CN107579010A - 一种提高金银复合键合丝覆层与芯材结合力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高金银复合键合丝覆层与芯材结合力的方法，属于微电子封装用键合丝材料技术领域。该方法的具体过程为：采用定向凝固技术制备银芯材铸锭，将厚度按需设计的薄壁金管嵌套于芯材铸锭外表面并保证二者有适宜的间隙，嵌套铸锭以大变形量进行第一道次拉拔，然后以较小道次变形量继续拉拔得到金银复合键合丝。该方法有利于提高金覆层与银芯材的结合力，覆层不易发生脱落，覆层厚度便于调控，得到的金银复合键合丝金层厚度均匀，性能一致性高，且效率高、有利环保、易于产业化实施。

Description

一种提高金银复合键合丝覆层与芯材结合力的方法
技术领域
本发明属于微电子封装用键合丝材料技术领域，特别涉及一种提高金银复合键合丝覆层与芯材结合力的方法。
背景技术
金银复合键合丝由于表面金覆层的存在，其抗氧化、抗硫化性能高于银键合丝，同时价格显著低于金丝，因此是可用于替代键合金丝的理想键合丝材料之一。但目前金银复合键合丝的生产和使用过程中仍然存在一些问题，目前已经报道的生产复合键合丝的工艺中，多是将芯材铸锭拉拔至直径1mm以下甚至直径100μm以下的细丝后再进行电镀或真空镀在芯材母线表面制备包覆层，这种加工方法的缺点在于：首先，所采用的连续电镀或真空镀工艺成本较高，细丝镀覆效率较低，且电镀液中通常含有有毒的氰化物等物质，不利于环保；其次，细丝进行镀覆后拉拔至产品尺寸的过程中，镀层与芯材经历的协调变形过程较短使得二者界面结合力不足，同时由于电镀或真空镀获得的镀层致密性以及与芯材的结合性欠佳，拉拔或使用过程中易出现镀层脱落的现象；再次，镀覆时采用的丝材直径越细，初始镀层厚度的不均匀性导致的最终键合丝表面镀层厚度的不均程度越高，进而导致键合丝的性能不一致，同时由于镀层厚度不均匀导致键合过程中得到高尔夫球的几率越高，键合质量降低。
在导线材料领域，已报道了一种套管-热轧-拉拔制备银包铝复合微丝的方法(罗奕兵，罗定强，胡锦阳.一种银包铝复合细丝材的制备方法，申请号：201610198399.8，公开日：2016.08.17)，但该方法工艺较复杂，具体在于：1)套管和芯材装配需在真空操作箱中进行；2)复合棒两端需采用局部塑性变形的方式密封；3)复合棒在拉拔前需进行热轧，且该工艺只能制备直径0.02mm以上的丝材。此外，一种金包铜复合丝的制备方法采用套管后旋锻进行复合的方法(姜雁斌，谢建新，郭诗锦.一种金包铜复合丝的制备方法，中国发明专利，申请号：201610318397.8，公开日：2016.07.20)，适合于制备超细金包铜复合丝，但该方法中初始套管与芯杆的间隙达0.1～1mm，如此大的间隙在紧随其后的锻造过程中不能保证套管与芯杆的协调变形，因此会导致套管与芯杆部分区域间的缝隙不能完全消除而产生界面结合不良、覆层厚度不均匀的现象，此外还需采用纯铝保护套进行保护，且其仍然只报道了直径0.02mm以上丝材的制备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高金银复合键合丝覆层与芯材结合力的方法，具体工艺过程包括：
(1)采用定向凝固技术制备直径为Φ5～8mm的银芯材铸锭，然后将铸锭进行校直并以丙酮清洗表面，其中芯材铸锭中含有Au、Cu、Pd、Pt中的一种或几种，添加元素的总质量分数为为0.1～5％。
(2)按所需覆层厚度设计薄壁金管的厚度，以纯度不低于99.99％的Au为原料，经熔铸并加工得到所需厚度的薄壁金管并以丙酮清洗内表面，然后将薄壁金管套于芯材铸锭外表面，其中金管壁厚可调节范围为20～150μm，且金管的内径应比铸锭直径大3～6μm以保证二者有适宜的间隙，芯材铸锭在某一端比金管长出5～10cm。
(3)上述嵌套铸锭第一道次拉拔选用大变形量拉拔，变形量具体为25％～40％，且以芯材长出端为头部进行拉拔，拉拔结束后剪去表面为银白色的芯材长出部分。
(4)后续拉拔直至最终产品尺寸的道次拉拔变形量为5％～15％，其中最终键合丝产品尺寸为直径18～50μm。
(5)将上述键合丝于350～500℃退火后按客户需求的长度进行复绕和分装。
本发明的优点：
(1)芯材铸锭与金管嵌套后第一道次拉拔选用大变形量，有利于彻底消除金管与铸锭间的缝隙并使二者通过大变形形成良好的界面结合，且在Φ8mm复合后复合铸锭的总变形量显著高于细丝电镀工艺中电镀细丝的变形量，因此本发明可显著提高覆层与芯材的结合力，拉拔及使用过程中覆层不易开裂或脱落。如附图所示，本发明制备的金银复合键合丝表面光滑，未出现覆层脱落、开裂等缺陷。
(2)以厚度均匀的薄壁金管作为覆层，且金管与银芯材铸锭间间隙仅为3～6μm，拉拔过程中覆层与芯材可保持良好的协调变形，在严格控制的工艺条件下可减少变形不一致程度，因此可制备直径0.02mm以下的微细丝，获得的复合键合丝覆层厚度均匀性高，且可制备覆层厚度与芯材直径之比小于1:100的超薄覆层复合键合丝。
(3)选用直径为Φ8mm的芯材铸锭直接与金管嵌套复合，相比于细丝连续电镀工艺，工艺流程缩短、效率提高，且有利于环保。且金管与芯材嵌套后无需端头密封、旋锻等处理而是直接进行拉拔，工艺显著简化，有利于产业化实施。
(4)以薄壁金管作为覆层，可通过选用金管的厚度调节键合丝的覆层厚度，便于获得覆层厚度不同的、适应不同需求的复合键合丝，相比于电镀工艺更易于实现覆层厚度的按需设计和调节。
附图说明
图1为本发明制备的金银复合键合丝的表面形貌图。
具体实施方式
下文将对本发明的实施例进行详细说明，需要说明的是，以下实施例仅用于例证的目的，并不限制本发明的保护范围。
实施例1
(1)采用定向凝固技术制备直径为Φ8mm的银芯材铸锭，将铸锭校直并以丙酮清洗，其中芯材含质量分数为0.5％的Pd。
(2)以纯度不低于99.99％的Au为原料经熔铸并加工得到壁厚80μm的薄壁金管，以丙酮清洗内表面后将其套于芯材铸锭外表面，其中薄壁金管的内径比铸锭直径大5μm，芯材铸锭在某一端比金管长出10cm。
(3)上述嵌套铸锭第一道次拉拔选用大变形量拉拔，变形量为35％，且以芯材长出端为头部进行拉拔，拉拔结束后剪去表面为银白色的芯材长出部分。
(4)后续拉拔直至最终产品尺寸的道次拉拔变形量为5％～15％，最终获得的复合键合丝直径为18～50μm。
(5)上述键合丝于350～500℃退火后按客户需求的长度进行复绕和分装。
按上述实施例1制备的金银复合键合丝，以Φ20μm为例，覆层厚度为110nm，其力学、导电性能及键合后推拉力测试结果如下：
断裂负荷(cN) 延伸率(％) 电阻率(μΩ·cm) 焊线拉力(cN) 焊球推力(cN)
7.5±0.1 14.9±0.3 3.62 8.1±0.2 59.0±0.5
实施例2
(1)采用定向凝固技术制备直径为Φ6mm的银芯材铸锭，将铸锭校直并以丙酮清洗，其中芯材含质量分数为1％的Au。
(2)以纯度不低于99.99％的Au为原料熔铸并加工得到壁厚30μm的薄壁金管，以丙酮清洗内表面后将其套于芯材铸锭外表面，其中薄壁金管的内径比铸锭直径大4μm，铸锭在某一端比金管长出5cm。
(3)上述嵌套铸锭第一道次拉拔选用大变形量拉拔，变形量为30％，且以芯材长出端为头部进行拉拔，拉拔结束后剪去表面为银白色的芯材长出部分。
(4)后续拉拔直至最终产品尺寸的道次拉拔变形量为5％～15％，最终获得的复合键合丝直径为18～50μm。
(5)上述键合丝于350～500℃退火后按客户需求的长度进行复绕和分装。
按上述实施例2制备的金银复合键合丝，以Φ20μm为例，覆层厚度为210nm，其力学、导电性能及键合后推拉力测试结果如下：
断裂负荷(cN) 延伸率(％) 电阻率(μΩ·cm) 焊线拉力(cN) 焊球推力(cN)
7.4±0.1 15.3±0.2 3.55 8.0±0.2 55.7±0.5
以上关于本发明的具体的优选实施方式，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替换或修改，且性能或用途相同时，都应当视为属于本发明权利要求的专利保护范围。

Claims (3)

1.一种提高金银复合键合丝覆层与芯材结合力的方法，包括以下步骤：
(1)采用定向凝固技术制备银芯材铸锭；
(2)加工厚度按需设计的薄壁金管并将其嵌套于芯材铸锭外表面；
(3)嵌套铸锭第一道次拉拔选用大变形量拉拔；
(4)以较小道次变形量继续拉拔直至得到金银复合键合丝产品；
(5)复合键合丝退火后按客户所需的长度进行复绕和分装。
2.根据权利要求1所述一种提高金银复合键合丝覆层与芯材结合力的方法，其特征在于：
所述步骤(1)中芯材铸锭直径为Φ5～8mm，且芯材铸锭中含有Au、Cu、Pd、Pt中的一种或几种，添加元素的总质量分数为为0.1～5％；
步骤(2)中薄壁金管的壁厚为20～150μm，薄壁金管的内径比铸锭直径大3～6μm，芯材铸锭在某一端比金管长出5～10cm；
步骤(3)中第一道次拉拔变形量具体为25％～40％，且以芯材长出端为头部进行拉拔，拉拔结束后剪去表面为银白色的芯材长出部分；
步骤(4)中道次拉拔变形量为5％～15％，获得的复合键合丝产品直径为18～50μm；
步骤(5)中退火温度为350～500℃。
3.一种提高金银复合键合丝覆层与芯材结合力的方法，包括以下步骤：
(1)采用定向凝固技术制备直径为Φ8mm的银芯材铸锭，将铸锭校直并以丙酮清洗，其中芯材含质量分数为0.5％的Pd。
(2)以纯度不低于99.99％的Au为原料经熔铸并加工得到壁厚80μm的薄壁金管，以丙酮清洗内表面后将其套于芯材铸锭外表面，其中薄壁金管的内径比铸锭直径大5μm，芯材铸锭在某一端比金管长出10cm。
(3)上述嵌套铸锭第一道次拉拔选用大变形量拉拔，变形量为35％，且以芯材长出端为头部进行拉拔，拉拔结束后剪去表面为银白色的芯材长出部分。
(4)后续拉拔直至最终产品尺寸的道次拉拔变形量为5％～15％，最终获得的复合键合丝直径为18～50μm。
(5)上述键合丝于350～500℃退火后按客户需求的长度进行复绕和分装。
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