CN110718526A - 一种超细线距电子封装用稀土铜合金键合丝及其制备方法 - Google Patents

一种超细线距电子封装用稀土铜合金键合丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种稀土铜合金键合丝，以铜作为基底材料，添加有以下成分：51‑1000ppm的稀土元素和1‑800ppm的Pd，所述稀土元素为La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Td、Dy、Ho、Y中的一种或多种的组合。与镀钯防氧化相比，本发明稀土铜合金键合丝在使用过程中烧球更均匀，不会因内外层金属间结晶温度不同导致歪球现象，且硬度低，降低了键合过程中对芯片的损伤，使用性能更稳定，适用范围更广泛；本发明稀土铜合金键合丝强度高，能够很好地适应窄间距、低长弧、耐高温和超细高强的键合趋势要求。

Description

一种超细线距电子封装用稀土铜合金键合丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及集成电路微电子封装，尤其涉及一种超细线距电子封装用稀土铜合金键合丝及其制备方法。
背景技术
随着国内集成电路的不断发展，各种先进封装技术也在不断发展来满足其工艺和材料的要求，键合丝作为封装技术的四大主要材料之一，也在不断发展来适用封装向多引线化、高集成度和小型化的发展要求。
键合铜丝与传统键合金丝相比，具有不可比拟的成本优势，而且具有优良的高导电导热率和机械性能。在封装电路中，键合引线充当着芯片与引线框架的连接作用，键合引线的电阻在封装设计时也是需重要考虑的一个方面。电阻率与熔断电流一般成反比关系，键合纯铜丝的常温电阻率(1.8μΩ/cm)比金丝(2.3μΩ/cm)的要小，当键合丝的电阻率小一些，即熔断电流大一点，产生的压降也要小一些，在承受相同电流时，截面积小，这样在微细间距封装中就可以采用更细的焊线，或者可以把芯片的键合区面积设计得更小，这样就可以增大芯片表面的有源区的有效面积，从而提高了功率器件的电流容量和性能，且铜钱的抗拉强度和延伸率也可做到比金丝高，故键合铜丝可以做的更细，键合后的弧线也更加稳定，是高引出端、细线径高端产品封装的最佳选择。
但是，铜的硬度比常规金丝和银丝高，在键合过程中容易导致芯片损伤，且铜线容易氧化，储存时间短，长期使用会降低键合可靠性。目前解决铜丝硬度和氧化性问题主要有两种研究方向，一种是合金化，中国专利CN 105132735 A公开了一种微电子封装用超细铜合金键合丝及其制备方法，其各成分及含量为：Ti 10-50wt.ppm，Li 10-50wt.ppm，Zr 10-50wt.ppm，Fe 10-50wt.ppm，Ag 10-50wt.ppm，B 10-50wt.ppm，稀土元素10-50wt.ppm，余量为铜及不可避免的杂质，且杂质中的O和S在整个铜合金键合丝中的含量≤5wt.ppm；所述稀土元素是Eu、Y和Dy中的一种或其中多种的组合，具有良好的抗氧化性能、良好的导电导热性、可焊性、较高的单丝长度等优良性能。但是仍存在以下几个问题：(1)该申请中需要制备多种中间合金，包括Cu-Ti中间合金、Cu-Li中间合金、Cu-Zr中间合金、Cu-Fe中间合金、Cu-Ag中间合金、Cu-B中间合金、Cu-Eu中间合金、Cu-Y中间合金和Cu-Dy中间合金，影响生产效率；(2)利用合金成分中的B、Li进行铜的脱氧和脱硫，但是铜中的微量有害金属杂质未考虑，微量有害金属杂质会影响铜丝的综合机械性能和加工性能。
发明内容
本发明针对现有含有稀土元素的铜合金键合丝中有害金属对其性能产生不利影响的问题，提供一种超细线距电子封装用稀土铜合金键合丝及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种稀土铜合金键合丝，以铜作为基底材料，其特征在于，还添加有以下成分：51-1000ppm的稀土元素和1-800ppm的Pd。所述稀土元素为La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Td、Dy、Ho、Y中的一种或多种的组合。
上述稀土铜合金键合丝的制备方法包括以下步骤：
1)合金：选择99.999％以上的高纯铜原料，与稀土元素混合，经过预合金和母合金，制备合金锭；
2)拉铸：将步骤1)所得合金锭经过真空连续拉铸工艺，拉铸成合金棒；
3)拉丝：将步骤2)所得合金棒通过拉丝机拉成丝线；
4)退火：采用管式退火工艺对步骤3)所得丝线进行退火处理，即得。
进一步，步骤1)中采用两步真空中频合金，合金温度为1100-1600℃。
进一步，步骤2)采用连续拉铸方式，拉铸温度为1000-1400℃。
进一步，步骤4)采用氮气氛围保护退火，退火温度为450-680℃，退火速度为30-100m/min。
本发明的有益效果是：本发明键合丝基底材料为高纯铜，强度高，导电、导热性能好，钯元素的添加，可提高铜丝抗氧化性，降低了铜丝硬度，添加适量稀土元素，可与铜中的微量杂质铅、铋等形成高熔点化合物，呈细小的球形质点均匀分布于晶粒内，细化晶粒，可显著改善铜的力学性能和加工性能，且能明显改善键合后的球形，与镀钯防氧化相比，本发明稀土铜合金键合丝在使用过程中烧球更均匀，不会因内外层金属间结晶温度不同导致歪球现象，且硬度低，降低了键合过程中对芯片的损伤，使用性能更稳定，适用范围更广泛；本发明稀土铜合金键合丝强度高，能够很好地适应窄间距、低长弧、耐高温和超细高强的键合趋势要求。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种直径为20μm(0.8mil)的稀土铜合金键合丝，组成键合丝的材料各成分重量百分比为：主合金Pd用量为50ppm，微量合金Ce用量为200ppm，余量为基底材料Cu。
其制备方法包括以下步骤：
第一步，原料：选择达到99.999％以上高纯度的铜、钯、铈原料；
第二步，合金：根据合金成分，在1550±50℃下以氩气为保护气体，制备铜、钯母合金，铜、钯、铈预合金；
第三步，拉铸：1250±5℃下进行真空连续拉铸工艺，熔铸成直径为8±0.3mm的稀土铜合金棒；
第四步，拉丝：将稀土铜合金棒先通过粗拉设备拉制成直径为1.65mm的合金丝，再通过中拉设备拉制成直径为0.32mm的合金丝，最终利用细拉、超细拉设备拉制成直径为20μm的稀土铜合金丝；
第五步，退火：使用管式退火炉对稀土铜合金线进行退火处理，退火温度600℃，退火速度100m/min，以消除合金丝的内应力，使之不产生扭曲、弯曲，调整机械性能。
第六步，绕线：根据产品长度要求，分绕成不同长度的小轴。
实施例2
一种直径为20μm(0.8mil)的稀土铜合金键合丝，组成键合丝的材料各成分重量百分比为：主合金Ce用量为200ppm，La用量为300ppm，Pd用量为10ppm，余量为基底材料Cu。
其制备方法包括以下步骤：
第一步，原料：选择达到99.999％以上高纯度的铜、铈、镧、钯原料；
第二步，合金：根据合金成分，在1500±5℃下以氩气为保护气体，制备铜、钯母合金，铜、钯、铈、镧预合金；
第三步，拉铸：1050±5℃下进行真空连续拉铸工艺，熔铸成直径为8±0.3mm的稀土铜合金棒；
第四步，拉丝：将稀土铜合金棒先通过粗拉设备拉制成直径为1mm的合金丝，再通过中拉设备拉制成直径为0.30mm的合金丝，最终利用细拉、超细拉设备拉制成直径为20μm的稀土铜合金丝；
第五步，退火：在退火炉上对稀土铜合金线进行退火，温度为620℃，退火速度100m/min,氮氢气氛保护，以消除合金丝的内应力，使之不产生扭曲、弯曲，调整机械性能；
第六步，绕线：根据产品长度要求，分绕成不同长度的小轴。
对比例
选用市售零号无氧铜(Cu>99.99wt％，O<5ppm)作为原材料，进行熔炼并拉拔至成品(线径为20μm的铜丝)。
检验方法
一、用万能材料试验机检验键合丝的机械性能是否符合要求，其要求为：断裂力B/L＞6.5gf、延伸率E/L 10～16％。
二、采用K&S全自动焊线机进行键合一焊点键合，参数如下：
EFO Current：55mA；EFO Time：0.48ms；
Bond Time：12ms；Bond Power：35dac；Bond Force：15g。
三、键合后性能测试：焊线采用BSOB键合模式，封装好的样品进行推拉力测试、球形测试、和高温高湿试验，考核能否达到指标；
(1)推拉力测试：使用推拉力机测试键合后的推拉力，拉力>5g，焊球推力标>18g，均满足需求。
(2)球形测试：键合后观察球形圆整度。
(3)高温高湿试验(THT)：在85℃/85％RH的环境下1000h，电性能测试通过。
测出的主要性能如表1所示，参考标准为YS/T 678-2008半导体器件键合用铜丝。
从表1实施例1和2与对比例的检测指标的数据可以看出，实施例1和2所得稀土铜合金键合丝与采用现有市售零号无氧铜制备的键合丝相比，各方面指标均有较为明显的提升。
表1.实施例1、2和对比例检测指标
BL/gf EL 球形 拉力/g 焊球推力/g THT-1000h
实施例1 7.31 12.64％ 好 8.85 29.95 通过
实施例2 7.28 13.12％ 好 9.31 29.25 通过
对比例 6.23 12.55％ 有不圆区域 7.52 27.23 未通过
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种稀土铜合金键合丝，以铜作为基底材料，其特征在于，还添加有以下成分：51-1000ppm的稀土元素和1-800ppm的Pd。
2.根据权利要求1所述的稀土铜合金键合丝，其特征在于，所述稀土元素为La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Td、Dy、Ho、Y中的一种或多种的组合。
3.一种如权利要求1或2所述的稀土铜合金键合丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)合金：选择99.999％以上的高纯铜原料，与稀土元素混合，经过预合金和母合金，制备合金锭；
2)拉铸：将步骤1)所得合金锭经过真空连续拉铸工艺，拉铸成合金棒；
3)拉丝：将步骤2)所得合金棒通过拉丝机拉成丝线；
4)退火：采用管式退火工艺对步骤3)所得丝线进行退火处理，即得。
4.根据权利要求3所述的稀土铜合金键合丝的制备方法，其特征在于，步骤1)中采用两步真空中频合金，合金温度为1100-1600℃。
5.根据权利要求3所述的稀土铜合金键合丝的制备方法，其特征在于，步骤2)采用连续拉铸方式，拉铸温度为1000-1400℃。
6.根据权利要求3所述的稀土铜合金键合丝的制备方法，其特征在于，步骤4)采用氮气氛围保护退火，退火温度为450-680℃，退火速度为30-100m/min。
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