火炉有效长度为600毫米(mm)，退火温度为510℃，退火速度为90米/分钟(m/min)；
(4)冷却：最后退火结束后，将键合铜丝置入水中冷却至20℃，得到所需的键合铜丝。
对比例1
本对比例的键合铜丝的制造方法包括以下步骤：
(1)熔铸：将纯度为4N且主体氧含量为380ppm(重量)的铜，经过熔炼和定向连续拉工艺，获得直径为8毫米(mm)的线材；
(2)拉丝：对步骤(1)得到的线材进行拉丝(整个拉丝过程包括多次拉丝操作，经历粗拉、小拉、细拉、微拉等阶段)，获得直径为23微米(um)的键合铜丝；
在拉丝过程中，对线材进行二次中间退火；第一次中间退火在拉丝至直径为2毫米(mm)时进行，在退火过程中采用N2(氮气)做为退火气氛，退火炉有效长度为600毫米(mm)，退火温度490℃，退火速度为55米/分钟(m/min)；第二次中间退火在拉丝至直径为0.05毫米(mm)时进行，在退火过程中采用N2(氮气)做为退火气氛，退火炉有效长度为600毫米(mm)，退火温度490℃，退火速度为55米/分钟(m/min)；
(3)最后退火：拉丝完成后，对键合铜丝进行最后退火，在退火过程中采用N2(氮气)做为退火气氛，退火炉有效长度为600毫米(mm)，退火温度为520℃，退火速度为70米/分钟(m/min)；
(4)冷却：最后退火结束后，将键合铜丝置入水中冷却至25℃，得到键合铜丝。
对比例2
对比例中，采用纯度为4N且主体氧含量为5ppm(重量)的铜作为原料。中间退火在拉丝至直径为0.1203毫米(mm)时进行，在退火过程中采用N2(氮气)做为退火气氛，退火炉有效长度为600毫米(mm)，退火温度520℃，退火速度为45米/分钟(m/min)。最后退火，在退火过程中采用N2(氮气)做为退火气氛，退火炉有效长度为600毫米(mm)，退火温度为535℃，退火速度为55米/分钟(m/min)。对比例的其余步骤与实施例1相同。
对上述实施例1－3和对比例1、2的键合铜丝进行测试，其测试结果如下：
(1)参照图1进行键合铜丝Vicker测试。键合铜丝Vicker Hardness测定条件为：5g,10s。
所得键合铜丝的硬度测试结果如表1所示
表1键合铜丝Vicker硬度值
从上述测试结果可看出，对比例1的键合铜丝硬度过高。
(2)键合铜丝在Forming gas(5％H2+95％N2)气氛下，球焊后的变形球如图2所示，球焊后的变形球圆形度表2所示
表2、变形球圆形度
样品 变形球真圆度
实施例1 ◎
对比例1 ◎
对比例2 △
变形球的真圆度分析方法如下：在用于评价的IC芯片上对每种键合铜合金丝50次键合，测量每个球在方向1(垂直于超声波作用的方向)和方向2(超声波作用的方向)的长度，这两者之差作为评价基础。△表示两者之差大于1.5um，小于2um；○表示两者之差大于1.0um，小于1.5um；◎表示两者之差大于0.5um，小于1.0um。
可见，对比例2的键合铜丝球焊时得到的变形球的真圆度低。
(3)针对实施例1、对比例2两种拉丝、退火条件下得到的键合铜丝，其内部结构EBSD测试结果如图3所示，其晶体粒径分布如图4所示。
晶体平均粒径分别为1.73(实施例1)和1.77微米(对比例2)，粒晶体分布也十分近似。但很显然，实施例1键合铜丝在其中心区域(中心线上下约正负5.75微米内)存在着标号分别为1、2、3，直径(折算为圆的)分别为7.5、5.8、6.1微米的长轴晶(沿着键合丝轴向被拉长)，其纵横比(aspert ratio)分别为：3.78、4.06和3.58.(纵横比越大，晶体越细长)；同时在该中心区域内还存在着序号从4－21的小型、圆形晶体，其晶体大小范围在0.5－3微米之间，纵横比在1.0－2.5之间。而对比例2键合铜丝就完全没有上述的特征，而且晶体间多为直线性界面，表现出退火过渡的特征。
另外在整个键合铜丝范围内，两种键合铜丝中的挛晶密度分别为32.6％(实施例1)和46.8％(对比例2)。由于挛晶是一种二维上的面缺陷，在二维的EBSD图上，晶界和挛晶都变现为线条长度，本发明的挛晶密度采用a/(a+b)(其中a为挛晶长度a，b为晶界长度，a/(a+b))表示。
实施例2、3的晶体平均粒径分别为1.68um、1.78um，挛晶密度分别为34.5％、30.1％。
参考图5，键合铜丝烧球后得到的FAB剖面的EBSD图中，也清晰地的表明了键合铜丝的内部结构对FAB内晶体结构的影响，实施例1键合铜丝内FAB的根部有更多的小晶体，晶体对成称性更高，而对比例2键合铜丝的FAB根部晶体数目小，容易造成该部位在球焊时，受力传导具有方向性造成变形不均匀。另外对比例2中FAB的晶体之间的晶界也多为直线性，这或许跟其键合丝中本身含有的挛晶密度相关，具体的相互关系比较复杂，但有可能，这些挛晶体并没有在电弧熔球中完全消失，从而影响FAB在冷却过程中的晶体形成过程。

Claims (2)

1.一种用于细间距IC封装的键合铜丝，其特征在于所述键合铜丝由纯度为4N以上且主体氧含量≤5ppm（重量）的铜制成，该键合铜丝的晶体大小呈正态分布，晶体平均粒径为1.6－1.8微米；所述键合铜丝的直径为15－25微米；所述键合铜丝的中心区域主要由长轴晶和球形度高的小晶体组成，其中长轴晶是指纵横比大于3.5、折算直径在5.5微米以上的晶体，球形度高的小晶体是指折算直径在3微米以下、纵横比小于2.5的晶体；所述键合铜丝内的孪晶密度小于35%。
2.一种用于细间距IC封装的键合铜丝的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）熔铸：将纯度为4N以上且主体氧含量≤5ppm（重量）的铜，经过真空熔炼和定向连续拉工艺，获得直径为6－8毫米的线材；
（2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为15－25 微米的键合铜丝；
在拉丝过程中，对线材进行一次中间退火，中间退火在拉丝至直径为0.1100－0.0384毫米时进行，在退火过程中采用N2做为退火气氛，退火炉有效长度为500－800毫米，退火温度480－510℃，退火速度为50－100米/分钟；
（3）最后退火：拉丝完成后，对键合铜丝进行最后退火，在退火过程中采用N2做为退火气氛，退火炉有效长度为500－800毫米，退火温度为510－530℃，退火速度为60－110米/分钟；
（4）冷却：最后退火结束后，将键合铜丝置入水中冷却至20－30℃，得到所需的键合铜丝。
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