CN105772612A - 一种金包铜复合丝的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种金包铜复合丝的制备方法,属于金属复合丝材制备技术领域。本发明以软态无氧铜杆为芯材,先将经过表面处理的金管套在铜芯杆上,为了避免旋锻时模块高速旋转锻打对金/铜杆坯包覆金层带来的损伤,在杆坯外增加软态纯铝管保护套,组装成铝/金/铜复合线坯;对该复合杆坯进行多道次旋锻加工,再对旋锻后的复合线材进行拉拔,然后采用化学或机械方法除去外层铝获得金包铜复合线材,并进行扩散退火使金/铜界面达到冶金结合状态;最后将退火后的复合线材进行多道次拉拔加工,得到质量良好的超细金包铜复合丝材。本发明生产设备简单、灵活性大、模具寿命长、成本低,能生产出包覆金层厚度可控、横断面面积包覆比可调的金包铜复合丝材。
Description
技术领域
本发明涉及一种双金属层状复合丝材的制备方法,特别是提供了一种金包铜复合丝的制备方法。
背景技术
键合丝作为封装用内引线,是集成电路和半导体分立器件的关键基础材料之一,键合金丝因具有优异的导电导热性能、耐蚀性能、键合性能和加工性能,在键合丝市场占主导地位[田春霞.电子封装用导电丝材料及发展.稀有金属,2003,No.27,p.782~787]。随着电子信息技术的高速发展,半导体器件和集成电路的封装朝着多引线化、高度集成化、小型化和低成本方向发展,对键合金丝的经济技术指标提出越来越高的要求。但由于金的价格贵、密度大,人们一直致力于采用金包覆银铜铝等金属复合丝材的研究,其中,金包铜复合丝兼有金优良的抗氧化、耐腐蚀性能与铜优异的导电导热和力学性能、价格低廉等优势,可望取代金丝应用于超大规模集成电路的高密度封装。
现有金包铜复合丝的制备方法多采用电镀法在冷加工成形的铜丝表面镀上金层,然后通过扩散退火制备满足使用要求的金包铜复合丝[UnoTomohiro,YamamotoYukihiro.Bondingwireforsemiconductordevice.JP,2007123597[P].2007.05.17;赵碎孟,周钢,薛子夜.一种防氧化的铜基键合丝的制备工艺.中国发明专利,申请号:ZL201110317098.X,公开日:2012.01.18]。但是电镀法存在的问题是:(1)镀层成分不纯、不致密、厚度不均导致镀层与铜芯同轴度不高;(2)镀层与铜芯的界面结合强度低;(3)工艺较为复杂、周期长;(4)电镀法环境负荷较大。另外,高性能金包铜复合丝的制备方法采用反向凝固方法制备金包铜复合线坯,然后进行拉拔加工制备复合丝材,由于所制备的复合线坯具有良好冶金结合的金铜界面,有利于后续加工和制备高性能的金包铜复合丝[姜雁斌,谢建新.一种高性能金包铜键合微丝的制备方法.中国发明专利,申请号:CN201410461599.9,公开日:2014.09.12];但是,这种方法在金包铜复合线坯制备过程中,由于金和铜的熔点较为接近(相差20℃),金铜界面反应迅速,存在铜芯易被过度熔化、包覆层厚度和成分以及界面结合质量(如易生成金属间化合物)控制难度大等问题。
发明内容
为了解决上述工艺存在的问题,本发明的目的是提供一种采用冷旋锻和扩散退火对金包铜进行高效复合,然后采用拉拔加工制备金包铜复合丝的方法。该方法不仅生产设备简单、灵活性大、成本低,而且生产的金包铜复合丝包覆金层厚度可控、界面结合质量良好,适合于制备超细金包铜复合丝材。
为了达到上述目的,本发明的技术方案是:以软态无氧铜杆为芯材,先将经过表面处理的金管套在铜芯杆上,为了避免旋锻时模块高速旋转锻打对金/铜杆坯包覆金层带来的损伤,在杆坯外增加软态纯铝管保护套,组装成铝/金/铜复合线坯;对该复合杆坯进行多道次旋锻加工,为了进一步提高复合线坯的界面结合质量,可对旋锻后的复合线材进行拉拔,然后采用化学或机械方法除去外层铝获得金包铜复合线材,并进行扩散退火使金/铜界面达到冶金结合状态;最后将退火后的复合线材进行多道次拉拔加工,制备包覆金层厚度可控、界面结合质量良好的超细金包铜复合丝材。
本发明的具体制备步骤如下:
(1)表面处理:以软态无氧铜杆为芯材,对图1中铜芯杆1和金管2进行表面处理,包括除油、酸洗和钢丝刷打磨。使用5%NaOH溶液对金管和铜芯杆进行除油,然后采用10%HCl溶液进行酸洗;为提高效率,只需采用钢丝刷对铜芯杆1的外表面和金管2的内表面进行打磨处理。除油后若表面较洁净且氧化物较少,则可省掉酸洗的步骤,直接进行钢丝刷打磨,以暴露出新鲜金属基体为目的;
(2)复合坯料组装:将步骤(1)中经过表面处理的金管2套在铜芯杆1上,二者间隙(称为套管间隙,定义为金管内径与铜芯杆直径差值的二分之一)为0.1~1.0mm(在能够顺利装配的前提下尽量减小两者的间隙);在金管2外表面均匀涂上润滑油(如石墨乳等)后,将保护管3(软态纯铝)套在金/铜坯料上,作为金/铜坯料的保护套,形成铝/金/铜杆坯,保护套可以避免后续旋锻时模块高速旋转锻打对杆坯包覆金层带来的损伤,其中保护管3与金管2间隙为0.1~1.0mm。金管和铜芯的尺寸可根据实际使用需求而定。为了提高旋锻复合质量,避免因结合性能差需要切除较长头部和尾部而造成浪费,本发明一方面要将铝/金/铜杆坯经过模具进行拉拔,以实现铝/金/铜线坯的紧密装配,模具定径带直径要比铜芯直径+2倍金管厚度+2倍保护管厚度三者之和还要小0.5~1.0mm。另一方面要采用嵌入式加工条件对金管2和铜芯1进行复合,即保证金管2两端应比铜芯杆1短,旋锻过程中金管2在锻造压力作用下嵌入铜芯1基体内,有利于改善金层与铜芯的结合状态,提高结合质量和成材率;
(3)旋锻复合:为防止步骤(1)中打磨出的新鲜金属被氧化,应在打磨后尽快将步骤(2)中的铝/金/铜杆坯进行室温旋锻加工,得到铝/金/铜复合线材,旋锻时道次变形量(按变形前后铝/金/铜复合线的横断面面积之差除以变形前复合线的横断面面积计算)为20~50%,总变形量为50~90%,出料速度为1~3m/min。根据需要,可将旋锻后的复合线材进行变形量10~20%的拉拔加工,有利于进一步提高复合线材金层和铜芯的界面结合质量;然后采用化学方法(如氢氧化钠溶液除去铝层)或机械剥离法除去外层铝,获得金包铜复合线材;
(4)扩散退火:对步骤(3)中的金包铜复合线材进行扩散退火,退火温度为150~250℃,退火时间为4~12h,目的是使复合线材中金和铜原子发生互扩散,形成冶金结合良好的金/铜界面,有利于提高复合线材的结合质量和后续拉拔加工性能;
(5)拉拔加工:对步骤(4)中退火后的金包铜复合线材进行拉拔加工,制备直径为20~70μm的金包铜复合微丝;直径为0.2mm以上时,单道次变形量为15~30%,拉拔速度为3~50m/min;直径为0.2mm以下时,单道次变形量为3~10%,拉拔速度为2~20m/min;
根据材料最终性能或后续加工的需要可在步骤(5)中施加中间退火,退火温度为100~400℃,退火时间为5~30min。
本发明的优点在于:
(1)本发明利用旋锻局部变形区高频锻打、在三向压应力状态下变形的特点,可实现金和铜的大变形量加工复合,形成大面积紧密接触的新鲜金层和铜芯金属,并结合扩散退火形成冶金结合良好的金铜界面,提高复合线材的界面结合强度和后续拉拔加工性能;
(2)本发明在金/铜线坯外增加纯铝套作为保护套,可避免旋锻时模块高速旋转锻打对金/铜复合线坯包覆金层带来的损伤,有利于金包铜复合线材的后续拉拔加工,提高成材率;
(3)本发明生产设备简单、灵活性大、模具寿命长、成本低,根据实际需求设计不同尺寸的金管和铜芯材,就能生产出包覆金层厚度可控、横断面面积包覆比可调的金包铜复合丝材。
附图说明:
结合附图对本发明的工艺作进一步说明:
图1:旋锻复合工艺示意图:
图中标号:1-铜芯杆;2-包覆金层;3-保护套(纯铝);4-锻模;5-复合线材。
图2:金包铜复合丝制备的工艺流程图
具体实施方式
实施例1:Ф50μm金包铜复合丝的制备。
(1)表面处理:以Ф16mm无氧铜杆为芯材、Ф17×0.4mm的金管为包覆层、Ф20×1.0mm的软态纯铝管为保护套,使用5%NaOH溶液对金管和铜芯杆进行除油,采用10%HCl溶液对铜杆进行酸洗,然后使用钢丝刷对金管的内表面和铜芯杆的外表面进行打磨出新鲜的金属基体。
(2)复合坯料组装:将步骤(1)中经过表面处理的金管套在铜芯杆上,在金管外表面均匀涂上润滑油后,将纯铝管套在金/铜坯料上。然后将组装的铝/金/铜坯料经过定径带直径为18mm的模具进行拉拔,完成铝/金/铜坯料的紧密装配。
(3)旋锻复合:将步骤(2)中的铝/金/铜复合坯料进行多道次室温旋锻加工获得复合线材,旋锻时总变形量为90%,道次变形量为25~30%,出料速度为1~2m/min。采用氢氧化钠溶液或者机械剥离法除去旋锻后复合线材的外层铝,获得金包铜复合线材;
(4)扩散退火:对步骤(3)中制备的金包铜复合线材进行扩散退火,退火温度为250℃,退火时间为10h;
(5)拉拔加工:对步骤(4)中退火后的金包铜复合线材进行拉拔加工,制备直径为50μm的金包铜复合丝材,横断面金层面积包覆比为9.8%;直径为0.2mm以上时,单道次变形量为20~30%,拉拔速度为10~30m/min;直径为0.2~0.05mm时,单道次变形量为5~10%,拉拔速度为5~10m/min;
(6)在步骤(5)的加工过程中,当拉拔总变形量达到95%时,对金包铜复合微丝进行中间退火,退火温度为300℃,退火时间为5~30min。
实施例2:Ф20μm金包铜复合微丝的制备。
(1)表面处理:以Ф10mm无氧铜杆为芯材、Ф11×0.3mm的金管为包覆层、Ф14×1.0mm的软态纯铝管为保护套,使用5%NaOH溶液对金管和铜芯杆进行除油,采用10%HCl溶液对铜杆进行酸洗,然后使用钢丝刷对金管的内表面和铜芯杆的外表面进行打磨出新鲜的金属基体。
(2)复合坯料组装:将步骤(1)中经过表面处理的金管套在铜芯杆上,在金管外表面均匀涂上润滑油后,将纯铝管套在金/铜坯料上。然后将组装的铝/金/铜坯料经过定径带直径为12mm的模具进行拉拔,完成铝/金/铜坯料的紧密装配。
(3)旋锻复合:将步骤(2)中的铝/金/铜复合坯料进行多道次室温旋锻加工获得复合线材,旋锻时总变形量为90%,道次变形量为25~30%,出料速度为1~2m/min。将旋锻后的复合线材进行变形量20%的拉拔加工,然后采用氢氧化钠溶液或者机械剥离法除去外层铝,获得金包铜复合线材;
(4)扩散退火:对步骤(3)中制备的金包铜复合线材进行扩散退火,退火温度为250℃,退火时间为10h;
(5)拉拔加工:对步骤(4)中退火后的金包铜复合线材进行拉拔加工,制备直径为20μm的金包铜复合丝材,横断面金层面积包覆比为11.6%;直径为0.2mm以上时,单道次变形量为20~30%,拉拔速度为10~30m/min;直径为0.2~0.05mm时,单道次变形量为5~10%,拉拔速度为5~10m/min;直径为0.05~0.02mm时,单道次变形量为3~5%,拉拔速度为2~5m/min。
(6)在步骤(5)的加工过程中,当拉拔总变形量达到95%时,对金包铜复合丝进行中间退火,退火温度为300℃,退火时间为5~30min。
Claims (6)
1.一种金包铜复合丝的制备方法,其特征在于以软态无氧铜杆为芯材,先将经过表面处理的金管套在铜芯杆上,在杆坯外增加软态纯铝管保护套,组装成铝/金/铜复合线坯;对该复合杆坯进行多道次旋锻加工,对旋锻后的复合线材进行拉拔,然后采用化学或机械方法除去外层铝获得金包铜复合线材,并进行扩散退火使金/铜界面达到冶金结合状态;最后将退火后的复合线材进行多道次拉拔加工,制备包覆金层厚度可控、界面结合质量良好的超细金包铜复合丝材。
2.如权利要求1所述一种金包铜复合丝的制备方法,其特征在于具体制备步骤如下:
(1)表面处理:以软态无氧铜杆为芯材,对铜芯杆(1)和金管(2)进行表面处理,包括除油、酸洗和钢丝刷打磨;使用5%NaOH溶液对金管和铜芯杆进行除油,然后采用10%HCl溶液进行酸洗;采用钢丝刷对铜芯杆(1)的外表面和金管(2)的内表面进行打磨处理;
(2)复合坯料组装:将步骤(1)中经过表面处理的金管(2)套在铜芯杆(1)上,套管间隙为0.1~1.0mm;在金管(2)外表面均匀涂上润滑油后,将保护管(3)套在金/铜坯料上,作为金/铜坯料的保护套,形成铝/金/铜杆坯,其中保护管(3)与金管(2)间隙为0.1~1.0mm;金管和铜芯的尺寸根据实际使用需求而定;
(3)旋锻复合:为防止步骤(1)中打磨出的新鲜金属被氧化,应在打磨后尽快将步骤(2)中的铝/金/铜杆坯进行室温旋锻加工,得到铝/金/铜复合线,旋锻时道次变形量为20~50%,按变形前后铝/金/铜复合线的横断面面积之差除以变形前复合线的横断面面积计算,总变形量为50~90%,出料速度为1~3m/min;然后采用化学方法或机械剥离法除去外层铝,获得金包铜复合线材;
(4)扩散退火:对步骤(3)中的金包铜复合线材进行扩散退火,退火温度为150~250℃,退火时间为4~12h,目的是使复合线材中金和铜原子发生互扩散,形成冶金结合良好的金/铜界面,有利于提高复合线材的结合质量和后续拉拔加工性能;
(5)拉拔加工:对步骤(4)中退火后的金包铜复合线材进行拉拔加工,制备直径为20~70μm的金包铜复合微丝;直径为0.2mm以上时,单道次变形量为15~30%,拉拔速度为3~50m/min;直径为0.2mm以下时,单道次变形量为3~10%,拉拔速度为2~20m/min。
3.如权利要求2所述一种金包铜复合丝的制备方法,其特征在于步骤(2)中的复合坯料组装过程中要将铝/金/铜杆坯经过模具进行拉拔,以实现铝/金/铜线坯的紧密装配,模具定径带直径要比铜芯直径+2倍金管厚度+2倍保护管厚度三者之和还要小0.5~1.0mm;同时还要采用嵌入式加工条件对金管(2)和铜芯(1)进行复合,即保证金管(2)两端要比铜芯杆短,旋锻过程中金管(2)在锻造压力作用下嵌入铜芯(1)基体内,有利于改善金层与铜芯的结合状态,提高结合质量和成材率。
4.如权利要求2所述一种金包铜复合丝的制备方法,其特征在于步骤(3)所述铝/金/铜复合线旋锻后的复合线材根据需要将再进行变形量10~20%的拉拔加工,有利于进一步提高复合线材金层和铜芯的界面结合质量。
5.如权利要求2所述一种金包铜复合丝的制备方法,其特征在于步骤(5)中退火后的金包铜复合线材进行拉拔加工过程中,根据材料最终性能或后续加工的需要,要在步骤(5)中施加中间退火,退火温度为100~400℃,退火时间为5~30min。
6.如权利要求2或3所述一种金包铜复合丝的制备方法,其特征在于保护管为软态纯铝管。
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