CN109881037A

CN109881037A - 一种电子领域键合线用高阻尼高导热金合金及其工艺

Info

Publication number: CN109881037A
Application number: CN201910225006.1A
Authority: CN
Inventors: 刘亚军
Original assignee: Hangzhou Chenzuo Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Chenzuo Technology Co Ltd
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2019-06-14

Abstract

本发明公开了一种电子领域键合线用高阻尼高导热金合金及其工艺。按照重量百分比,该合金的成分为:Mn:20.0‑25.0wt.%,Fe:4.0‑5.0wt.%,Ni:1.0‑2.0wt.%,Ge:0.4‑0.6wt.%,Sc:0.1‑0.2wt.%,Ru:0.2‑0.4wt.%,Sn:2.0‑3.0wt.%,Be:0.1‑0.2wt.%,余量为金。该材料为工作在振动比较明显的电子器件中的金合金键合线提供了一种不同于传统材料的解决方案，可以有效地克服目前金键合线没有阻尼性能的现状。可以预计，该材料的实施和产业化不仅可以有效地避免金键合线由于振动带来的疲劳破坏，同时也能获得极大的社会效益的经济效益。

Description

一种电子领域键合线用高阻尼高导热金合金及其工艺

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种金合金。

背景技术

随着工业生产的不断发展和各种工业机械的日益增多，各种振动和噪音产生的危害和污染也越来越严重。噪音总是和振动伴生的，产生的噪音污染已经成为对人类危害很大的环境污染的一种。各种设备和机械的创造和广泛使用，除了带来市场上的繁荣和人民生活水平的提高外，也越来越严重的影响到了工业领域和人民身心健康的方方面面。

交通领域和工业生产中的各种机械部件之间的撞击，摩擦是振动的主要来源。此外，高速或者高压流体在运动过程中遇到障碍物也会引起相当的振动。这些振动最终要转换为噪音而传递到周围的介质中。振动的消极方面是很多的：影响仪器设备功能，降低机械设备的工作精度，加剧构件磨损，甚至引起结构疲劳破坏。而且，还可以通过机械故障缩短产品寿命。传递到空气中的噪音也会对周围人们的身心健康产生严重的危害，会对听力造成损伤，还能诱发多种致癌致命的疾病。总之，振动和噪音已经演变为当前的三大公害之一。

降低振动和抑制噪音的控制已经在世界范围内引入到结构设计中，并成为减振降噪的有效手段。它们的目的是吸收或者阻止振动和噪音的传输，隔离结构件之间的振动传播，通过内部阻尼设计来进行冲击吸收，减少结构谐振行为等。阻尼是材料内部的能量衰减行为，通过一定的组织机制将振动的能量转换为热量而耗散掉。采用阻尼机制的结构件，不仅可以减低振动和噪音，还能提高机械的工作精度和延长使用寿命。即使对于地震这样级别的振动，人们也可以在建筑物内部通过提高结构阻尼性能的办法来减低地震的损失，显著的提高楼房和桥梁的抗振能力。

目前而言，世界范围内常用的阻尼材料由有机阻尼材料（橡胶等）和合金阻尼材料。由于有机阻尼材料力学性能低和不耐高温等缺点不能作为结构材料使用。而合金阻尼材料具有常用结构合金的力学性能，有的品种还具有耐高温和耐腐蚀的优异性能。阻尼合金的出现为防止振动和降低噪音的产生开辟了一条新的且更具有实用前途的途径。将阻尼合金用于振动源和生源部位不仅可以达到明显的减振降噪的效果，还能消除机械的剧烈振动造成的疲劳损伤，在保证机械正常的工作状态下还能最大的延长使用寿命。

工程上用的比较多的阻尼合金是铁基，铝基，镁基和锰基阻尼合金，主要应用在航空，航天，车辆和机器制造工业中。近年来，我国的合金新材料的质量，性能，绿色冶金水平显著的提升，合金新材料的产业发展也为我国工业转型升级提供了新的契机。目前，世界范围内也正在新材料领域建立健全的上下游产业合作机制，并加快新材料在工业领域的应用和推广。因而,开发高性能,高技术和高品质的新型阻尼合金将成为目前的主要方向。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种电子领域键合线用高阻尼高导热金合金及其工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电子领域键合线用高阻尼高导热金合金及其工艺。按重量百分比计,合金的组成为Mn:20.0-25.0wt.%,Fe:4.0-5.0wt.%,Ni:1.0-2.0wt.%,Ge:0.4-0.6wt.%,Sc:0.1-0.2wt.%,Ru:0.2-0.4wt.%,

Sn:2.0-3.0wt.%,Be:0.1-0.2wt.%,余量为金。

上述一种电子领域键合线用高阻尼高导热金合金及其工艺，包括如下冶炼步骤：将如上配比的原料在感应电炉中熔炼，其中活泼或者易挥发元素以中间合金的形式加入;熔炼过程中采用石墨坩埚和氩气保护；坩埚加热到1100-1200度后形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌15分钟左右;将合金熔体在1100度保温静置15分钟后浇铸到水玻璃或者石墨模具内进行铸造成棒状（直径50-60mm）。

上述一种电子领域键合线用高阻尼高导热金合金及其工艺，包括如下加工步骤：（1）第一次的开坯，将铸锭材料真空炉中加热到600-700度后取出并进行旋锻开坯加工，直径缩5-6%，然后进行真空600-700度回火1小时后室温冷却。（2）多道次的旋锻，对棒材进行常温下的旋锻加工，每道次直径缩5-6%，每两道次后要进行600-700度的真空再结晶退火1小时并随炉冷却，如此重复直到最终的棒材直径达到1-2mm。（3）多道次的拉丝，对棒材料进行多道次的室温拉丝，每道次直径缩5-6%，每两道次后要进行600-700度的再结晶退火1小时并随炉冷却，如此重复直到最终的丝材直径达到所需的金合金键合线直径。（4）最后的热处理，将具备最终尺寸的金键合线在400-420度下时效4个小时并随炉冷却。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）由于封装技术在近年来的快速发展使得封装产品对材料要求越来越高。目前在常规的芯片封装中，采用金线的键合引线方式是常规的芯片封装方法。由于金线具有优异的可靠性和导电性，目还没有其它材料可以将其完全取代。同时其键合工艺在半导体器件中是非常成熟的，也在产品的性能和质量控制中发挥着重要的作用。但是半导体产品用于振动比较大的场合，例如飞行器和机械设备，要经受非常大的振动。这些振动不仅严重的影响了机械本身的使用寿命，也使得半导体设备中的金线面临着在键合处（焊接点）由于振动而引起的开裂和失效。目前现有的金键合线在材料设计上并没有减振所需的内耗作用，因而当相关的封装产品用于振动比较大的场合时，就面临着设备故障的后果。因而，本专利提出了一种具有阻尼机制的半导体封装键合用金线材料及其加工工艺。

（2）本专利申请保护的金键合线材料属于金锰系阻尼合金。从微观机理而言，该合金的高阻尼来自于顺磁-反铁磁转变以及fcc-fct马氏体相变后形成的反铁磁fct中孪晶界在外力的作用下弛豫过程所带来的能量耗散。原理上，当合金中锰的含量低于75wt%时，合金的磁性转变和马氏体相变温度远远低于室温。因此从高温fcc相淬火到室温附近将不会发生上述相变，而处于过饱和的亚稳态。然而，当该合金在时效温度范围内（400-420度4个小时）进行时效时，该固溶体发生调幅分解，生成富Mn部分和富金部分。在随后的冷却过程中，富锰部分由于顺磁-反铁磁转变和马氏体转变温度高于室温而发生顺磁-反铁磁转变和马氏体相变（fcc-fct）。因而对于本专利而言，合金中的锰含量为20-25wt%,经过熔炼，铸造和热加工后在400-420度的4个小时时效过程中可以借助调幅分解带来的成分变化，从而使得固溶体的相转变温度升高。因而可以使得该金合金在室温下获得因马氏体相变带来的高阻尼性能。

（3）本专利申请的金锰合金在热处理后生成了马氏体（fct）及其孪晶界面。这些孪晶界在基体受到外力变形的过程中在材料内部移动，伴随着马氏体数量或者方向的变化。由于该过程耗散能量，因而起到了内部阻尼的机制。可以预计，该类型的孪晶界面越多，合金的阻尼性能就会越大。本专利申请的金合金，在时效后富Mn区域的马氏体转变温度为75-80度，因而该合金在用于减振作用是阻尼机制能够发挥的最高温度不能超过该马氏体相变温度。这在电子器件封装的正常使用温度范围内，因而在服役过程中可以起到很好的防止金键合线由于振动而引起的疲劳破坏。此外，当电子器件由于某种原因而使得局部温度上升到该马氏体温度以上时，由于随后的降温过程中当温度低于该马氏体温度时又会发生马氏体转变而使得金键合线的阻尼机制得到恢复，从而为电子器件封装的寿命和效率提供了结构基础。

（4）该合金具有非常优异的铸造性能，熔点维持在850-920度。由于进行了材料学的优化，熔体与铸型发生反应的机会和程度小看，且合金熔体的纯净度很高。该合金熔体由于具有很好的流动性和宽广的凝固温度范围（100-120度），可以有效地克服传统铸造中经常出现的气孔、砂眼、缩松、夹渣、裂纹等多种铸造问题。在凝固过程中由于枝晶间的空隙得到有效的补偿，因而铸件的密实度很高（98%以上）。可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。且合金元素不会在偏聚在晶界处，晶界处晶粒间的结合能较强，界面能比较低。

（5）该材料具有非常优异的力学性能和阻尼性能。在经过多次的拉把，再结晶退火和最终的时效后，电学性能，力学性能和阻尼性能为：相对导电率为72-74%（相对于纯银），屈服强度为95-110MPa，抗拉强度为142-150MPa，延伸率为7-8%%，SDC为24-26%。比较而言，目前常见的金键合线的性能为：相对导电率为70-71%（相对于纯银），屈服强度为95-110Pa，抗拉强度为130-140MPa，延伸率为4-5%%，SDC小于5%。因而本专利申请保护的金键合线材料具有优异的电学性能，力学性能和阻尼性能。此外,该材料还具有非常优异的传热性能,传热系数为350-380W/m﹒K，而传统的金合金的传热系数小于280 W/m﹒K。因而，在由于局部过热引起的温度上升的过程中，该金键合线也可以发挥优异的传热作用而将热量尽快导出。在材料构成和设计上为电子封装安全工作奠定了基础。同时由于该材料冶炼和加工方法简单，生产成本低，在保证合金使用寿命的同时有利于工业化大生产。

具体实施方式

实施例1

一种电子领域键合线用高阻尼高导热金合金及其工艺。按重量百分比计，合金的组成为Mn:20.0wt.%,Fe:4.0wt.%,Ni:1.0wt.%,Ge:0.4wt.%,Sc:0.1wt.%,Ru:0.2wt.%,Sn:2.0wt.%,Be:0.1wt.%,余量为金。

该合金具有非常优异的铸造性能，熔点维持在860度。由于进行了材料学的优化，熔体与铸型发生反应的机会和程度小看，且合金熔体的纯净度很高。该合金熔体由于具有很好的流动性和宽广的凝固温度范围（105度），可以有效地克服传统铸造中经常出现的气孔、砂眼、缩松、夹渣、裂纹等多种铸造问题。该材料具有非常优异的力学性能和阻尼性能。在经过多次的拉把，再结晶退火和最终的时效后，电学性能，力学性能和阻尼性能为：相对导电率为73%（相对于纯银），屈服强度为98MPa，抗拉强度为146MPa，延伸率为7%%，SDC为25%。比较而言，目前常见的金键合线的性能为：相对导电率为70-71%（相对于纯银），屈服强度为95-110Pa，抗拉强度为130-140MPa，延伸率为4-5%%，SDC小于5%。因而本专利申请保护的金键合线材料具有优异的电学性能，力学性能和阻尼性能。此外,该材料还具有非常优异的传热性能,传热系数为360W/m﹒K，而传统的金合金的传热系数小于280 W/m﹒K。因而，在由于局部过热引起的温度上升的过程中，该金键合线也可以发挥优异的传热作用而将热量尽快导出。在材料构成和设计上为电子封装安全工作奠定了基础。

实施例2

一种电子领域键合线用高阻尼高导热金合金及其工艺。按重量百分比计，合金的组成为Mn:25.0wt.%,Fe:5.0wt.%,Ni:2.0wt.%,Ge:0.6wt.%,Sc:0.2wt.%,Ru:0.4wt.%,Sn:3.0wt.%,Be:0.2wt.%,余量为金。

该合金具有非常优异的铸造性能，熔点维持在910度。由于进行了材料学的优化，熔体与铸型发生反应的机会和程度小看，且合金熔体的纯净度很高。该合金熔体由于具有很好的流动性和宽广的凝固温度范围（110度），可以有效地克服传统铸造中经常出现的气孔、砂眼、缩松、夹渣、裂纹等多种铸造问题。该材料具有非常优异的力学性能和阻尼性能。在经过多次的拉把，再结晶退火和最终的时效后，电学性能，力学性能和阻尼性能为：相对导电率为72%（相对于纯银），屈服强度为100MPa，抗拉强度为148MPa，延伸率为7%%，SDC为24%。比较而言，目前常见的金键合线的性能为：相对导电率为70-71%（相对于纯银），屈服强度为95-110Pa，抗拉强度为130-140MPa，延伸率为4-5%%，SDC小于5%。因而本专利申请保护的金键合线材料具有优异的电学性能，力学性能和阻尼性能。此外,该材料还具有非常优异的传热性能,传热系数为372W/m﹒K，而传统的金合金的传热系数小于280 W/m﹒K。因而，在由于局部过热引起的温度上升的过程中，该金键合线也可以发挥优异的传热作用而将热量尽快导出。在材料构成和设计上为电子封装安全工作奠定了基础。

Claims

1.一种电子领域键合线用高阻尼高导热金合金及其工艺；按照重量百分比,该合金的成分为:Mn:20.0-25.0wt.%,Fe:4.0-5.0wt.%,Ni:1.0-2.0wt.%,Ge:0.4-0.6wt.%,Sc:0.1-0.2wt.%,Ru:0.2-0.4wt.%,Sn:2.0-3.0wt.%,Be:0.1-0.2wt.%,余量为金。

2.根据权利要求1所述一种电子领域键合线用高阻尼高导热金合金及其工艺，其特征在于包括如下冶炼步骤：将如上配比的原料在感应电炉中熔炼，其中活泼或者易挥发元素以中间合金的形式加入;熔炼过程中采用石墨坩埚和氩气保护；坩埚加热到1100-1200度后形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌15分钟左右;将合金熔体在1100度保温静置15分钟后浇铸到水玻璃或者石墨模具内进行铸造成棒状（直径50-60mm）。

3.根据权利要求1所述一种电子领域键合线用高阻尼高导热金合金及其工艺，其特征在于包括如下加工步骤：（1）第一次的开坯，将铸锭材料真空炉中加热到600-700度后取出并进行旋锻开坯加工，直径缩5-6%，然后进行真空600-700度回火1小时后室温冷却；（2）多道次的旋锻，对棒材进行常温下的旋锻加工，每道次直径缩5-6%，每两道次后要进行600-700度的真空再结晶退火1小时并随炉冷却，如此重复直到最终的棒材直径达到1-2mm；（3）多道次的拉丝，对棒材料进行多道次的室温拉丝，每道次直径缩5-6%，每两道次后要进行600-700度的再结晶退火1小时并随炉冷却，如此重复直到最终的丝材直径达到所需的金合金键合线直径；（4）最后的热处理，将具备最终尺寸的金键合线在400-420度下时效4个小时并随炉冷却。