CN107723488A - 一种耐氧化键合铜丝材料的制备方法 - Google Patents

一种耐氧化键合铜丝材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐氧化键合铜丝材料的制备方法，属于电子材料技术领域。本发明通过铜粉、锡粉、硅粉和钼粉为主要材料，通过共混烧结后形成改性粉末，由于钼粉基体熔融并与硅粉反应发生硅化，在单晶铜熔融制备铜杆过程中，在其表面均匀包覆MoSi2层，在其表面形成致密保护层，使铜杆在制备键合丝过程中，限制其表面氧气的向内扩反应，提高材料的抗氧化性能，从而有效提高键合丝材料的使用性能；且本发明通过对单晶铜杆内部添加Sn，将微量Sn加入到高纯铜中，固溶于铜中的Sn使高纯铜晶格产生畸变，增大了单晶铜再结晶过程中由位错重排而形核的难度，因此使金属在较高温度下才能发生再结晶，从而有效提高其发生氧化的难度，提高材料的抗氧化性能。

Description

一种耐氧化键合铜丝材料的制备方法
技术领域
本发明公开了一种耐氧化键合铜丝材料的制备方法，属于电子材料技术领域。
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制造过程中必不可少的基础材料之一，起联结硅片电极与引线框架的外部引出端子的作用，并传递芯片的电信号、散发芯片内产生的热量，由于铜键合丝的高强度，可以有效降低丝球焊过程中可能发生的丝摆、坍塌等现象，有效缓解了采用直径小于金丝的一些组装难度。在很大程度上提高了芯片频率和可靠性，适应了低成本、细间距、高引出端元器件封装的发展。而且随着高级封装技术的发展，晶片上的铝金属化层更换为铜金属化层，因为在晶片的铜金属化层上可以直接焊接，而不需要像铝金属化层那样加一层金属焊接层，这不但能增强器件特性还能降低成本。
随着市场对高纯度、耐高温、超微细、超长度的键合丝需求迅速增长，使键合铜丝的发展面临机遇与挑战，铜表面在室温下就很容易被氧化，其氧化物的粘结性能很差，几乎不能和铝等金属粘结。更为重要的是这层氧化物层的性质和铜的性质相似，在丝球焊过程中不容易被破碎、去除，往往导致丝球焊过程无法进行。因此如何防止铜在键合过程中被氧化，是铜丝球焊技术面临的一个难题，所以制备一种可在铜丝球焊时有效抗氧化性能的铜丝材料很有必要。
发明内容
本发明主要解决的技术问题：针对现有键合铜丝耐氧化性能较差，其氧化物粘结性差，无法与铝等金属进行有效粘结的问题，提供了一种耐氧化键合铜丝材料的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
（1）按重量份数计，分别称量45～50份铜粉、10～15份锡粉、2～3份硅粉和5～8份钼粉混合，球磨过筛得球磨粉末，将球磨粉末置于模具中，压制成型后静置、脱模制备得坯料；
（2）将坯料置于管式气氛炉中，抽真空后升温加热，保温煅烧后静置冷却至室温，收集得烧结料并粉碎过筛，得改性粉末
（3）取电解铜并球磨过筛，得电解铜粉末，按质量比1:10，将改性粉末与电解铜粉末搅拌混合，得混合粉末，将混合粉末置于真空熔炼炉，抽真空后，升温加热，保温熔融，在氩气气氛下，将引锭用铜管装在铸锭夹紧装置中，通冷却水并启动牵引机构，制备得改性单晶铜杆；
（4）将改性单晶铜杆置于单丝拉丝机中，经直径8mm、1.15mm、0.25mm和0.03mm拉丝模具一次连续拉丝处理，将直径0.03mm铜丝置于退火复绕装置中，在氩气气氛、400～450℃下退火处理，待退火完成后，即可制备得一种耐氧化键合铜丝材料。
步骤（1）所述的模具尺寸为内径为20mm，外径为40mm。
步骤（2）所述的保温煅烧温度为1500℃。
步骤（3）所述的冷却水通入量为量为25～40L/h。
步骤（3）所述的牵引机构连铸速度为20mm/min。
步骤（4）所述的退火复绕装置的复绕宽度为20～25mm，复绕间距为0.025mm。
本发明的有益效果是：
（1）本发明通过铜粉、锡粉、硅粉和钼粉为主要材料，通过共混烧结后形成改性粉末，由于钼粉基体熔融并与硅粉反应发生硅化，在单晶铜熔融制备铜杆过程中，在其表面均匀包覆MoSi2层，在其表面形成致密保护层，使铜杆在制备键合丝过程中，限制其表面氧气的向内扩反应，提高材料的抗氧化性能，从而有效提高键合丝材料的使用性能；
（2）本发明通过对单晶铜杆内部添加Sn，将微量Sn加入到高纯铜中，固溶于铜中的Sn使高纯铜晶格产生畸变，增大了单晶铜再结晶过程中由位错重排而形核的难度，因此使金属在较高温度下才能发生再结晶，从而有效提高其发生氧化的难度，提高材料的抗氧化性能。
具体实施方式
按重量份数计，分别称量45～50份铜粉、10～15份锡粉、2～3份硅粉和5～8份钼粉置于球磨罐中，在550～600r/min下球磨3～5h，过200目筛得球磨粉末，将球磨粉末置于内径为20mm，外径为40mm的模具中，在20～30MPa下压制3～5min，随后静置2～3h，脱模制备得坯料，将坯料置于管式气氛炉中，抽真空至25～30Pa，随后按10℃/min升温至1500℃，保温煅烧2～3h后，静置冷却至室温，收集得烧结料并粉碎，过500目筛，得改性粉末；取电解铜并球磨过500目筛，得电解铜粉末，按质量比1:10，将改性粉末与电解铜粉末搅拌混合，得混合粉末，将混合粉末置于真空熔炼炉，抽真空至真空度为0.3～0.5Pa，待抽真空完成后，按15℃/min升温至1100～1200，保温熔融2～3h后，通氩气至0.1MPa，在氩气气氛下，将引锭用铜管装在铸锭夹紧装置中，通冷却水并启动牵引机构，控制冷却水量为25～40L/h，调节牵引连铸速度为20mm/min，制备得改性单晶铜杆，将改性单晶铜杆置于单丝拉丝机中，经直径8mm、1.15mm、0.25mm和0.03mm拉丝模具下一次连续拉丝处理，将直径0.03mm铜丝置于退火复绕装置中，控制复绕宽度为20～25mm，复绕间距为0.025mm，通氩气排除空气，在氩气气氛、400～450℃下退火处理，控制氩气通入速率为0.1～0.2L/min，待退火完成后，即可制备得一种耐氧化键合铜丝材料。
实例1
按重量份数计，分别称量45份铜粉、10份锡粉、2份硅粉和5份钼粉置于球磨罐中，在550r/min下球磨3h，过200目筛得球磨粉末，将球磨粉末置于内径为20mm，外径为40mm的模具中，在20MPa下压制3min，随后静置2h，脱模制备得坯料，将坯料置于管式气氛炉中，抽真空至25Pa，随后按10℃/min升温至1500℃，保温煅烧2h后，静置冷却至室温，收集得烧结料并粉碎，过500目筛，得改性粉末；取电解铜并球磨过500目筛，得电解铜粉末，按质量比1:10，将改性粉末与电解铜粉末搅拌混合，得混合粉末，将混合粉末置于真空熔炼炉，抽真空至真空度为0.3Pa，待抽真空完成后，按15℃/min升温至1100，保温熔融2h后，通氩气至0.1MPa，在氩气气氛下，将引锭用铜管装在铸锭夹紧装置中，通冷却水并启动牵引机构，控制冷却水量为25L/h，调节牵引连铸速度为20mm/min，制备得改性单晶铜杆，将改性单晶铜杆置于单丝拉丝机中，经直径8mm、1.15mm、0.25mm和0.03mm拉丝模具下一次连续拉丝处理，将直径0.03mm铜丝置于退火复绕装置中，控制复绕宽度为20mm，复绕间距为0.025mm，通氩气排除空气，在氩气气氛、400℃下退火处理，控制氩气通入速率为0.1L/min，待退火完成后，即可制备得一种耐氧化键合铜丝材料。
实例2
按重量份数计，分别称量47份铜粉、12份锡粉、3份硅粉和7份钼粉置于球磨罐中，在575r/min下球磨4h，过200目筛得球磨粉末，将球磨粉末置于内径为20mm，外径为40mm的模具中，在25MPa下压制4min，随后静置3h，脱模制备得坯料，将坯料置于管式气氛炉中，抽真空至27Pa，随后按10℃/min升温至1500℃，保温煅烧3h后，静置冷却至室温，收集得烧结料并粉碎，过500目筛，得改性粉末；取电解铜并球磨过500目筛，得电解铜粉末，按质量比1:10，将改性粉末与电解铜粉末搅拌混合，得混合粉末，将混合粉末置于真空熔炼炉，抽真空至真空度为0.4Pa，待抽真空完成后，按15℃/min升温至1150，保温熔融3h后，通氩气至0.1MPa，在氩气气氛下，将引锭用铜管装在铸锭夹紧装置中，通冷却水并启动牵引机构，控制冷却水量为27L/h，调节牵引连铸速度为20mm/min，制备得改性单晶铜杆，将改性单晶铜杆置于单丝拉丝机中，经直径8mm、1.15mm、0.25mm和0.03mm拉丝模具下一次连续拉丝处理，将直径0.03mm铜丝置于退火复绕装置中，控制复绕宽度为22mm，复绕间距为0.025mm，通氩气排除空气，在氩气气氛、425℃下退火处理，控制氩气通入速率为0.2L/min，待退火完成后，即可制备得一种耐氧化键合铜丝材料。
实例3
按重量份数计，分别称量50份铜粉、15份锡粉、3份硅粉和8份钼粉置于球磨罐中，在600r/min下球磨5h，过200目筛得球磨粉末，将球磨粉末置于内径为20mm，外径为40mm的模具中，在30MPa下压制5min，随后静置3h，脱模制备得坯料，将坯料置于管式气氛炉中，抽真空至30Pa，随后按10℃/min升温至1500℃，保温煅烧3h后，静置冷却至室温，收集得烧结料并粉碎，过500目筛，得改性粉末；取电解铜并球磨过500目筛，得电解铜粉末，按质量比1:10，将改性粉末与电解铜粉末搅拌混合，得混合粉末，将混合粉末置于真空熔炼炉，抽真空至真空度为0.5Pa，待抽真空完成后，按15℃/min升温至1200，保温熔融3h后，通氩气至0.1MPa，在氩气气氛下，将引锭用铜管装在铸锭夹紧装置中，通冷却水并启动牵引机构，控制冷却水量为40L/h，调节牵引连铸速度为20mm/min，制备得改性单晶铜杆，将改性单晶铜杆置于单丝拉丝机中，经直径8mm、1.15mm、0.25mm和0.03mm拉丝模具下一次连续拉丝处理，将直径0.03mm铜丝置于退火复绕装置中，控制复绕宽度为25mm，复绕间距为0.025mm，通氩气排除空气，在氩气气氛、450℃下退火处理，控制氩气通入速率为0.2L/min，待退火完成后，即可制备得一种耐氧化键合铜丝材料。
对本发明制备的实例1，2，3进行性能测试，具体测试结果如下表表1所示：
表1 键合铜丝性能测试表
由上表可知，本发明制备的键合铜丝具有优异的力学性能和延伸效果，具有广阔的使用前景。

Claims (6)

1.一种耐氧化键合铜丝材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）按重量份数计，分别称量45～50份铜粉、10～15份锡粉、2～3份硅粉和5～8份钼粉混合，球磨过筛得球磨粉末，将球磨粉末置于模具中，压制成型后静置、脱模制备得坯料；
（2）将坯料置于管式气氛炉中，抽真空后升温加热，保温煅烧后静置冷却至室温，收集得烧结料并粉碎过筛，得改性粉末
（3）取电解铜并球磨过筛，得电解铜粉末，按质量比1:10，将改性粉末与电解铜粉末搅拌混合，得混合粉末，将混合粉末置于真空熔炼炉，抽真空后，升温加热，保温熔融，在氩气气氛下，将引锭用铜管装在铸锭夹紧装置中，通冷却水并启动牵引机构，制备得改性单晶铜杆；
（4）将改性单晶铜杆置于单丝拉丝机中，经直径8mm、1.15mm、0.25mm和0.03mm拉丝模具一次连续拉丝处理，将直径0.03mm铜丝置于退火复绕装置中，在氩气气氛、400～450℃下退火处理，待退火完成后，即可制备得一种耐氧化键合铜丝材料。
2.根据权利要求1所述的一种耐氧化键合铜丝材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的模具尺寸为内径为20mm，外径为40mm。
3.根据权利要求1所述的一种耐氧化键合铜丝材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的保温煅烧温度为1500℃。
4.根据权利要求1所述的一种耐氧化键合铜丝材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的冷却水通入量为量为25～40L/h。
5.根据权利要求1所述的一种耐氧化键合铜丝材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的牵引机构连铸速度为20mm/min。
6.根据权利要求1所述的一种耐氧化键合铜丝材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的退火复绕装置的复绕宽度为20～25mm，复绕间距为0.025mm。
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