CN111961913B - 一种键合引线及其加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种键合引线，其包括引线本体和包覆在引线本体外的钯层，钯层的厚度为0.35‑0.5μm；引线本体由如下重量百分含量的原料制成：Ag 0.5‑2%，Cr 0.1‑1%，Mg 0.02‑0.08%，P 0.1‑0.4%，稀土元素0.01‑0.015%，总含量＜0.0001%的其它不可避免的杂质元素，余量为铜。本申请具有良好的抗氧化性能及机械性能的效果。一种键合引线的加工工艺，包括如下步骤：将各原料清洗，熔溶铸锭，得到合金铸锭；将合金铸锭连铸得到合金棒；将合金棒进行退火，然后进行拉伸得到合金丝；在合金丝表面镀钯，再拉伸到目标直径。

Description

一种键合引线及其加工工艺
技术领域
本申请涉及金属引线的领域，尤其是涉及一种键合引线及其加工工艺。
背景技术
目前键合引线是实现芯片功能必不可少的材料，半导体集成电路制造完成后所得的芯片虽然已经具有特定的功能，但是要实现该功能，必须与外部电子元件进行连接。而半导体集成电路芯片需要经过与封装体的键合工序，最终得到芯片封装，如此才能通过封装的引脚与外部电子元件连接。在芯片与封装体的键合工艺中，都通过键合引线将芯片上的焊盘与封装体的引脚进行电连接。
随着集成电路及分立器件向封装多引线化、高集成度和小型化发展，高端半导体封装要求用更细、强度更高的键合线进行窄间距、长距离的引线键合，半导体封装企业对键合线提出了弧度到时更低，弧长更长，直径更细，高温性能等越来越高的要求，同时要求降低键合线的成本。
现在封装市场上主要有四种材料的键合线，分别为金、银、铜和铝。在过去几十年的键合线产品中，金线一直处在主导地位。近年来，黄金价格开始大幅上升，黄金价格突破1850美元每盎司，至今仍在1200-1300美元每盎司的相对高位，使用键合金线的成本越来越高。铜线(包括镀钯铜线)极易氧化，使用性能不稳定，硬度高而会在键合时损伤芯片进而降低成品率；而合金银线本身强度低，易断线，又易被硫化、氧化，其加工性能一直得不到解决。铝线导电性能低、电损耗大，铝线主要用于低端消费电子及功率元器件。目前银基合金键合线在低端封装中已代替金线，而高端封装仍然没有取得技术突破。
其中，铜的电导率、拉伸性能较金好，价格也相对较低，且铜丝键合在铝焊盘上产生Cu-Al金属间化合物的速率较Au-Al金属间化合物低，故而以铜为主要成分的键合铜丝是取代金丝降低封装成本，适用于高速、多引线、微间距、焊垫尺寸更小的元器件的封装引线之一。
针对上述中的相关技术，发明人认为以铜质键合引线存在有抗氧化性能及机械性能综合性能较差的缺陷。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的是提供一种键合引线，具有良好的抗氧化性能、导电性能及机械性能。
本申请提供的一种键合引线采用如下的技术方案：
一种键合引线，包括引线本体和包覆在引线本体外的钯层，钯层的厚度为0.35-0.5μm；引线本体由如下重量百分含量的原料制成：Ag0.5-2％，Cr 0.1-1％，Mg 0.02-0.08％，P 0.1-0.4％，稀土元素0.01-0.015％，总含量＜0.0001％的其它不可避免的杂质元素，余量为铜，引线本体的直径不小于20μm。
通过采用上述技术方案，Ag(银)、Mg(镁)、Cr(铬)、P(磷)、稀土元素的添加提高了引线本体的延伸性能，降低了引线本体硬度，也降低了其成球硬度，从而有利于降低芯片破损率，同时Ag(银)、Mg(镁)的加入提高了引线本体抗氧化性，P(磷)有助于脱去引线本体内的氧，使引线本体不易氧化，掺杂的稀土元素使得铜丝表面偏析钝化，进一步降低了其氧化速率，且增加了引线本体的导电性；钯层的存在，能够提高铜基合金基体的抗氧化能力。钯层的厚度越厚，强度越高；但镀层太厚，会影响焊线烧球，形成烧球不良；镀层厚度太薄，则无法起到保护铜基合金基体的作用。从而通过本方案，使键合引线具有良好的抗氧化性能及机械性能。
优选的，所述引线本体由如下重量百分含量的原料制成：Ag0.7-1.2％，Cr 0.2-0.4％，Mg 0.04-0.07％，P 0.15-0.25％，稀土元素0.01-0.015％，总含量＜0.0001％的其它不可避免的杂质元素，余量为铜。
优选的，所述稀土元素包括重量比为1：(0.2-0.5)的铈和钕。
通过采用上述技术方案，铈和钕于其他组分的复配，有利于进一步提高引线本体的抗拉强度和延伸率，提高引线本体的机械性能，进一步提高引线本体的导电率。
优选的，所述铈和钕的重量比为1：0.4。
优选的，所述铜的纯度至少为99.99％。
本发明的第二个目的是提供一种上述键合引线的加工工艺，改善了键合引线的综合性能。
一种键合引线及其加工工艺，包括以下步骤：
S1：将Ag、Cr、Mg、P、稀土元素、铜原料进行清洗，将清洗完毕的将Ag、Cr、Mg、P、稀土元素、铜原料在1880-1930℃下熔溶，原料熔融后，充入氮气保温50-80min，之后进行铸锭，得到合金铸锭；
S2：将合金铸锭在真空下拉连铸炉中，抽真空加热，完全熔化后保温30-50min，充氮气继续加热至1930-1980℃，待温度稳定后精炼40-70min，采用定向凝固方法，下拉连铸得到合金棒；
S3：将合金棒进行在850-1000℃保温8-12h进行退火，然后进行拉伸得到合金丝；
S4：在合金丝表面镀钯，在温度350-500℃、速度40-80m/min条件下进行连续退火处理，然后将合金丝继续拉伸到目标直径。
通过采用上述技术方案，清洗保证了原料的清洁，合金棒得到的过程中，通过真空与氮气保护两种方式，使得合金棒的各原料不易被氧化，保证了引线本体的质量；将合金棒退火后进行拉伸，使得合金棒的残余应力能够被消除、硬度降低，从而利于合金棒的拉伸；连续退火处理，降低了合金丝的硬度、消除残余应力、减少钯层变形与裂纹倾向，细化晶粒,调整组织,消除组织缺陷，有利于合金丝的表面钯层质量的稳定，有利于提高钯层进一步拉伸后的质量。
优选的，步骤S1中，清洗的具体步骤为，用质量分数为10-30％的氢氧化纳水溶液进行清洗，再用水进行冲洗，然后烘干。
通过采用上述技术方案，提高了原料的洁净度，降低了引线本体内的杂质含量。
优选的，步骤S4中，镀钯是在真空镀膜设备中进行动态连续离子镀膜形成钯层。
通过采用上述技术方案，能够加工得到无气孔、附着性好的钯层，改善了镀钯质量，进而改善了键合引线的综合性能；同时，钯层与引线本体之间金属分子能够有一定的相互渗透，有利于进一步增加钯层的附着力。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
通过几种原料的复配，使引线本体自身具有较好的抗氧化性，增加了引线本体的导电性能和拉伸性能，引线本体自身与钯层的共同作用，进一步增加了键合引线的抗氧化性，且引线本体自身较好的拉伸性能使其与钯层，在拉伸过程中中变形一致，表面均匀，有利于焊接键合时充分变形，提高拉断力及可靠性。
具体实施方式
结合以下内容对本申请作进一步详细说明。
Ag，为高纯银，厂家为北京蒙泰京典金属材料研究所；
Cr，为高纯铬，厂家为北京蒙泰京典金属材料研究所；
Mg，为高纯镁，厂家为北京蒙泰京典金属材料研究所；
P，规格P-5N，厂家为峨嵋2半导体材料研究所；
Ba，为高纯钯，厂家为北京蒙泰京典金属材料研究所；
铈，为高纯铈，厂家为北京蒙泰京典金属材料研究所；
钕，厂家为威海元素金属新材料科技有限公司。
实施例1
一种键合引线，包括引线本体和包覆在引线本体外的钯层，钯层的厚度为0.35μm；引线本体由如下原料制成：Ag 0.5kg，Cr 1kg，Mg 0.02kg，P 0.4kg，稀土元素0.01kg，铜98.07kg,其它不可避免的杂质元素含量＜0.0001％。
其中，稀土元素包括重量比为1：0.4的铈和钕,铜的纯度为99.99％。
一种键合引线的加工工艺，包括如下加工步骤：
S1：将Ag、Cr、Mg、P、稀土元素、铜原料用质量分数为25％的氢氧化纳水溶液进行清洗，再用水进行冲洗，然后烘干即清洗完毕，将清洗完毕的将Ag、Cr、Mg、P、稀土元素、铜原料在1900℃下熔溶，原料熔融后，充入氮气保温60min，之后进行铸锭，得到合金铸锭；
S2：将合金铸锭在真空下拉连铸炉中，抽真空加热，完全熔化后保温40min，充氮气继续加热至1960℃，待温度稳定后精炼50min，采用定向凝固方法，下拉连铸得到合金棒；
S3：将合金棒进行在900℃保温10h进行退火，然后进行拉伸得到合金丝；
S4：在合金丝在在真空镀膜设备中进行动态连续离子镀，来使合金丝表面镀钯，镀钯后，在温度450℃、速度50m/min条件下进行连续退火处理，然后将合金丝继续拉伸到目标直径。
实施例2
与实施例1的不同之处在于：
一种键合引线，包括引线本体和包覆在引线本体外的钯层，钯层的厚度为0.4μm；
引线本体由如下原料制成：Ag 0.7kg，Cr 0.4kg，Mg 0.04kg，P0.25kg，稀土元素0.01kg，铜98.6kg,其它不可避免的杂质元素含量＜0.0001％。
实施例3
与实施例1的不同之处在于：
一种键合引线，包括引线本体和包覆在引线本体外的钯层，钯层的厚度为0.45μm；
引线本体由如下原料制成：Ag 1kg，Cr 0.3kg，Mg 0.06kg，P 0.21kg，稀土元素0.012kg，铜98.418kg,其它不可避免的杂质元素含量＜0.0001％。
实施例4
与实施例1的不同之处在于：
一种键合引线，包括引线本体和包覆在引线本体外的钯层，钯层的厚度为0.45μm；
引线本体由如下原料制成：Ag 1.2kg，Cr 0.2kg，Mg 0.07kg，P0.15kg，稀土元素0.015kg，铜98.365kg,其它不可避免的杂质元素含量＜0.0001％。
实施例5
与实施例1的不同之处在于：
一种键合引线，包括引线本体和包覆在引线本体外的钯层，钯层的厚度为0.5μm；引线本体由如下重量百分含量的原料制成：Ag 2kg，Cr 0.1kg，Mg 0.08kg，P 0.1kg，稀土元素0.015kg，铜97.705kg，其它不可避免的杂质元素含量＜0.0001％。
实施例6
与实施例3不同之处在于：稀土元素包括重量比为1：0.2的铈和钕。
实施例7
与实施例3不同之处在于：稀土元素包括重量比为1：0.5的铈和钕。
实施例8
与实施例3不同之处在于：
一种键合引线的加工工艺，包括如下加工步骤：
S1：将Ag、Cr、Mg、P、稀土元素、铜原料用质量分数为10％的氢氧化纳水溶液进行清洗，再用水进行冲洗，然后烘干即清洗完毕，将清洗完毕的将Ag、Cr、Mg、P、稀土元素、铜原料在1880℃下熔溶，原料熔融后，充入氮气保温50min，之后进行铸锭，得到合金铸锭；
S2：将合金铸锭在真空下拉连铸炉中，抽真空加热，完全熔化后保温30min，充氮气继续加热至1930℃，待温度稳定后精炼40min，采用定向凝固方法，下拉连铸得到合金棒；
S3：将合金棒进行在850℃保温8h进行退火，然后进行拉伸得到合金丝；
S4：在合金丝在在真空镀膜设备中进行动态连续离子镀，来使合金丝表面镀钯，镀钯后，在温度350℃、速度40m/min条件下进行连续退火处理，然后将合金丝继续拉伸到目标直径。
实施例9
与实施例3不同之处在于：
一种键合引线的加工工艺，包括如下加工步骤：
S1：将Ag、Cr、Mg、P、稀土元素、铜原料用质量分数为30％的氢氧化纳水溶液进行清洗，再用水进行冲洗，然后烘干即清洗完毕，将清洗完毕的将Ag、Cr、Mg、P、稀土元素、铜原料在1930℃下熔溶，原料熔融后，充入氮气保温80min，之后进行铸锭，得到合金铸锭；
S2：将合金铸锭在真空下拉连铸炉中，抽真空加热，完全熔化后保温50min，充氮气继续加热至1980℃，待温度稳定后精炼70min，采用定向凝固方法，下拉连铸得到合金棒；
S3：将合金棒进行在1000℃保温12h进行退火，然后进行拉伸得到合金丝；
S4：在合金丝在在真空镀膜设备中进行动态连续离子镀，来使合金丝表面镀钯，镀钯后，在温度500℃、速度80m/min条件下进行连续退火处理，然后将合金丝继续拉伸到目标直径。
对比例1
键合铜丝(镀钯)，型号为JTA01，厂家为广东佳博电子科技有限公司。
对比例2
键合金线，型号SH1 1.0mil/25μm，矽格玛材料科技有限公司。
对比例3
与实施例3的不同之处在于：将钕替换为等重量份数的铈。
性能检测
对实施例1-9以及对比例1-3的键合引线(直径25μm)进行以下性能检测：
GB/T 10573-1989《有色金属细丝拉伸试验方法》，检测拉断力(N，标准值为不小于0.08N)和伸长率(％，标准值为7～20％)；
GB/T 4340.1-1999《金属维氏硬度试验》检测烧球后的球硬度(Hv)；
GB/T351-2019《金属材料电阻率测量方法国家标准》，检测电阻率(μΩ/cm)，电阻率越大，导电性越差；并测量熔断电流(A，10mm)；
焊线试验采用型号为ASM EAGLE60的焊线机，焊线产品代号为SOP16，焊线结果如下：第一焊点均完全正常，无明显金属铝层挤出，无弹坑出现；第二焊点鱼尾形状完全打开；并测其推球力(gf)；
抗氧化性(△m，单位mg/cm2)：氧化条件为0.1MPa纯氧气氛围，973K，氧化24h；用丙酮清洗待测样品后，放入Cahn Versatherm热天平称重；根据氧化前后样品的增重△m评价抗氧化性，△m越小，键合引线的抗氧化性越好；
检测结果见表1。
表1性能检测结果
Figure BDA0002655450840000101
Figure BDA0002655450840000111
根据表1可以看出，实施例1-9、对比例1中，实施例1-9的键合引线的抗氧化性和机械性能均优于对比例1，且导电性也得到轻微提高。
实施例1-5、对比例2中，实施例1-5的键合引线硬度适中、延展性好，球硬度更接近金线，其机械性能更接近金线，但电阻率和熔断电流更优，所以实施例1-5的键合引线机械性能、导电性能和抗氧化性能更优，而其中，实施例3的键合引线机械性能、导电性能和抗氧化性能更优，从而实施例3各组分的比例及加工工艺最优。
实施例3、6-7中，铈和钕的比例不同，实施例3的机械性能、抗氧化性和导电性更优，说明实施例3中铈和钕的比例最优，实施例3、6-7、对比例3中，实施例3、6-7的机械性能、抗氧化性和导电性均优于对比例3，说明铈和钕两者复配使用优于仅使用铈。
实施例3、8-9中，实施例3的机械性能、抗氧化性和导电性更优，说明实施例3-的加工工艺更优。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种键合引线，其特征在于：包括引线本体和包覆在引线本体外的钯层，钯层的厚度为0.35-0.5μm；引线本体由如下重量百分含量的原料制成：Ag 0.5-2%，Cr 0.1-1%，Mg0.02-0.08%，P 0.1-0.4%，稀土元素0.01-0.015%，总含量＜0.0001%的其它不可避免的杂质元素，余量为铜；所述稀土元素包括重量比为1：（0.2-0.5）的铈和钕。
2.根据权利要求1所述的一种键合引线，其特征在于：所述引线本体由如下重量百分含量的原料制成：Ag 0.7-1.2%，Cr 0.2-0.4%，Mg 0.04-0.07%，P 0.15-0.25%，稀土元素0.01-0.015%，总含量＜0.0001%的其它不可避免的杂质元素，余量为铜。
3.根据权利要求1所述的一种键合引线，其特征在于：所述铈和钕的重量比为1：0.4。
4.根据权利要求1所述的一种键合引线，其特征在于：所述铜的纯度至少为99.99%。
5.一种权利要求1-4任一所述的一种键合引线的加工工艺，其特征在于：包括如下加工步骤：
S1：将Ag、Cr、Mg 、P 、稀土元素、铜原料进行清洗，将清洗完毕的将Ag 、Cr、Mg 、P 、稀土元素、铜原料在1880-1930℃下熔溶，原料熔融后，充入氮气保温50-80min，之后进行铸锭，得到合金铸锭；
S2：将合金铸锭在真空下拉连铸炉中，抽真空加热，完全熔化后保温30-50min，充氮气继续加热至1930-1980℃，待温度稳定后精炼40-70min，采用定向凝固方法，下拉连铸得到合金棒；
S3：将合金棒进行在850-1000℃保温8-12h进行退火，然后进行拉伸得到合金丝；
S4：在合金丝表面镀钯，镀钯后，在温度 350-500℃、速度 40-80m/min条件下进行连续退火处理，然后将合金丝继续拉伸到目标直径。
6.根据权利要求5所述的一种键合引线的加工工艺，其特征在于：步骤S1中，清洗的具体步骤为，用质量分数为10-30%的氢氧化纳水溶液进行清洗，再用水进行冲洗，然后烘干。
7.根据权利要求5所述的一种键合引线的加工工艺，其特征在于：所述其特征在于：步骤S4中，镀钯是在真空镀膜设备中进行动态连续离子镀膜形成钯层。
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