CN106252319A - 一种铜基键合引线及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
一种铜基键合引线及其生产工艺，铜基键合引线以高纯铜基合金为基体，基体表面镀有高纯钯保护层；基体材料包含银、铟、磷、钇等微量元素；制备步骤：高纯铜熔炼—单晶铜基合金铸造—粗拉—中拉—镀钯—细拉—微拉—清洗钝化—复绕—包装。制备的铜基键合引线的力学性能、焊接性能、导电性能、导热性能、抗氧化性能等性能优异，同时线径小，适用于高密度、多引脚集成电路封装。
Description
技术领域
本发明涉及电子封装材料技术领域，尤其涉及一种电子封装用铜基键合引线的生产工艺。
背景技术
引线键合是封装工艺中半导体芯片和外界实现电气连接的关键性工艺，通过超声或热超声压焊工艺将芯片与框架引脚互联的连接线称为键合引线，常用的键合引线有金、银、铜等。无论是集成电路封装还是分立器件封装，用于芯片和框架引脚互联的键合引线都是至关重要的材料，半导体技术向小体积，高性能，高密集，多芯片方向推进，对集成电路封装引线材料的要求越来越细，要求引线具有良好的导电性、导热性，符合以上要求有金、银、铜、铝四种金属。由于金具有较好的导电性和导热性，良好的化学稳定性、延展性，易于加工到键合所需要的直径，传统的键合引线为金线。但是随着半导体工业的发展，半导体封装业正快速地向小体积，高性能，高密集，多芯片方向推进，从而对封装引线材料的要求越来越细，而超细的键合金线在键合工艺中已不能胜任窄间距、长距离键合技术指标的要求。在超细间距球形键合工艺中，由于封装引脚数的增多，引脚间距的减小，由于金的再结晶温度较低等因素的影响，超细的键合金线在键合过程中常常造成键合引线的摆动、键合断裂和塌丝现象，对器件包封密度的强度也越来越差，成弧能力的稳定性也随之下降，从而加大了键合难度。另外，近几年来，黄金价格一路爬升，给使用键合金线的厂商增加了沉重的成本压力，加大了生产及流动成本，制约了整个行业的技术提升及规模发展。传统的键合金丝已经达到了其能力极限，难以满足小线径、高强度、低弧度、长弧形、并保持良好导电导热性的要求。随着半导体产业的发展，键合金丝无论从质量上、数量上和成本上都难以满足市场的发展需求。所以国家把提高新型电子器件创新技术和工艺研发纳入国家专项实施重点规划项目，鼓励开发高科技、节能降耗、绿色环保型半导体封装新材料。
国外主要键合引线生产厂商都在积极开发新型键合线材料，研究发现，通过热型连铸连锻的生产工艺金属能加工成晶粒在整根金属棒上按一个线性方向呈柱状排列的金属材料，单方向柱状晶体材料亦即所谓的“单晶”材料，单晶金属材料并非真正意义的单晶体物质。由于其晶粒按同一线性方向呈柱状有序排列，信号通过“晶界”的衰减小，具有更好更稳定的导电、导热性能，极好的高保真信号传愉能力和超常的物理机械加工性能，是极好的半导体封装键合线材料。实验证明单方向结晶线材导电率比同直径普通线材提高10%左右，目前已工业化生产的主要有单晶铜键合引线。
单方向结晶铜用于键合引线的优势主要表现在以下几个方面：
1）晶粒呈单方向柱状排列：相对普通铜材晶粒在同一线性方向呈柱状排列，铜杆有致密的定向凝固组织，“晶界”间信号衰减小，极少有缩孔、气孔等铸造缺陷；且结晶方向与拉丝方向相同能承受更大的塑性变形，是拉制键合引线的理想材料。
2）高纯度：目前可以做到99. 9999%的纯度。
3）机械性能好：与金键合线相比具有良好的拉伸、剪切强度。铜线相对于金线具有更高的球剪切力、线弧拉力值，铜线键合球剪切力比金线高15%-25%，拉力值比金线高10%-20%，且在塑封料包封时线弧抗重弯率更强。
4）导电性好：20℃时铜的电阻率为比金低，在直径相同的条件下铜丝可以承载更大的电流，使得铜引线不仅用于功率器件，也应用于需要更小直径引线的高密度IC封装和LED封装。
5）导热性好：铜的导热性好，传热效率更高，300K时金为317W/(m·k)，铜为401 W/(m·k)。
6）低成本：铜线成本只有金线的1/10-1/20，可节约键合线成本90%以上。
不过，相对于金线，铜线化学稳定性较差，容易被氧化，铜的硬度、屈服强度等物理参数高于金线，这意味着键合时需要施加更大的超声能量和键合压力，因此容易对芯片造成损伤甚至破坏，这是铜线封装键合工艺的瓶颈。铜键合线代替金键合线是未来半导体产业发展的必然趋势，但由于铜的化学稳定性较差，易于氧化，在生产、贮存、运输以及焊接工艺上都受到一定的制约，也不太适合用于功率高、发热大的高端半导体封装（例如超大规模IC、高亮LED等）。
发明内容
针对现有生产工艺存在的不足，本发明通过向铜中添加银等微量元素，并且在键合引线表面镀上一定厚度的高纯钯，制备高性能的铜基键合引线。本发明制备的铜基键合引线有效提升铜键合引线的抗氧化性能，使其抗氧化性与键合金丝相当，大大延长铜基键合引线产品拆封后的保质期；通过铜基体中添加微量的银等金属使得铜基键合引线的力学性能更加优异，有利于进一步缩小键合丝的线径，缩短焊接间距；同时又保证了键合引线的导电性和导热性能，更加适用于高密度、多引脚集成电路封装。
为了实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种铜基键合引线，其特征在于铜基键合引线以高纯铜基合金为基体，所述的铜基键合引线基体表面镀有高纯钯保护层；所述的基体材料的各组分的重量百分比为：银含量为0.005-0.01%，铟含量为0.005-0.01%，磷含量为0.005-0.01%，钇含量0.005-0.01%，其它不可避免的杂质元素总含量小于0.0001%，余量为铜；所述的高纯钯的纯度大于99.9999%；所述的高纯钯保护层的厚度为0.3μm-0.5μm。
所述的铜基键合引线，其特征在于铜基键合引线直径为0.011-0.015mm，直径允许偏差小于±0.001mm，抗拉强度大于220MPa，伸长率大于20%，电阻率小于0.017241Ω·m。
所述的铜基键合引线的生产工艺，其特征在于包括以下制备步骤：高纯铜熔炼—单晶铜基合金铸造—粗拉—中拉—镀钯—细拉—微拉—清洗钝化—复绕—包装。
（1）高纯铜熔炼：以1号标准阴极铜为原料，采用真空电子束熔炼、凝固，去除杂质元素。
所述步骤（1）中将阴极铜装入真空电子束熔炼炉内熔炼、凝固。其中电子枪工作真空度小于5×10-3Pa，熔炼室真空度小于5×10-3Pa，加速电压100KV。牵引速度为10mm/min。制备的高纯铜铸锭的铜含量大于99.9999%。
（2）单晶铜基合金铸造：以步骤（1）中制备的高纯铜为原料，分别添加重量百分比为0.005-0.01%的纯铟、纯磷、纯钇等金属，采用热型铸造单晶设备和技术，制备单晶铜基合金杆材。
所述步骤（2）中热型铸造时的真空度小于3×10-3Pa，采用氩气作为保护气氛，热型铸造单晶设备包括熔炼室、保温室、热型铸造室组成。保温室铜液的液面高于热型铸造室结晶器5-8mm，单晶铜基合金杆的牵引速度为11-15mm/min，熔炼室、保温室、热型铸造室的温度分别是1120℃、1110℃、1105℃。
所述步骤（2）中制备单晶铜基合金杆材横向晶粒和纵向晶粒的均为1个。
（3）粗拉：将Φ12mm的单晶铜基合金杆材拉制成Φ2mm的线材。粗拉时模具的表面粗糙度Ra为 0.02μm，模具工作区模角为6°-8°，模具工作区的定径带长度为8mm。粗拉工序中采用乳液润滑，乳液的浓度为10%～12%，温度为30℃～35℃，速度为200～500m/min。
（4）中拉：将Φ2mm的线材拉制成Φ0.2mm的线材。粗拉时模具的表面粗糙度Ra为0.015μm，模具工作区模角为5°-6°，模具工作区的定径带长度为6mm。中拉工序中采用乳化润滑，乳液的浓度为15%～20%，温度为28℃～32℃，速度为500～800m/min。中拉时采用电阻内热式连续退火，退火的电压为50 V～55V。
（5）镀钯：对Φ0.2mm铜基合金线镀纯钯保护层，镀钯的纯度要求大于99.9999%，表面镀钯层控制在5μm-15μm的厚度。
（6）细拉：将Φ0.2mm的线材拉制成Φ0.02mm的丝材。细拉时模具的表面粗糙度Ra为 0.01μm，模具工作区模角为3°-5°，模具工作区的定径带长度为5mm。细拉工序中采用拉丝油润滑，拉丝油含有粒径为110-150nm的纳米石墨粉，温度为25℃～30℃，速度为1200～1500m/min。细拉采用电阻内热式连续退火，退火的电压为30 V～37V，速度为1500m/min。
（7）微拉：将Φ0.02mm的丝材拉制成Φ0.011-0.015mm的丝材。微拉时模具的表面粗糙度Ra为 0.01μm，模具工作区模角为3°-5°，模具工作区的定径带长度为3mm。微拉工序中采用拉丝油润滑，拉丝油含有粒径为110-150nm的纳米石墨粉，温度为25℃～30℃，速度为1600～2000m/min。微拉采用电阻内热式连续退火，退火的电压为20 V～23V。
（8）清洗钝化：采用1%NaOH的碱液对键合引线进行清洗，再采用超声波清洗设备对铜基键合引线进行清洗，超声波频率为100W，清洗介质采用无水酒精。铜基键合引线清洗后经70-80℃、0.30%-0.35%的苯丙三氮唑水溶液钝化处理，钝化后再进行烘干。
（9）复绕：采用绕线机，将键合引线定长绕制在两英寸直径的线轴上，绕线速度控制在150m/min-200m/min，线间距约为5毫米，分卷长度为50米至1000米。
（10）包装：采用真空吸塑包装，真空度为5×10-3Pa。
采用上述技术方案，具有以下优势：
1.本发明通过向铜中添加银、铟、磷、钇等元素，使得铜基键合引线的力学性能更加优异，有利于进一步缩小键合引线的线径，缩短焊接间距；同时又保证了键合引线的导电性和导热性能，更加适用于高密度、多引脚集成电路封装。
2.键合引线表面镀上一定厚度的钯，有效提升铜键合引线的抗氧化性能，使其抗氧化性与键合金丝相当，大大延长铜键合引线产品拆封后的保质期。
3.键合引线在拉丝过程中采用在线退火，节省的能耗，提高了生产效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
本实施例1一种铜基键合引线及其生产工艺：
（1）高纯铜熔炼：以1号标准阴极铜为原料，采用真空电子束熔炼、凝固，去除杂质元素。
所述步骤（1）中将阴极铜装入真空电子束熔炼炉内熔炼、凝固。其中电子枪工作真空度小于5×10-3Pa，熔炼室真空度小于5×10-3Pa，加速电压100KV。牵引速度为10mm/min。制备的高纯铜铸锭的铜含量大于99.9999%。
（2）单晶铜基合金铸造：以步骤（1）中制备的高纯铜为原料，分别添加重量百分比为0.005%的纯铟、纯磷、纯钇等金属，采用热型铸造单晶设备和技术，制备单晶铜基合金杆材。
所述步骤（2）中热型铸造时的真空度小于3×10-3Pa，采用氩气作为保护气氛，热型铸造单晶设备包括熔炼室、保温室、热型铸造室组成。保温室铜液的液面高于热型铸造室结晶器5-8mm，单晶铜基合金杆的牵引速度为15mm/min，熔炼室、保温室、热型铸造室的温度分别是1120℃、1110℃、1105℃。
所述步骤（2）中制备单晶铜基合金杆材横向晶粒和纵向晶粒的均为1个。
（3）粗拉：将Φ12mm的单晶铜基合金杆材拉制成Φ2mm的线材。粗拉时模具的表面粗糙度Ra为 0.02μm，模具工作区模角为8°，模具工作区的定径带长度为8mm。粗拉工序中采用乳化液润滑，乳化液的浓度为10%，温度为30℃℃，速度为300m/min。
（4）中拉：将Φ2mm的线材拉制成Φ0.2mm的线材。中拉时模具的表面粗糙度Ra为0.015μm，模具工作区模角为6°，模具工作区的定径带长度为6mm。中拉工序中采用乳化液润滑，乳化液的浓度为15%，温度为28℃，速度为600m/min。中拉时采用电阻内热式连续退火，退火的电压为50 V。
（5）镀钯：对Φ0.2mm铜基合金线镀纯钯保护层，镀钯的纯度要求大于99.9999%，表面镀钯层控制在5μm-15μm的厚度。
（6）细拉：将Φ0.2mm的线材拉制成Φ0.02mm的丝材。细拉时模具的表面粗糙度Ra为 0.01μm，模具工作区模角为5°，模具工作区的定径带长度为5mm。细拉工序中采用拉丝油润滑，拉丝油含有粒径为110的纳米石墨粉，温度为25℃，速度为1500m/min。细拉采用电阻内热式连续退火，退火的电压为30 V，速度为1500m/min。
（7）微拉：将Φ0.02mm的丝材拉制成Φ0.011-0.015mm的丝材。微拉时模具的表面粗糙度Ra为 0.01μm，模具工作区模角为3°-5°，模具工作区的定径带长度为3mm。微拉工序中采用拉丝油润滑，拉丝油含有粒径为110nm的纳米石墨粉，温度为25℃，速度为1600m/min。微拉采用电阻内热式连续退火，退火的电压为20 V。
（8）清洗钝化：采用1%NaOH的碱液对键合引线进行清洗，再采用超声波清洗设备对铜基键合引线进行清洗，超声波频率为100W，清洗介质采用无水酒精。铜基键合引线清洗后经70℃、0.30%的苯丙三氮唑水溶液钝化处理，钝化后再进行烘干。
（9）复绕：采用绕线机，将键合引线定长绕制在两英寸直径的线轴上，绕线速度控制在150m/min，线间距约为5毫米，分卷长度为1000米。
（10）包装：采用真空吸塑包装，真空度为5×10-3Pa。
上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种铜基键合引线，其特征在于铜基键合引线以高纯铜基合金为基体，所述的铜基键合引线基体表面镀有高纯钯保护层；所述的基体材料的各组分的重量百分比为：银含量为0.005-0.01%，铟含量为0.005-0.01%，磷含量为0.005-0.01%，钇含量0.005-0.01%，其它不可避免的杂质元素总含量小于0.0001%，余量为铜；所述的高纯钯的纯度大于99.9999%；所述的高纯钯保护层的厚度为0.3μm-0.5μm。
2.一种铜基键合引线的生产工艺，其特征在于包括以下制备步骤：
（1）高纯铜熔炼：以1号标准阴极铜为原料，采用真空电子束熔炼、凝固，去除杂质元素；
（2）单晶铜基合金铸造：以步骤（1）中制备的高纯铜为原料，分别添加重量百分比为0.005-0.01%的纯铟、纯磷、纯钇等金属，采用热型铸造单晶设备和技术，制备Φ12mm单晶铜基合金杆材；
（3）粗拉：将Φ12mm的单晶铜基合金杆材拉制成Φ2mm的线材；（4）中拉：将Φ2mm的线材拉制成Φ0.2mm的线材；
（5）镀钯：对Φ0.2mm铜基合金线镀纯钯保护层，镀钯的纯度要求大于99.9999%，表面镀钯层控制在5μm-15μm的厚度；
（6）细拉：将Φ0.2mm的线材拉制成Φ0.02mm的丝材；
（7）微拉：将Φ0.02mm的丝材拉制成Φ0.011-0.015mm的丝材；
（8）清洗钝化；
（9）复绕；
（10）包装。
3.如权利要求2所述的一种铜基键合引线的生产工艺，其特征在于：所述步骤（1）中将阴极铜装入真空电子束熔炼炉内熔炼、凝固；其中电子枪工作真空度小于5×10-3Pa，熔炼室真空度小于5×10-3Pa，加速电压100KV，牵引速度为10mm/min。
4.如权利要求2所述的一种铜基键合引线的生产工艺，其特征在于：所述步骤（2）中热型铸造时的真空度小于3×10-3Pa，采用氩气作为保护气氛，热型铸造单晶设备包括熔炼室、保温室、热型铸造室组成；保温室铜液的液面高于热型铸造室结晶器5-8mm，单晶铜基合金杆的牵引速度为11-15mm/min，熔炼室、保温室、热型铸造室的温度分别是1120℃、1110℃、1105℃；所述的制备单晶铜基合金杆材横向晶粒和纵向晶粒的均为1个。
5.如权利要求2所述的一种铜基键合引线的生产工艺，其特征在于：所述步骤（3）粗拉时模具的表面粗糙度Ra为 0.02μm，模具工作区模角为6°-8°，模具工作区的定径带长度为8mm；粗拉工序中采用乳化液润滑，乳化液的浓度为10%～12%，温度为30℃～35℃，速度为200～500m/min。
6.如权利要求2所述的一种铜基键合引线的生产工艺，其特征在于：所述步骤（4）中拉时模具的表面粗糙度Ra为 0.015μm，模具工作区模角为5°-6°，模具工作区的定径带长度为6mm；所述中拉时模具的表面粗糙度Ra为 0.01μm，模具工作区模角为3°-5°，模具工作区的定径带长度为5mm；所述的中拉工序中采用乳化液润滑，乳化液的浓度为15%～20%，温度为28℃～32℃，速度为500～800m/min；所述的中拉时采用电阻内热式连续退火，退火的电压为50 V～55V。
7.如权利要求2所述的一种铜基键合引线的生产工艺，其特征在于：所述步骤（6）细拉时模具的表面粗糙度Ra为 0.01μm，模具工作区模角为3°-5°，模具工作区的定径带长度为5mm；所述的细拉工序中采用拉丝油润滑，拉丝油含有粒径为110-150nm的纳米石墨粉，温度为25℃～30℃，速度为1200～1500m/min；所述的细拉采用电阻内热式连续退火，退火的电压为30 V～37V，速度为1500m/min。
8.如权利要求2所述的一种铜基键合引线的生产工艺，其特征在于：所述步骤（7）微拉时模具的表面粗糙度Ra为 0.01μm，模具工作区模角为3°-5°，模具工作区的定径带长度为3mm；所述的微拉工序中采用拉丝油润滑，拉丝油含有粒径为110-150nm的纳米石墨粉，温度为25℃～30℃，速度为1600～2000m/min；所述的微拉采用电阻内热式连续退火，退火的电压为20 V～23V。
9.如权利要求2所述的一种铜基键合引线的生产工艺，其特征在于：所述步骤（8）采用1%NaOH的碱液对键合引线进行清洗，再采用在线超声波清洗设备对铜基键合引线进行清洗，超声波频率为100W，清洗介质采用无水酒精；铜基键合引线清洗后经70-80℃、0.30%-0.35%的苯丙三氮唑水溶液钝化处理，钝化后再进行烘干。
10.如权利要求1所述的一种铜基键合引线，其特征在于铜基键合引线直径为0.011-0.015mm，直径允许偏差小于±0.001mm，抗拉强度大于220MPa，伸长率为大于20%，电阻率为小于0.017241Ω·m。
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