CN109402445A - 一种抗氧化铜基合金键合引线及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种抗氧化铜基合金键合引线，包括以下组分：铝、锡、磷及铜；其中，上述组分含量按照以下重量比：铝0.0006％～0.0015％，锡0.0009％～0.0015％，磷0.0003％～0.0008％，余量为铜。本发明的通过微量元素的添加，可以提高铜的再结晶温度、力学性能和键合工艺性能，从而可以有效提升铜的抗氧化性能。本发明还提出了一种抗氧化铜基合金键合引线的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于微电子后道封装工序技术领域，尤其涉及一种抗氧化铜基合金键合引线及其制备方法。
背景技术
微电子器件芯片的键合工序，是指在一定温度下采用超声波加压的方法将键合引线两端分别焊接在芯片盘和引线框架引脚上，实现芯片内部电路与外部电路的连接。早期的键合引线多由纯金制成，直至现今大多厂家用的键合引线也是纯金制成，随着黄金贵重金属资源的日益稀缺，价格持续攀升，微电子封装成本大幅上升，给生产厂家、用户带来难以承受的成本压力，因此，业界正在积极寻求，研发成本相对低廉、性能稳定可靠、加工方便的新型键合引线材料。
目前用于替代黄金键合引线的研宄应用大多集中于铜基键合引线，但这类键合引线也有它的不足之处:1、铜丝在拉制过程中因加工硬化，使得难以拉制与黄金键合引线一样细的微细线径；2、由于铜丝过硬，会导致第一焊点容易逃丝，使得键合操作频繁中断，给下道工序的集成电路封装造成较大的困难。3、由于铜丝具有易氧化的特性，在保存及焊接过程中容易产生氧化，打开包装后必须尽快用完，而且使用时必须加氮氢混合气体加以保护，使得操作危险性增加。其中最主要的问题是铜易于氧化，如果在铜键合丝表面形成大量氧化物，则铜键合丝很难键合，并且很难熔成球(FAB)。因而，在FAB的过程中，铜键合丝必须处于无氧的环境中，铜FAB时一般要采用惰性气体保护，同时掺入少量氢气还原。但是，这将给封装添加新的复杂度，比如对氮气氢气的控制等。为解决键合铜丝在键合过程中易氧化的问题，可以采用镀层的方法，如专利US2004/0245320A1和US2007/0235887A1提出的镀层防护方法。通常选用的是抗氧化能力强且熔点比铜高的金属元素作为镀层，如Pt、Pd或Ni。钯在高温、高湿或硫化物含量高的空气中性能稳定，能耐酸的侵蚀，同时钯具有良好的延展塑性，能承受弯曲和摩擦，可长期保持良好的外部光泽，并且钯的成本要比金便宜，这使得镀钯键合铜丝在市场上已得到了相当的应用。但是电镀Pd增加了工艺复杂性，尤其是带来了环保的问题。
因此，现有技术中，急需一种能够代替键合金丝且抗氧化性能好的引线。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗氧化铜基合金键合引线及其制备方法，其通过将铜合金化，即添加微量元素来提高抗氧化性能。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
本发明提出了一种抗氧化铜基合金键合引线，包括以下组分：铝、锡、磷及铜；其中，上述组分含量按照以下重量比：铝0.0006％～0.0015％，锡0.0009％～0.0015％，磷0.0003％～0.0008％，余量为铜。
优选地，所述铜的纯度大于99.996％。
优选地，抗氧化铜基合金键合引线为单晶结构。
本发明还提出了一种抗氧化铜基合金键合引线的制备方法，包括以下步骤：
1)制备铜基合金铸锭；
按照质量百分比将铝、锡、磷及铜放入坩埚中，置于真空熔炉中，对真空熔炉进行抽真空处理，充入氩气清洗，然后对真空熔炉进行加热处理至完全熔化，获取铜基合金铸锭；
2)制备铜基合金棒；
对铜基合金铸锭进行连续拉铸，获取直径范围7.9mm～8.1mm的铜基合金棒；
3)表面清洗；
将制备铜基合金先用摩尔浓度为10％的盐酸溶液清洗，然后再用纯水冲洗；
4)制备铜基合金线材；
对清洗后的铜基合金棒进行拉伸获取铜基合金线材；其中，拉伸速度为5m/s～15m/s；
5)热处理；
在连续退火系统中，进行连续退火处理获取铜基合金键合引线，退火期间采用氮气保护气保护；其中，氮气的纯度为99.999％，连续退火温度为320℃～510℃；
6)分卷及包装；
将铜基合金键合引线单卷定尺后进行真空包装；其中，单卷定尺控制张力5g～30g，绕丝速度为500rpm～750rpm。
优选地，在步骤1)中，所述坩埚为氧化镁坩埚或氧化铝坩埚。
优选地，在步骤1)中，抽真空处理后，真空熔炉的真空度为0.1×10-3Pa；加热处理中，真空熔炉内的温度1215℃～1245℃。
优选地，在步骤1)中，氩气清洗的次数为2。
优选地，在步骤2)中，采用定向凝固连铸机进行粗拉伸，拉铸速度为10mm/min ～20mm/min。
优选地，在步骤4)中，拉伸时每道次的延伸率为5％～12％。
与现有相比，本发明的优点为：
1)通过微量元素的添加，可以提高铜的再结晶温度、力学性能和键合工艺性能，从而可以有效提升铜的抗氧化性能；
2)无需危险气体氢气和进行电镀钯保护层进行保护，制作工艺简单，环保且安全性好；
3)该引线的强度高，有利于进一步缩小键合引线的线径，缩短焊接间距，更加适用于高密度，多引脚集成电路封装。具体的，引线的强度高，同样的强度要求条件下，小的线经就可以满足要求；为避免引线变形而发生引线之间的短路现象，引线之间需要设置一定的间隙，而引线的强度高，间距即可以缩小。
具体实施方式
下面将对本发明的抗氧化铜基合金键合引线及其制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
实施例1
一种抗氧化铜基合金键合引线，包括以下组分：铝、锡、磷及铜；其中，上述组分含量按照以下重量比：铝0.0006％，锡0.0009％，磷0.0003％，余量为铜，铜的纯度大于99.996％。其中，抗氧化铜基合金键合引线的金相组织为单晶结构。
该抗氧化铜基合金键合引线的制备方法，包括制备铜基合金铸锭、制备铜基合金棒、表面清洗、制备铜基合金线材、热处理和分卷及包装。具体为：
1)制备铜基合金铸锭；按照质量百分比将0.0006％铝、0.0009％锡、0.0003％磷及铜放入氧化镁坩埚或氧化铝坩埚中，置于真空熔炉中，对真空熔炉进行抽真空处理，抽真空处理后，真空熔炉的真空度达到0.1×10-3Pa，2次充入氩气清洗，然后对真空熔炉进行加热处理至完全熔化，获取铜基合金铸锭；加热处理中，真空熔炉内的温度 1215℃～1245℃，加热时间为15min～20min。
2)制备铜基合金棒；采用定向凝固连铸机进行对铜基合金铸锭进行连续拉铸，获取直径范围7.9mm～8.1mm的铜基合金棒；拉铸速度为10mm/min。
3)表面清洗；将制备铜基合金先用摩尔浓度为10％的盐酸溶液清洗，然后再用纯水冲洗。
4)制备铜基合金线材；对清洗后的铜基合金棒进行拉伸获取铜基合金线材；其中，拉伸速度为5m/s；拉伸时模具的每道次的延伸率为5％。
5)热处理；在连续退火系统中，进行连续退火处理获取铜基合金键合引线，退火期间采用氮气保护气保护；其中，氮气的纯度为99.999％，连续退火温度为320℃。
6)分卷及包装；将铜基合金键合引线单卷定尺后进行真空包装；其中，单卷定尺控制张力5g，绕丝速度为500rpm。
实施例2
一种抗氧化铜基合金键合引线，包括以下组分：铝、锡、磷及铜；其中，上述组分含量按照以下重量比：铝0.0015％，锡0.0015％，磷0.0008％，余量为铜，铜的纯度大于99.996％。其中，抗氧化铜基合金键合引线的金相组织为单晶结构。
该抗氧化铜基合金键合引线的制备方法，包括制备铜基合金铸锭、制备铜基合金棒、表面清洗、制备铜基合金线材、热处理和分卷及包装。具体为：
1)制备铜基合金铸锭；按照质量百分比将铝0.0015％，锡0.0015％，磷0.0008％及铜放入氧化镁坩埚或氧化铝坩埚中，置于真空熔炉中，对真空熔炉进行抽真空处理，抽真空处理后，真空熔炉的真空度达到0.1×10-3Pa，2次充入氩气清洗，然后对真空熔炉进行加热处理至完全熔化，获取铜基合金铸锭；加热处理中，真空熔炉内的温度 1215℃～1245℃，加热时间为15min～20min。
2)制备铜基合金棒；采用定向凝固连铸机进行对铜基合金铸锭进行连续拉铸，获取直径范围7.9mm～8.1mm的铜基合金棒；拉铸速度为10mm/min。
3)表面清洗；将制备铜基合金先用摩尔浓度为10％的盐酸溶液清洗，然后再用纯水冲洗。
4)制备铜基合金线材；对清洗后的铜基合金棒进行拉伸获取铜基合金线材；其中，拉伸速度为15m/s；拉伸时模具的延伸率为12％。
5)热处理；在连续退火系统中，进行连续退火处理获取铜基合金键合引线，退火期间采用氮气保护气保护；其中，氮气的纯度为99.999％，连续退火温度为510℃。
6)分卷及包装；将铜基合金键合引线单卷定尺后进行真空包装；其中，单卷定尺控制张力30g，绕丝速度为750rpm。
实施例3
一种抗氧化铜基合金键合引线，包括以下组分：铝、锡、磷及铜；其中，上述组分含量按照以下重量比：铝0.001％，锡0.001％，磷0.0005％，余量为铜，铜的纯度大于99.996％。其中，抗氧化铜基合金键合引线的金相组织为单晶结构。
该抗氧化铜基合金键合引线的制备方法，包括制备铜基合金铸锭、制备铜基合金棒、表面清洗、制备铜基合金线材、热处理和分卷及包装。具体为：
1)制备铜基合金铸锭；按照质量百分比将铝0.001％，锡0.001％，磷0.0012％及铜放入氧化镁坩埚或氧化铝坩埚中，置于真空熔炉中，对真空熔炉进行抽真空处理，抽真空处理后，真空熔炉的真空度达到0.1×10-3Pa，2次充入氩气清洗，然后对真空熔炉进行加热处理至完全熔化，获取铜基合金铸锭；加热处理中，真空熔炉内的温度 1215℃～1245℃，加热时间为15min～20min。
2)制备铜基合金棒；采用定向凝固连铸机进行对铜基合金铸锭进行连续拉铸，获取直径范围7.9mm～8.1mm的铜基合金棒；拉铸速度为10mm/min。
3)表面清洗；将制备铜基合金先用摩尔浓度为10％的盐酸溶液清洗，然后再用纯水冲洗。
4)制备铜基合金线材；对清洗后的铜基合金棒进行拉伸获取铜基合金线材；其中，拉伸速度为8m/s；拉伸时模具的延伸率为8％。
5)热处理；在连续退火系统中，进行连续退火处理获取铜基合金键合引线，退火期间采用氮气保护气保护；其中，氮气的纯度为99.999％，连续退火温度为350℃。
6)分卷及包装；将铜基合金键合引线单卷定尺后进行真空包装；其中，单卷定尺控制张力20g，绕丝速度为500rpm。
实施例4
一种抗氧化铜基合金键合引线，包括以下组分：铝、锡、磷及铜；其中，上述组分含量按照以下重量比：铝0.0015％，锡0.0009％，磷0.0003％，余量为铜，铜的纯度大于99.996％。其中，抗氧化铜基合金键合引线的金相组织为单晶结构。
该抗氧化铜基合金键合引线的制备方法，包括制备铜基合金铸锭、制备铜基合金棒、表面清洗、制备铜基合金线材、热处理和分卷及包装。具体为：
1)制备铜基合金铸锭；按照质量百分比将0.0006％铝、0.0009％锡、0.0003％磷及铜放入氧化镁坩埚或氧化铝坩埚中，置于真空熔炉中，对真空熔炉进行抽真空处理，抽真空处理后，真空熔炉的真空度达到0.1×10-3Pa，2次充入氩气清洗，然后对真空熔炉进行加热处理至完全熔化，获取铜基合金铸锭；加热处理中，真空熔炉内的温度 1215℃～1245℃，加热时间为15min～20min。
2)制备铜基合金棒；采用定向凝固连铸机进行对铜基合金铸锭进行连续拉铸，获取直径范围7.9mm～8.1mm的铜基合金棒；拉铸速度为10mm/min。
3)表面清洗；将制备铜基合金先用摩尔浓度为10％的盐酸溶液清洗，然后再用纯水冲洗。
4)制备铜基合金线材；对清洗后的铜基合金棒进行拉伸获取铜基合金线材；其中，拉伸速度为8m/s；拉伸时模具的延伸率为8％。
5)热处理；在连续退火系统中，进行连续退火处理获取铜基合金键合引线，退火期间采用氮气保护气保护；其中，氮气的纯度为99.999％，连续退火温度为350℃。
6)分卷及包装；将铜基合金键合引线单卷定尺后进行真空包装；其中，单卷定尺控制张力20g，绕丝速度为500rpm。
实施例5
一种抗氧化铜基合金键合引线，包括以下组分：铝、锡、磷及铜；其中，上述组分含量按照以下重量比：铝0.0006％，锡0.0012％，磷0.0003％，余量为铜，铜的纯度大于99.996％。其中，抗氧化铜基合金键合引线的金相组织为单晶结构。
该抗氧化铜基合金键合引线的制备方法，包括制备铜基合金铸锭、制备铜基合金棒、表面清洗、制备铜基合金线材、热处理和分卷及包装。具体为：
1)制备铜基合金铸锭；按照质量百分比将0.0006％铝、0.0009％锡、0.0003％磷及铜放入氧化镁坩埚或氧化铝坩埚中，置于真空熔炉中，对真空熔炉进行抽真空处理，抽真空处理后，真空熔炉的真空度达到0.1×10-3Pa，2次充入氩气清洗，然后对真空熔炉进行加热处理至完全熔化，获取铜基合金铸锭；加热处理中，真空熔炉内的温度 1215℃～1245℃，加热时间为15min～20min。
2)制备铜基合金棒；采用定向凝固连铸机进行对铜基合金铸锭进行连续拉铸，获取直径范围7.9mm～8.1mm的铜基合金棒；拉铸速度为10mm/min。
3)表面清洗；将制备铜基合金先用摩尔浓度为10％的盐酸溶液清洗，然后再用纯水冲洗。
4)制备铜基合金线材；对清洗后的铜基合金棒进行拉伸获取铜基合金线材；其中，拉伸速度为8m/s；拉伸时模具的延伸率为8％。
5)热处理；在连续退火系统中，进行连续退火处理获取铜基合金键合引线，退火期间采用氮气保护气保护；其中，氮气的纯度为99.999％，连续退火温度为350℃。
6)分卷及包装；将铜基合金键合引线单卷定尺后进行真空包装；其中，单卷定尺控制张力20g，绕丝速度为500rpm。
通过氧化试验，在实施例1～5中，分别测量引线上附着的氧化层厚度，进一步对铜基合金键合引线的抗氧化性能进行验证：通过对比实施例1～5中形成的氧化层厚度得出，本发明的铜基合金键合引线与纯铜键合引线相比，抗氧化性显著提高。其中，氧化层厚度数据如表1所示：
表1氧化层厚度数据表
| 氧化层厚度(nm) | |
| 实施例1 | 13 |
| 实施例2 | 12 |
| 实施例3 | 8 |
| 实施例4 | 10 |
| 实施例5 | 11 |
| 纯铜键合引线 | 18 |
其中：氧化试验的条件为：温度25℃，湿度65％，时间120h。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种抗氧化铜基合金键合引线，其特征在于，包括以下组分：铝、锡、磷及铜；其中，上述组分含量按照以下重量比：铝0.0006％～0.0015％，锡0.0009％～0.0015％，磷0.0003％～0.0008％，余量为铜。
2.根据权利要求1所述的抗氧化铜基合金键合引线，其特征在于，所述铜的纯度大于99.996％。
3.根据权利要求1所述的抗氧化铜基合金键合引线，其特征在于，抗氧化铜基合金键合引线为单晶结构。
4.一种抗氧化铜基合金键合引线的制备方法，用于制备如权利要求1～3之任一项所述的抗氧化铜基合金键合引线，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备铜基合金铸锭；
按照质量百分比将铝、锡、磷及铜放入坩埚中，置于真空熔炉中，对真空熔炉进行抽真空处理，充入氩气清洗，然后对真空熔炉进行加热处理至完全熔化，获取铜基合金铸锭；
2)制备铜基合金棒；
对铜基合金铸锭进行连续拉铸，获取直径范围7.9mm～8.1mm的铜基合金棒；
3)表面清洗；
将制备铜基合金先用摩尔浓度为10％的盐酸溶液清洗，然后再用纯水冲洗；
4)制备铜基合金线材；
对清洗后的铜基合金棒进行拉伸获取铜基合金线材；其中，拉伸速度为5m/s～15m/s；
5)热处理；
在连续退火系统中，进行连续退火处理获取铜基合金键合引线，退火期间采用氮气保护气保护；其中，氮气的纯度为99.999％，连续退火温度为320℃～510℃；
6)分卷及包装；
将铜基合金键合引线单卷定尺后进行真空包装；其中，单卷定尺控制张力5g～30g，绕丝速度为500rpm～750rpm。
5.根据权利要求4所述的抗氧化铜基合金键合引线的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，所述坩埚为氧化镁坩埚或氧化铝坩埚。
6.根据权利要求4所述的抗氧化铜基合金键合引线的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，抽真空处理后，真空熔炉的真空度为0.1×10-3Pa；加热处理中，真空熔炉内的温度1215℃～1245℃。
7.根据权利要求4所述的抗氧化铜基合金键合引线的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，氩气清洗的次数为2。
8.根据权利要求4所述的抗氧化铜基合金键合引线的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，采用定向凝固连铸机进行粗拉伸，拉铸速度为10mm/min～20mm/min。
9.根据权利要求4所述的抗氧化铜基合金键合引线的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，拉伸时每道次的延伸率为5％～12％。
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