CN111326491A - 一种镀金键合铝线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种镀金键合铝线及其制备方法，镀金键合铝线的质量百分比组份为铜：15％～20％，镍：0.3％～5％或银：0.3％～6.5％，金：1.2％～7.5％，余量为铝或铝‑硅合金。制备方法为：制备铝杆或铝‑硅合金杆，然后包覆铜，进行拉制，再镀镍或镀银，然后镀金，最后经过微细拉制、超微细拉制和热处理制备出镀金键合铝线。本发明中的镀金键合铝线具有高强度、高可靠性特征，满足IGBT器件的应用，采用小减面率加工及控制模具入口区角度、定径区长度和出口区角度以实现镀金键合铝线大长度拉制，消除了镀金键合铝线拉丝过程中易于断线的现象；同时确保了镀金键合铝线表面具有良好的光洁度，有效确保了键合过程的键合强度。

Description

一种镀金键合铝线及其制备方法
技术领域
本发明属于合金材料的加工领域，具体涉及一种镀金键合铝线及其制备方法。
背景技术
随着高速铁路、新能源汽车及航空航天的快速发展，IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)功率驱动模块的需求量越来越大，同时对IGBT功率驱动模块的品质及可靠性要求越来越高。对于IGBT功率模块，其栅极、集电极、发射极，二极管芯片的正负极都是通过键合铝线连接到相应的端子上，通过端子实现与外部电路的通讯。键合铝线根据其粗细程度不同可以划分为两种，铝线直径小于100um为细铝线，铝线直径介于100-500um之间的为粗铝线，铝线的直径越大，承载电流的能力就会越强。应用于IGBT的键合铝线具有如下特征：(1)可靠性高，键合点具有高可靠性，可以提升IGBT器件使用寿命及其利于在苛刻条件下使用；(2)导电性好，高导电率有利于降低线材直径、节省材料使用量以及电子元器件的微型化；(3)高强度，键合铝线具有高强度特征可以满足长距离低弧度连接；(4)性能一致性好，有利于提升作业效率。此外，键合铝线还应具有耐热耐蚀、抗氧化等特性。
目前现有的键合铝线在一般要求的IGBT功率器件上可以满足要求，随着对IGBT功率器件性能及可靠性方面提出更高的要求，普通键合铝线在应用过程中存在如下问题：(1)键合铝线与镀贵金属电极连接界面可靠性较低，尤其在长期使用过程中键合界面金属间化合物生长较快，严重降低了器件的寿命及可靠性；(2)键合铝线拉伸强度和耐热性较低，键合后容易发生引线下垂和塌丝，进而引起器件失效；(3)键合铝线表面清洁性差，进而降低键合强度。
因此，需要提供一种针对上述现有的键合铝线在应用过程中不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种镀金键合铝线及其制备方法，用以克服上述现有技术中键合铝线与镀贵金属电极连接界面可靠性较低、键合铝线拉伸强度和耐热性较低而引起器件失效以及键合铝线表面清洁性差，进而降低键合强度的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种镀金键合铝线，所述镀金键合铝线包括铝质基材层，所述铝质基材层的外部依次包覆有铜层、镍层或银层、金层；
所述铜层的材质为铜；
所述镍层或银层的材质为镍或银；
所述金层的材质为金。
在如上所述的镀金键合铝线，作为优选方案，所述铝质基材层的材质为铝或铝-硅合金，所述铝-硅合金包括以下质量百分比的组份，硅：0.8％～1.2％，余量为铝；
优选地，所述铝的纯度高于99.99％；
更优选地，所述硅的纯度高于99.99％。
在如上所述的镀金键合铝线，作为优选方案，所述镀金键合铝线包括以下质量百分比的组份，铜：15％～20％，镍：0.3％～5％或银：0.3％～6.5％，金：1.2％～7.5％，余量为铝或铝-硅合金。
在如上任一所述的镀金键合铝线的制备方法，作为优选方案，所述制备方法包括以下步骤：
S1、称取铝或铝-硅合金原材料，将原材料放置于高真空连铸机中进行熔炼，待铝或铝-硅合金完全溶解后，开启牵引机构进行拉铸，得到铝杆或铝-硅合金杆；
S2、将步骤S1中得到的所述铝杆或铝-硅合金杆在连续包覆机上通过焊接的方式在表面包覆一层铜箔，得到铜包覆的铝杆或铜包覆的铝-硅合金杆；
S3、将步骤S2中得到的所述铜包覆的铝杆或铜包覆的铝-硅合金杆在单模具拉丝机上进行拉制，拉制成铜包覆的铝线或铜包覆的铝-硅合金线；
S4、对步骤S3中拉制成的所述铜包覆的铝线或铜包覆的铝-硅合金线，采用电镀的方式进行镀镍或镀银，当铜包覆的铝线或铜包覆的铝-硅合金线镀镍或镀银完成后，再采用电镀的方式进行镀金，得到镀金铝线或镀金铝-硅合金线；
S5、将步骤S4中得到的所述镀金铝线或镀金铝-硅合金线在拉丝机上进行微细拉制，得到微细镀金铝线或微细镀金铝-硅合金线；
S6、将步骤S5中得到的所述微细镀金铝线或微细镀金铝-硅合金线在拉丝机上进行超微细拉制，然后在退火设备上进行热处理，制备出镀金键合铝线。
在如上所述的镀金键合铝线的制备方法，作为优选方案，步骤S1中所述熔炼具体为，对高真空连铸机进行抽真空，真空度高于2.0Pa后，开始升温，温度升至300℃～450℃后，停止抽真空并向高真空连铸机中充入保护气体至真空度为0.01MPa～0.3MPa；然后继续升温至650℃～750℃，待铝或铝-硅合金完全熔融且金属熔体变清澈后，充入保护气体至1.01MPa～1.1MPa；
优选地，所述保护气体为氩气或氮气；
更优选地，所述高真空连铸机为高真空竖引式中频连铸机；
更优选地，所述铝杆或铝-硅合金杆的直径为4～6mm。
在如上所述的镀金键合铝线的制备方法，作为优选方案，步骤S3中所述拉制过程中的减面率为12％～20％，拉制的速度≤50m/min；
所述拉制过程中拉丝润滑液采用水性润滑剂，所述拉丝润滑液的浓度为20％～30％；
优选地，步骤S3中所述铜包覆的铝线或铜包覆的铝-硅合金线的直径为0.9mm～1.2mm。
在如上所述的镀金键合铝线的制备方法，作为优选方案，步骤S5中所述微细拉制过程中的减面率为5.0％～8.0％，拉丝润滑液的浓度＞5％，拉制的速度≤200m/min；
所述微细拉制过程中拉丝模具入口区的角度为13°～16°，拉丝模具定径区的长度为进线直径的70％～90％，拉丝模具出口区的角度为80°～90°；
优选地，步骤S5中所述微细镀金铝线或微细镀金铝-硅合金线的直径为0.1mm～0.5mm。
在如上所述的镀金键合铝线的制备方法，作为优选方案，步骤S6中所述超微细拉制过程中的减面率为4.0％～7.0％，拉丝润滑液的浓度＞5％，拉丝的速度≤300m/min；
所述超微细拉制过程中拉丝模具入口区的角度为12°～14°，拉丝模具定径区的长度为进线直径的80％～90％，拉丝模具出口区的角度为75°～85°。
在如上所述的镀金键合铝线的制备方法，作为优选方案，步骤S6中所述热处理的温度为150℃～350℃，热处理的速度为30～100m/min；
步骤S6中所述退火设备上的退火管的长度为1～2m，所述退火管的出口处设置有冷却液槽用于冷却热处理后的镀金键合铝线；
优选地，所述冷却液槽内的冷却介质为酒精溶液，所述酒精溶液的浓度≥95％。
在如上所述的镀金键合铝线的制备方法，作为优选方案，步骤S6中制备出的所述镀金键合铝线的直径为0.02mm～0.05mm。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
本发明提供一种镀金键合铝线，基体材料为铝质基材，在铝质基材的外部依次包覆有铜、镍或银、金，该结构使键合铝线具有高强度、高可靠性特征，满足高功率高可靠性的IGBT器件的应用；在铝质基材的表面采用氩弧焊焊接方式确保包覆层的均匀，消除了后续加工过程中包覆层脱落的弊端；镀金键合铝线可以消除键合界面的金属间化合物，解决了连接界面可靠性较低、寿命短，长期使用过程中键合界面金属间化合物生长较快的问题，进而在成本增加有限的条件下大幅度提升了IGBT器件的可靠性；同时还提升了键合铝线拉伸强度和耐热性，消除了键合后引线下垂和塌丝的现象；增加了键合铝线表面易清洁的特性，进而提升了键合强度。
本发明还提供了一种镀金键合铝线的制备方法，通过采用小减面率加工及控制模具入口区角度、定径区长度和出口区角度以实现镀金键合铝线大长度拉制，消除了镀金键合铝线拉丝过程中易于断线的现象；同时，采用小减面率和优化参数的模具加工镀金键合铝线，确保了镀金键合铝线表面具有良好的光洁度，有效确保了键合过程的键合强度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明实施例中镀金键合铝线横截面的结构示意图；
图2为本发明实施例中所制备的镀金键合铝线的SEM图。
图中：1、铝质基材层；2、铜层；3、镍层或银层；4、金层。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提供一种镀金键合铝线，满足高功率高可靠性IGBT器件用镀金键合铝线结构，该结构使键合铝线具有高强度、高可靠性的特征；解决了连接界面可靠性较低、寿命短，长期使用过程中键合界面金属间化合物生长较快的问题；在键合铝线表面包覆高强度高导电率的纯铜材料及稳定性好的纯金材料，进一步提升了键合铝线的可靠性、强度及导电性；进一步的采用铝-硅合金作为基体材料，在不严重降低导电率的前提下进一步提升键合铝线的强度；其中，在键合铝线表面包覆的纯铜材料的厚度需要严格控制(厚度折算成质量百分比为15％～20％)，厚度较厚将会引起键合铝线硬度增加，键合过程中芯片焊点弹坑几率增加；厚度较薄对键合铝线强度及导电率提升不明显；再者，铝线表面采用氩弧焊焊接方式可以确保包覆层均匀，消除了后续加工过程中包覆层脱落的弊端。高性能IGBT芯片及框架由镀铝层转变为镀金层，镀金键合铝线可以消除键合界面的金属间化合物(同种金属不存在金属间化合物)，进而在成本增加有限的条件先大幅度提升IGBT器件的可靠性。但是，由于纯铜表面无法直接镀金，包覆纯铜键合铝线上预先电镀一层镍或银，然后再镀金，确保了纯金在包覆纯铜键合铝线表面具有良好的结合力，在后续的拉制加工过程中不出现镀层脱落的现象。
本发明提供一种镀金键合铝线，如图1所示，镀金键合铝线包括铝质基材层，铝质基材层的外部依次包覆有铜层、镍层或银层、金层；铜层的材质为铜；镍层或银层的材质为镍或银；金层的材质为金。
在本发明具体实施例中，铝质基材层的材质为铝或铝-硅合金，铝-硅合金包括以下质量百分比的组份，硅：0.8％～1.2％(比如0.8％、0.85％、0.9％、0.95％、1.0％、1.05％、1.1％、1.15％、1.2％)，余量为铝；优选地，铝的纯度高于99.99％；更优选地，硅的纯度高于99.99％。
在本发明具体实施例中，镀金键合铝线包括以下质量百分比的组份，铜：15％～20％(比如15％、15.5％、16％、16.5％、17％、17.5％、18％、18.5％、19％、19.5％、20％)，镍：0.3％～5％(比如0.3％、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％、4.0％、4.5％、5.0％)或银：0.3％～6.5％(比如0.3％、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％、4.0％、4.5％、5.0％、5.5％、6.0％、6.50％)，金：1.2％～7.5％(比如1.2％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％、4.0％、4.5％、5.0％、5.5％、6.0％、6.5％、7.0％、7.5％)，余量为铝或铝-硅合金。
本发明还提供了一种镀金键合铝线的制备方法，通过采用小减面率加工及控制模具入口区角度、定径区长度和出口区角度以实现镀金键合铝线大长度拉制，消除了镀金键合铝线拉丝过程中易于断线的现象；同时，采用小减面率和优化参数的模具加工镀金铝线，确保了镀金键合铝线表面具有良好的光洁度，有效确保了键合过程的键合强度。
本发明提供一种镀金键合铝线的制备方法，制备方法包括以下步骤：
S1、称取铝或铝-硅合金原材料，将原材料放置于高真空连铸机中进行熔炼，待铝或铝--硅合金完全溶解后，开启牵引机构进行拉铸，得到铝杆或铝-硅合金杆。
在本发明具体实施例中，步骤S1中熔炼具体为，对高真空连铸机进行抽真空，真空度高于2.0Pa后，开始升温，温度升至300℃～450℃(比如300℃、310℃、320℃、330℃、340℃、350℃、360℃、370℃、380℃、390℃、400℃、410℃、420℃、430℃、440℃、450℃)后，停止抽真空并向高真空连铸机中充入保护气体至真空度为0.01MPa～0.3MPa(比如0.01MPa、0.05MPa、0.08MPa、0.1MPa、0.13MPa、0.15MPa、0.18MPa、0.2MPa、0.23MPa、0.25MPa、0.28MPa、0.3MPa)；然后继续升温至650℃～750℃(比如650℃、660℃、670℃、680℃、690℃、700℃、710℃、720℃、730℃、740℃、750℃)，待铝或铝-硅合金完全熔融且金属熔体变清澈后，充入保护气体至1.01MPa～1.1MPa(比如1.01MPa、1.02MPa、1.03MPa、1.04MPa、1.05MPa、1.06MPa、1.07MPa、1.08MPa、1.09MPa、1.1MPa)；
优选地，保护气体为氩气或氮气；
更优选地，高真空连铸机为高真空竖引式中频连铸机；其中，高真空连铸机中的坩埚为高纯石墨坩埚，结晶器、引锭头材料为高纯石墨。
更优选地，铝杆或铝-硅合金杆的直径为4～6mm(比如4mm、4.2mm、4.5mm、4.8mm、5.0mm、5.2mm、5.5mm、5.8mm、6mm)。
S2、将步骤S1中得到的铝杆或铝-硅合金杆在连续包覆机上通过焊接的方式在表面包覆一层铜箔，得到铜包覆的铝杆或铜包覆的铝-硅合金杆。
在本发明具体实施例中，步骤S2中的焊接方式为氩弧焊接。
S3、将步骤S2中得到的铜包覆的铝杆或铜包覆的铝-硅合金杆在单模具拉丝机上进行拉制，拉制成铜包覆的铝线或铜包覆的铝-硅合金线。
在本发明具体实施例中，步骤S3中拉制过程中的减面率为12％～20％(比如12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％)，拉制的速度≤50m/min(比如5m/min、10m/min、15m/min、20m/min、25m/min、30m/min、35m/min、40m/min、45m/min、50m/min)；
拉制过程中拉丝润滑液采用水性润滑剂，拉丝润滑液的浓度为20％～30％(比如20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％)；其中，拉丝润滑液是在金属丝拉拔过程中的工艺润滑材料，在被拉金属与拉丝模模壁之间形成一层润滑膜，减小界面间的摩擦，防止因发热而发生金属在模壁上的粘结，以降低拉拔时的能耗和温升，延长拉丝模的使用寿命，保证产品的表面质量，并使金属变形均匀。优选地，步骤S3中铜包覆的铝线或铜包覆的铝-硅合金线的直径为0.9mm～1.2mm(比如0.9mm、0.92mm、0.95mm、0.98mm、1.0mm、1.02mm、1.05mm、1.08mm、1.1mm、1.12mm、1.15mm、1.18mm、1.2mm)。
S4、对步骤S3中拉制成的铜包覆的铝线或铜包覆的铝-硅合金线，采用电镀的方式进行镀镍或镀银，当铜包覆的铝线或铜包覆的铝-硅合金线镀镍或镀银完成后，再采用电镀的方式进行镀金，得到镀金铝线或镀金铝-硅合金线。
S5、将步骤S4中得到的镀金铝线或镀金铝-硅合金线在拉丝机上进行微细拉制，得到微细镀金铝线或微细镀金铝-硅合金线。
在本发明具体实施例中，步骤S5中微细拉制过程中的减面率为5.0％～8.0％(比如5.0％、5.2％、5.5％、5.7％、6.0％、6.2％、6.5％、6.8％、7.0％、7.2％、7.5％、7.8％、8.0％)，拉丝润滑液的浓度＞5％，拉制的速度≤200m/min；拉丝润滑液为水性润滑剂。
微细拉制过程中拉丝模具入口区的角度为13°～16°(比如13°、13.5°、14°、14.5°、15°、15.5°、16°)，拉丝模具定径区的长度为进线直径的70％～90％(比如70％、72％、74％、76％、78％、80％、82％、84％、86％、88％、90％)，拉丝模具出口区的角度为80°～90°(比如80°、81°、82°、83°、84°、85°、86°、87°、88°、89°、90°)；
优选地，步骤S5中微细镀金铝线或微细镀金铝-硅合金线的直径为0.1mm～0.5mm(比如0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm)。
S6、将步骤S5中得到的微细镀金铝线或微细镀金铝-硅合金线在拉丝机上进行超微细拉制，然后在连续在线退火设备上进行热处理，制备出镀金键合铝线。
在本发明具体实施例中，步骤S6中超微细拉制过程中的减面率为4.0％～7.0％(比如4.0％、4.5％、5.0％、5.5％、6.0％、6.5％、7.0％)，拉丝润滑液的浓度＞5％，拉丝润滑液为水性润滑剂，拉丝的速度≤300m/min；超微细拉制过程中拉丝模具入口区的角度为12°～14°(比如12°、12.2°、12.5°、12.7°、13.0°、13.2°、13.5°、13.8°、14°)，拉丝模具定径区的长度为进线直径的80％～90％(比如80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％)，拉丝模具出口区的角度为75°～85°(比如75°、76°、77°、78°、79°、80°、81°、82°、83°、84°、85°)。
在本发明具体实施例中，步骤S6中热处理的温度为150℃～350℃(比如150℃、170℃、190℃、200℃、210℃、230℃、250℃、270℃、290℃、300℃、320℃、350℃)，热处理的速度30～100m/min(比如30m/min、40m/min、50m/min、60m/min、70m/min、80m/min、90m/min、100m/min)；
步骤S6中退火设备上的退火管的长度为1～2m(比如1m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m、1.6m、1.7m、1.8m、1.9m、2m)，退火管的出口处设置有冷却液槽用于冷却热处理后的镀金键合铝线；
优选地，冷却液槽内的冷却介质为酒精溶液，酒精溶液的浓度≥95％；
更优选地，退火设备上的导线轮的表面光滑，粗糙度为Ra1.6。
在本发明具体实施例中，步骤S6中制备出的镀金键合铝线的直径为0.02mm～0.05mm。
以下具体实施例和对照例中，铝的纯度高于99.99％，硅的纯度高于99.99％，铜的纯度高于99.99％，镍的纯度高于99.9％，银的纯度高于99.99％，金的纯度高于99.99％。
实施例1
本实施例提供一种镀金键合铝线，包括以下质量百分比的组份，铜：18％，镍：3％，金：5％，余量为铝:74％。
本实施例中镀金键合铝线的制备方法，包括以下步骤：
S1、取74g铝放置于高真空竖引式中频连铸机的坩埚中，对高真空竖引式连铸机的炉膛抽真空，真空度高于2.0Pa后，开始升温，温度升至380℃后，停止抽真空并向高真空连铸机中充入氩气至真空度为0.2MPa；然后继续升温至700℃，待铝或铝-硅合金完全熔融且金属熔体变清澈后，充入氩气至1.06MPa开启牵引机构进行拉铸，得到铝杆的直径为5mm。
S2、将步骤S1中得到的直径为5mm的铝杆在连续包覆机上通过氩弧焊接的方式在表面包覆一层铜箔，包覆铜箔的厚度折算成质量为18g，得到铜包覆的铝杆。
S3、将步骤S2中得到的铜包覆的铝杆在单模具拉丝机上进行拉制，拉制过程中的减面率为16％，拉制的速度≤50m/min，拉制过程中采用水性拉丝润滑剂作为拉丝润滑液，拉丝润滑液的浓度为25％，最终拉制成直径为1.0mm的铜包覆的铝线。
S4、对步骤S3中拉制成的直径为1.0mm的铜包覆的铝线，采用电镀的方式进行镀镍，其中，镀镍层的厚度折算成质量为3g，当铜包覆的铝线镀镍完成后，再采用电镀的方式进行镀金，镀金层的厚度折算成质量为5g，得到镀金铝线。
S5、将步骤S4中得到的镀金铝线在拉丝机上进行微细拉制，微细拉制过程中的减面率为6％，拉丝润滑液的浓度＞5％，拉制的速度≤200m/min；拉丝模具入口区的角度为15°，拉丝模具定径区的长度为进线直径的80％，拉丝模具出口区的角度为85°；最终拉制得到直径为0.3mm的微细镀金铝线。
S6、将步骤S5中得到的直径为0.3mm的微细镀金铝线在拉丝机上进行超微细拉制，拉制成直径为0.03mm的镀金键合铝线，超微细拉制过程中的减面率为5％，拉丝润滑液的浓度＞5％，拉丝的速度≤300m/min；超微细拉制过程中拉丝模具入口区的角度为13°，拉丝模具定径区的长度为进线直径的85％，拉丝模具出口区的角度为80°。然后将超微细拉制的镀金键合铝线在连续在线退火设备上进行热处理，热处理的温度为250℃，热处理的速度为60m/min；退火设备上的退火管的长度为1.5m，退火管的出口处设置有冷却液槽用于冷却热处理后的镀金键合铝线，冷却液槽内的冷却介质为酒精溶液，酒精溶液的浓度≥95％，且退火过程中导线轮的表面光滑，粗糙度为Ra1.6。
如图2所示，为本实施例中所制备的镀金键合铝线的SEM图，由图中可以看出镀金键合铝线表面具有良好的光洁度，高光洁度有效确保键合过程的键合强度。
性能测试：
将本发明实施例中制备的镀金键合铝线进行拉伸强度、伸长率、导电性能和可靠性失效率的测试，其中，拉伸强度、伸长率测试参照GB/T10573有色金属细丝拉伸试验方法；导电性能测试参照GB/T3048.2-2007电线电缆电性能试验方法，采用双臂电桥进行测试；可靠性失效率指的是镀金键合铝线应用于IGBT器件时，IGBT器件在高温条件下存储1000h后的失效率，即每1000个IGBT器件中失效的数量。
通过对所制备的镀金键合铝线的拉伸强度、伸长率、导电性能和可靠性测试，测得拉伸强度为92MPa，伸长率为18.4％，导电率为64.5％IACS，可靠性失效率为0.08‰。
实施例2
本实施例提供一种镀金键合铝线，包括以下质量百分比的组份，铜：15％，镍：0.3％，金：1.2％，余量为铝：83.5％。
本实施例中镀金键合铝线的制备方法与实施例1中的制备方法，区别在于：
S1、称取83.5g的铝，得到铝杆的直径为6mm；
S2、包覆铜箔的质量为15g；
S3、拉制过程中的减面率为12％，拉制成直径为0.9mm的铜包覆的铝线；
S4、镀镍的质量为0.3g，镀金的质量为1.2g；
S5、微细拉制过程中的减面率为5％，拉制得到直径为0.1mm的微细镀金铝线；
S6、超微细拉制过程中的减面率为4％，拉制成直径为0.02mm的镀金键合铝线。
其他方法和步骤与实施例1中相同，在此不再赘述。
本实施例中的性能测试方法与实施例1相同，在此不再赘述。
通过对所制备的镀金键合铝线的拉伸强度、伸长率、导电性能和可靠性测试，测得拉伸强度为76MPa，伸长率为17.3％，导电率为63.5％IACS，可靠性失效率为0.22‰。
实施例3
本实施例提供一种镀金键合铝线，包括以下质量百分比的组份，铜：20％，镍：5％，金：7.5％，余量为铝：67.5％。
本实施例中镀金键合铝线的制备方法与实施例1中的制备方法，区别在于：
S1、称取67.5g的铝，得到铝杆的直径为4mm；
S2、包覆铜箔的质量为20g；
S3、拉制过程中的减面率为20％，拉制成直径为1.2mm的铜包覆的铝线；
S4、镀镍的质量为5g，镀金的质量为7.5g；
S5、微细拉制过程中的减面率为8％，拉制得到直径为0.5mm的微细镀金铝线；
S6、超微细拉制过程中的减面率为7％，拉制成直径为0.05mm的镀金键合铝线。
其他方法和步骤与实施例1中相同，在此不再赘述。
本实施例中的性能测试方法与实施例1相同，在此不再赘述。
通过对所制备的镀金键合铝线的拉伸强度、伸长率、导电性能和可靠性测试，测得拉伸强度为104MPa，伸长率为21.3％，导电率为65.8％IACS，可靠性失效率为0.04‰。
实施例4
本实施例提供一种镀金键合铝线，包括以下质量百分比的组份，铜：18％，银：3％，金：4％，余量为铝：74％。
本实施例中镀金键合铝线的制备方法与实施例1中的制备方法，区别在于：步骤S4中，采用电镀的方式进行镀银，其中，镀镍层的厚度折算成质量为3g。
其他方法和步骤与实施例1中相同，在此不再赘述。
本实施例中的性能测试方法与实施例1相同，在此不再赘述。
通过对所制备的镀金键合铝线的拉伸强度、伸长率、导电性能和可靠性测试，测得拉伸强度为92MPa，伸长率为18.3％，导电率为64.4％IACS，可靠性失效率为0.12‰。
实施例5
本实施例提供一种镀金键合铝线，包括以下质量百分比的组份，铜：15％，银：6.5％，金：7.5％，余量为铝：71％。
本实施例中镀金键合铝线的制备方法，包括以下步骤：
S1、取71g铝放置于高真空竖引式中频连铸机的坩埚中，对高真空竖引式连铸机的炉膛抽真空，真空度高于2.0Pa后，开始升温，温度升至450℃后，停止抽真空并向高真空连铸机中充入氩气至真空度为0.3MPa；然后继续升温至750℃，待铝或铝-硅合金完全熔融且金属熔体变清澈后，充入氩气至1.1MPa开启牵引机构进行拉铸，得到铝杆的直径为5mm。
S2、将步骤S1中得到的直径为5mm的铝杆在连续包覆机上通过氩弧焊接的方式在表面包覆一层铜箔，包覆铜箔的厚度折算成质量为15g，得到铜包覆的铝杆。
S3、将步骤S2中得到的铜包覆的铝杆在单模具拉丝机上进行拉制，拉制过程中的减面率为20％，拉制的速度≤50m/min，拉制过程中采用拉丝润滑液，拉丝润滑液的浓度为30％，最终拉制成直径为1.2mm的铜包覆的铝线。
S4、对步骤S3中拉制成的直径为1.2mm的铜包覆的铝线，采用电镀的方式进行镀银，其中，镀银层的厚度折算成质量为6.5g，当铜包覆的铝线镀银完成后，再采用电镀的方式进行镀金，镀金层的厚度折算成质量为7.5g，得到镀金铝线。
S5、将步骤S4中得到的镀金铝线在拉丝机上进行微细拉制，微细拉制过程中的减面率为5％，拉丝润滑液的浓度＞5％，拉制的速度≤200m/min；拉丝模具入口区的角度为16°，拉丝模具定径区的长度为进线直径的90％，拉丝模具出口区的角度为90°；最终拉制得到直径为0.5mm的微细镀金铝线。
S6、将步骤S5中得到的直径为0.5mm的微细镀金铝线在拉丝机上进行超微细拉制，拉制成直径为0.05mm的镀金键合铝线，超微细拉制过程中的减面率为5％，拉丝润滑液的浓度＞5％，拉丝的速度≤300m/min；超微细拉制过程中拉丝模具入口区的角度为14°，拉丝模具定径区的长度为进线直径的90％，拉丝模具出口区的角度为85°。然后将超微细拉制的镀金键合铝线在连续在线退火设备上进行热处理，热处理的温度为350℃，热处理的速度为100m/min；退火设备上的退火管的长度为2m，退火管的出口处设置有冷却液槽用于冷却热处理后的镀金键合铝线，冷却液槽内的冷却介质为酒精溶液，酒精溶液的浓度≥95％，且退火过程中导线轮的表面光滑，粗糙度为Ra1.6。
本实施例中的性能测试方法与实施例1相同，在此不再赘述。
通过对所制备的镀金键合铝线的拉伸强度、伸长率、导电性能和可靠性测试，测得拉伸强度为86MPa，伸长率为18.2％，导电率为65.3％IACS，可靠性失效率为0.04‰。
实施例6
本实施例提供一种镀金键合铝线，包括以下质量百分比的组份，铜：15％，银：0.3％，金：7.5％，余量为铝：77.2％。
本实施例中镀金键合铝线的制备方法与实施例5中的制备方法，区别在于：
S1、称取77.2g的铝，得到铝杆的直径为5mm；
S4、镀银的质量为0.3g。
其他方法和步骤与实施例5中相同，在此不再赘述。
本实施例中的性能测试方法与实施例1相同，在此不再赘述。
通过对所制备的镀金键合铝线的拉伸强度、伸长率、导电性能和可靠性测试，测得拉伸强度为85MPa，伸长率为17.9％，导电率为63.6％IACS，可靠性失效率为0.04‰。
实施例7
本实施例提供一种镀金键合铝线，包括以下质量百分比的组份，铜：18％，镍：3％，金：5％，余量为铝-硅合金。
本实施例中镀金键合铝线的制备方法与实施例1中的制备方法，区别在于：
S1、称取73.26g的铝和0.74g的硅放置于高真空竖引式中频连铸机的坩埚中进行熔炼。
其他方法和步骤与实施例1中相同，在此不再赘述。
本实施例中的性能测试方法与实施例1相同，在此不再赘述。
通过对所制备的镀金键合铝线的拉伸强度、伸长率、导电性能和可靠性测试，测得拉伸强度为117MPa，伸长率为19.5％，导电率为54.5％IACS，可靠性失效率为0.08‰。
实施例8
本实施例提供一种镀金键合铝线，包括以下质量百分比的组份，铜：16％，镍：1％，金：3％，余量为铝-硅合金。
本实施例中镀金键合铝线的制备方法，包括以下步骤：
S1、取79.2g铝和0.8g硅放置于高真空竖引式中频连铸机的坩埚中，对高真空竖引式连铸机的炉膛抽真空，真空度高于2.0Pa后，开始升温，温度升至300℃后，停止抽真空并向高真空连铸机中充入氩气至真空度为0.01MPa；然后继续升温至650℃，待铝或铝-硅合金完全熔融且金属熔体变清澈后，充入氩气至1.01MPa开启牵引机构进行拉铸，得到铝杆的直径为4.5mm。
S2、将步骤S1中得到的直径为4.5mm的铝杆在连续包覆机上通过氩弧焊接的方式在表面包覆一层铜箔，包覆铜箔的厚度折算成质量为16g，得到铜包覆的铝杆。
S3、将步骤S2中得到的铜包覆的铝杆在单模具拉丝机上进行拉制，拉制过程中的减面率为18％，拉制的速度≤50m/min，拉制过程中采用水性润滑剂作为拉丝润滑液，拉丝润滑液的浓度为20％，最终拉制成直径为1.1mm的铜包覆的铝线。
S4、对步骤S3中拉制成的直径为1.1mm的铜包覆的铝线，采用电镀的方式进行镀镍，其中，镀镍层的厚度折算成质量为1g，当铜包覆的铝线镀镍完成后，再采用电镀的方式进行镀金，镀金层的厚度折算成质量为3g，得到镀金铝线。
S5、将步骤S4中得到的镀金铝线在拉丝机上进行微细拉制，微细拉制过程中的减面率为7％，拉丝润滑液的浓度＞5％，拉制的速度≤200m/min；拉丝模具入口区的角度为13°，拉丝模具定径区的长度为进线直径的70％，拉丝模具出口区的角度为80°；最终拉制得到直径为0.3mm的微细镀金铝线。
S6、将步骤S5中得到的直径为0.3mm的微细镀金铝线在拉丝机上进行超微细拉制，拉制成直径为0.02mm的镀金键合铝线，超微细拉制过程中的减面率为7％，拉丝润滑液的浓度＞5％，拉丝的速度≤300m/min；超微细拉制过程中拉丝模具入口区的角度为12°，拉丝模具定径区的长度为进线直径的80％，拉丝模具出口区的角度为75°。然后将超微细拉制的镀金键合铝线在连续在线退火设备上进行热处理，热处理的温度为150℃，热处理的速度为30m/min；退火设备上的退火管的长度为1.5m，退火管的出口处设置有冷却液槽用于冷却热处理后的镀金键合铝线，冷却液槽内的冷却介质为酒精溶液，酒精溶液的浓度≥95％，且退火过程中导线轮的表面光滑，粗糙度为Ra1.6。
本实施例中的性能测试方法与实施例1相同，在此不再赘述。
通过对所制备的镀金键合铝线的拉伸强度、伸长率、导电性能和可靠性测试，测得拉伸强度为108MPa，伸长率为18.7％，导电率为53.8％IACS，可靠性失效率为0.13‰。
实施例9
本实施例提供一种镀金键合铝线，包括以下质量百分比的组份，铜：16％，镍：5％，金：1.2％，余量为铝-硅合金。
本实施例中镀金键合铝线的制备方法与实施例8中的制备方法，区别在于：
S1、称取77.002g的铝和0.778g的硅；
S4、镀镍的质量为5g，镀金的质量为1.2g。
其他方法和步骤与实施例8中相同，在此不再赘述。
本实施例中的性能测试方法与实施例1相同，在此不再赘述。
通过对所制备的镀金键合铝线的拉伸强度、伸长率、导电性能和可靠性测试，测得拉伸强度为110MPa，伸长率为18.9％，导电率为53.6％IACS，可靠性失效率为0.22‰。
实施例10
本实施例提供一种镀金键合铝线，包括以下质量百分比的组份，铜：20％，银：0.3％，金：1.2％，余量为铝-硅合金。
本实施例中镀金键合铝线的制备方法与实施例1中的制备方法，区别在于：
S1、称取77.715g的铝和0.785g的硅；
S2、包覆铜箔的质量为20g；
S4、镀银的质量为0.3g，镀金的质量为1.2g；
其他方法和步骤与实施例1中相同，在此不再赘述。
本实施例中的性能测试方法与实施例1相同，在此不再赘述。
通过对所制备的镀金键合铝线的拉伸强度、伸长率、导电性能和可靠性测试，测得拉伸强度为126MPa，伸长率为20.7％，导电率为56.5％IACS，可靠性失效率为0.22‰。
实施例11
本实施例提供一种镀金键合铝线，包括以下质量百分比的组份，铜：15％，银：6.5％，金：7.5％，余量为铝-硅合金。
本实施例中镀金键合铝线的制备方法与实施例5中的制备方法，区别在于：
S1、称取70.29g的铝和0.71g的硅；
S4、镀银的质量为6.5g，镀金的质量为7.5g。
其他方法和步骤与实施例5中相同，在此不再赘述。
本实施例中的性能测试方法与实施例1相同，在此不再赘述。
通过对所制备的镀金键合铝线的拉伸强度、伸长率、导电性能和可靠性测试，测得拉伸强度为105MPa，伸长率为18.6％，导电率为52.4％IACS，可靠性失效率为0.04‰。
实施例12
本实施例提供一种镀金键合铝线，包括以下质量百分比的组份，铜：17％，银：5％，金：5％，余量为铝-硅合金。
本实施例中镀金键合铝线的制备方法与实施例8中的制备方法，区别在于：
S1、称取72.27g的铝和0.73g的硅；
S4、镀银的质量为5g，镀金的质量为5g。
其他方法和步骤与实施例8中相同，在此不再赘述。
本实施例中的性能测试方法与实施例1相同，在此不再赘述。
通过对所制备的镀金键合铝线的拉伸强度、伸长率、导电性能和可靠性测试，测得拉伸强度为109MPa，伸长率为19.2％，导电率为58.3％IACS，可靠性失效率为0.08‰。
对照例1
本对照例提供一种铝线，本对照例中铝线的制备方法与实施例1的区别在于：步骤S1中取100g铝放置于高真空竖引式中频连铸机的坩埚中；步骤S2、S4中未进行镀铜、镀镍或银、镀金。
其他方法和步骤与实施例1中相同，在此不再赘述。
本对照例中的性能测试方法与实施例1相同，在此不再赘述。
通过对所制备的镀金键合铝线的拉伸强度、伸长率、导电性能和可靠性测试，测得拉伸强度为54MPa，伸长率为15.6％，导电率为62.2％IACS，可靠性失效率为1.30‰。
对照例2
本对照例提供一种镀金键合铝线，包括以下质量百分比的组份，铜：5％，镍：3％，金：5％，余量为铝：87％。
本对照例中镀金键合铝线的制备方法与实施例1中的制备方法，区别在于：
S1、称取87g的铝；
S2、包覆铜箔的质量为5g；
其他方法和步骤与实施例1中相同，在此不再赘述。
本对照例中的性能测试方法与实施例1相同，在此不再赘述。
通过对所制备的镀金键合铝线的拉伸强度、伸长率、导电性能和可靠性测试，测得拉伸强度为67MPa，伸长率为16.3％，导电率为63.2％IACS，本对照例中出现铜层在细线上不能完全包覆，存在漏铝现象，进而无法镀镍/银和金。
对照例3
本对照例提供一种镀金键合铝线，包括以下质量百分比的组份，铜：18％，镍：3％，金：5％，余量为铝：74％。
本对照例中镀金键合铝线的制备方法与实施例1中的制备方法，区别在于：
S3、将步骤S2中得到的铜包覆的铝杆在单模具拉丝机上进行拉制，拉制过程中的减面率为30％，拉制的速度为80m/min，拉制过程中采用拉丝润滑液，拉丝润滑液的浓度为25％，最终拉制成直径为1.0mm的铜包覆的铝线。
S4、对步骤S3中拉制成的直径为1.0mm的铜包覆的铝线，采用电镀的方式进行镀镍，其中，镀镍层的厚度折算成质量为3g，当铜包覆的铝线镀镍完成后，再采用电镀的方式进行镀金，镀金层的厚度折算成质量为5g，得到镀金铝线。
S5、将步骤S4中得到的镀金铝线在拉丝机上进行微细拉制，微细拉制过程中的减面率为15％，拉丝润滑液的浓度＞5％，拉制的速度为240m/min；拉丝模具入口区的角度为15°，拉丝模具定径区的长度为进线直径的80％，拉丝模具出口区的角度为85°；最终拉制得到直径为0.3mm的微细镀金铝线。
S6、将步骤S5中得到的直径为0.3mm的微细镀金铝线在拉丝机上进行超微细拉制，拉制成直径为0.03mm的镀金键合铝线，超微细拉制过程中的减面率为15％，拉丝润滑液的浓度＞5％，拉丝的速度为400m/min；超微细拉制过程中拉丝模具入口区的角度为13°，拉丝模具定径区的长度为进线直径的85％，拉丝模具出口区的角度为80°。然后将超微细拉制的镀金键合铝线在连续在线退火设备上进行热处理，热处理的温度为250℃，热处理的速度为60m/min；退火设备上的退火管的长度为1.5m，退火管的出口处设置有冷却液槽用于冷却热处理后的镀金键合铝线，冷却液槽内的冷却介质为酒精溶液，酒精溶液的浓度≥95％，且退火过程中导线轮的表面光滑，粗糙度为Ra1.6。
其他方法和步骤与实施例1中相同，在此不再赘述。
本对照例中的性能测试方法与实施例1相同，在此不再赘述。
通过对所制备的镀金键合铝线的拉伸强度、伸长率、导电性能和可靠性测试，测得拉伸强度为92MPa，伸长率为18.4％，导电率为64.5％IACS，可靠性失效率为0.08‰。本对照例中的工艺技术在拉制过程中的断线率极高，难以加工到0.03mm，无法工业化生产。
下表1为各实施例和对照例中制备的镀金键合铝线的性能数据。
表1不同实施例和对照例的镀金键合铝线的性能
Figure BDA0002383513420000191
Figure BDA0002383513420000201
综上所述：本发明中的镀金键合铝线具有高强度、高导电性以及高可靠性的特征，在键合铝线表面包覆高强度高导电率的纯铜以及稳定性好的纯金材料，进一步提升了键合铝线的可靠性、拉伸强度以及导电性；采用铝-硅合金作为基体材料，在不严重降低导电率的前提下进一步提升了键合铝线的强度；其中，在键合铝线表面包覆的纯铜材料的厚度需严格控制，厚度较薄会引起键合铝线的拉伸强度及导电率提升不明显；将镀金键合铝线应用于IGBT器件，铝层转变为镀金层，镀金键合铝线消除了键合界面的金属间化合物，进而在成本增加有限的条件下大幅度提升IGBT器件的可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镀金键合铝线，其特征在于，所述镀金键合铝线包括铝质基材层，所述铝质基材层的外部依次包覆有铜层、镍层或银层、金层；
所述铜层的材质为铜；
所述镍层或银层的材质为镍或银；
所述金层的材质为金。
2.如权利要求1所述的镀金键合铝线，其特征在于，所述铝质基材层的材质为铝或铝-硅合金，所述铝-硅合金包括以下质量百分比的组份，硅：0.8％～1.2％，余量为铝；
优选地，所述铝的纯度高于99.99％；
更优选地，所述硅的纯度高于99.99％。
3.如权利要求2所述的镀金键合铝线，其特征在于，所述镀金键合铝线包括以下质量百分比的组份，铜：15％～20％，镍：0.3％～5％或银：0.3％～6.5％，金：1.2％～7.5％，余量为铝或铝-硅合金。
4.一种如权利要求1～3任一所述的镀金键合铝线的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1、称取铝或铝-硅合金原材料，将原材料放置于高真空连铸机中进行熔炼，待铝或铝-硅合金完全溶解后，开启牵引机构进行拉铸，得到铝杆或铝-硅合金杆；
S2、将步骤S1中得到的所述铝杆或铝-硅合金杆在连续包覆机上通过焊接的方式在表面包覆一层铜箔，得到铜包覆的铝杆或铜包覆的铝-硅合金杆；
S3、将步骤S2中得到的所述铜包覆的铝杆或铜包覆的铝-硅合金杆在单模具拉丝机上进行拉制，拉制成铜包覆的铝线或铜包覆的铝-硅合金线；
S4、对步骤S3中拉制成的所述铜包覆的铝线或铜包覆的铝-硅合金线，采用电镀的方式进行镀镍或镀银，当铜包覆的铝线或铜包覆的铝-硅合金线镀镍或镀银完成后，再采用电镀的方式进行镀金，得到镀金铝线或镀金铝-硅合金线；
S5、将步骤S4中得到的所述镀金铝线或镀金铝-硅合金线在拉丝机上进行微细拉制，得到微细镀金铝线或微细镀金铝-硅合金线；
S6、将步骤S5中得到的所述微细镀金铝线或微细镀金铝-硅合金线在拉丝机上进行超微细拉制，然后在退火设备上进行热处理，制备出镀金键合铝线。
5.如权利要求4所述的镀金键合铝线的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述熔炼具体为，对高真空连铸机进行抽真空，真空度高于2.0Pa后，开始升温，温度升至300℃～450℃后，停止抽真空并向高真空连铸机中充入保护气体至真空度为0.01MPa～0.3MPa；然后继续升温至650℃～750℃，待铝或铝-硅合金完全熔融且金属熔体变清澈后，充入保护气体至1.01MPa～1.1MPa；
优选地，所述保护气体为氩气或氮气；
更优选地，所述高真空连铸机为高真空竖引式中频连铸机；
更优选地，所述铝杆或铝-硅合金杆的直径为4～6mm。
6.如权利要求4所述的镀金键合铝线的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述拉制过程中的减面率为12％～20％，拉制的速度≤50m/min；
优选地，步骤S3中所述铜包覆的铝线或铜包覆的铝-硅合金线的直径为0.9mm～1.2mm。
7.如权利要求4所述的镀金键合铝线的制备方法，其特征在于，步骤S5中所述微细拉制过程中的减面率为5.0％～8.0％，拉制的速度≤200m/min；
所述微细拉制过程中拉丝模具入口区的角度为13°～16°，拉丝模具定径区的长度为进线直径的70％～90％，拉丝模具出口区的角度为80°～90°；
优选地，步骤S5中所述微细镀金铝线或微细镀金铝-硅合金线的直径为0.1mm～0.5mm。
8.如权利要求4所述的镀金键合铝线的制备方法，其特征在于，步骤S6中所述超微细拉制过程中的减面率为4.0％～7.0％，拉丝的速度≤300m/min；
所述超微细拉制过程中拉丝模具入口区的角度为12°～14°，拉丝模具定径区的长度为进线直径的80％～90％，拉丝模具出口区的角度为75°～85°。
9.如权利要求8所述的镀金键合铝线的制备方法，其特征在于，步骤S6中所述热处理的温度为150℃～350℃，热处理的速度为30～100m/min；
步骤S6中所述退火设备上的退火管的长度为1～2m，所述退火管的出口处设置有冷却液槽用于冷却热处理后的镀金键合铝线；
优选地，所述冷却液槽内的冷却介质为酒精溶液，所述酒精溶液的浓度≥95％。
10.如权利要求9所述的镀金键合铝线的制备方法，其特征在于，步骤S6中制备出的所述镀金键合铝线的直径为0.02mm～0.05mm。
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