CN112077484A - 一种钛合金锲形键合立针及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金锲形键合立针及其制备方法。本发明所述钛合金锲形键合立针是以TC4钛合金为基材，整体HRc45度渗碳处理和立针头部出线嘴0~5mm段进行二次氮化工艺处理的一体式钛合金立针。其中，渗碳处理工艺采用整体HRc45度渗碳处理，可以提高钛合金刚度，便于高频传导。前端氮化处理可以提高其耐磨性和高频击点下金属抗疲劳变形能力。本发明解决了普通TC4钛合金无法制备立针的问题，推动我国微电子行业的快速发展。

Description

一种钛合金锲形键合立针及其制备方法

技术领域

本发明涉及焊接工具技术领域，更具体地，涉及一种钛合金锲形键合立针及其制备方法。

背景技术

电子封装是保证集成电路最终电气、光学、热学和机械性能的关键环节。丝焊是目前半导体封装内部代表性的连接方式，广泛应用于微电子封装领域，具有高可靠性、高品质、工艺成熟，操作简单等优点。立针是微电子加工引线键合使用的焊线工具，能够引线芯片的质量和生产的稳定性，因此在微电子领域中立针的选择十分重要。

目前，丝焊所使用的锲形立针大多数为陶瓷立针，具有硬度高、耐高温、耐腐蚀、表面光洁度高和使用寿命长等优点。但是，我国所使用的高质量陶瓷立针主要依靠进口，价格昂贵。因此，开发一种新材料满足我国微电子行业的蓬勃发展是亟需解决的问题。

钛合金是一种重量轻、强度高、耐蚀性好、耐热性高、抗蚀性好的结构金属，可加工型好。但是在作为键合立针方面，质地较软，高频度使用会引起立针变形。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术中立针质量品质的不足，提供一种钛合金锲形键合立针及其制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种钛合金锲形键合立针，所述立针基体采用钛合金，钛合金整体表层为渗碳处理层，立针内壁为微粉陶瓷层，立针出线嘴端为钛合金氮碳化混合层。本发明采用钛合金材料，立针重量轻，可有效减小键合机高频缝合过程中立针的运动惯量，有利于提高立针的定位精度，尤其应用于超微焊点领域可显著提高其键合精度。

进一步地，所述立针为TC4钛合金一体成型，结构简单可靠，加工制造简单。所述一体成型采用注射一体成型或干压一体成型。

进一步地，所述渗碳处理为HRc45度渗碳，可以提高钛合金刚度，便于高频传导。进一步优选地，所述渗碳处理层的表面深度为0.2~0.3mm，使立针硬度整体上呈外硬内软的特征，实现了表层刚度和整体柔韧性的优化平衡。

进一步地，所述微粉陶瓷层厚度为0.02~0.05mm，内壁有光滑的微粉陶瓷层，保护了键合引线不会表面划伤，极大的增加了键合引线通过性。进一步优选地，所述微粉陶瓷的粒度为1~3nm。

进一步地，所述碳化铝合金层采用二次氮化处理，使得立针头部硬度进一步得到提高，增强了高频键合过程中的耐冲击能力。优选地，所述钛合金氮碳化混合层为立针头部出线嘴0~5mm处。

根据上述所述钛合金锲形键合立针提供其制备方法，包括：

S1.对钛合金立针基体进行超声清洗，确保立针表面无油、无氧化层。

S2.将S1处理后的立针基体放入溅射炉，抽真空，加热，等离子清洗立针基体。

S3.将S2处理后的通入保护气体，通电渗碳处理，得表面碳化钛合金。

S4.调整溅射炉内真空度，向溅射炉内注入氮气，对立针基体针头氮化，碳氮化完成后，电子轰击消除立针基体内应力。

S5.将陶瓷微粉通过等离子喷射至立针内壁，得到钛合金锲形键合立针。

进一步地，S2所述抽真空的真空度为2.67~6.67×10^-3Pa。所述等离子清洗的电压为40~60V，等离子清洗时间为5~7h，等离子清洗温度为580~620℃。等离子进一步对立针基体表面进行清洁，同时增大立针基体的表面的性能，有效促进渗碳处理的进行。

进一步地，S3所述保护气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氡气的一种或多种，防止钛合金基体在高温下氧化等因素。溅射炉充入保护气体后的真空度为0.133~1.33Pa；渗碳处理的电压为800~1200V，时间为8~12min。

进一步地，S4所述调整溅射炉内真空度为1.87×10^-1~9.33×10^-2Pa；充入氮气后的氮气分压为5.33~10.67×10^-2Pa；所述氮化的电压为800~1200V，时间为14~18min。

进一步地，S4所述电子轰击消除内应力的电压为330~380V，时间为15~20min，温度为280~320℃。优选地，S4所述电子轰击消除内应力的电压为350V×5.6A，时间为18min，温度为300℃。消除渗碳处理和氮化处理引起立针基体的结构组织变化引起的内应力，提高立针的机械性能和使用寿命。

进一步地，S5所述等离子喷射能够提高金属表面的强度、耐磨性、散热性、耐腐蚀性等。涂层处理可以增加工件硬度、抗磨力和降低摩擦系数，极大的提高了键合金丝在立柱微孔中的通过性。

根据上述制备的钛合金立针用于电子封装的微焊及超微焊接领域。

与现有技术相比，有益效果是：

本发明创造性的采用TC4钛合金为基材，整体HRc45度渗碳处理和立针头部出线嘴段进行二次氮化工艺处理的一体式钛合金立针。立针采用钛合金单一材料一体式成型，钛合金材料，立针重量轻，可有效减小键合机高频缝合过程中立针的运动惯量，有利于提高立针的定位精度，尤其应用于超微焊点领域可显著提高其键合精度。所述钛合金锲形键合立针结构简单可靠，加工制造简单，能够满足大批量生产，满足日益增长的需求。

本发明解决TC4钛合金无法直接用作立针制造的问题，通过采用对铝合金整体HRc45度渗碳处理，提高钛合金刚度，便于高频传导。立针内壁有光滑的微粉陶瓷层，保护了键合引线不会表面划伤，极大的增加了键合引线通过性。立针头部出线嘴前端氮化处理，提高其耐磨性和高频击点下金属抗疲劳变形能力，能够完全能够达到微电子行业电子封装的立针使用标准。

附图说明

图1是本发明钛合金锲形键合立针结构图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步解释和阐明，但具体实施例并不对本发明有任何形式的限定。若未特别指明，实施例中所用的方法和设备为本领常规方法和设备，所用原料均为常规市售原料。

实施例1

本实施例提供一种钛合金锲形键合立针的制备方法，步骤包括：

S1.对钛合金立针基体进行超声清洗30min，去除立针基体表面的油层和氧化层。

S2.将S1处理后的立针基体放入溅射炉，抽真空至2.67×10^-3Pa，加热至580℃，导通60V左右的负偏压逐渐衰减40V左右，等离子清洗时间5小时。

S3.将S2处理后的通入氩气，在真空度达到0.133Pa时导通1200V HRc45度渗碳处理8min，得表面碳化0.2~0.3mm的钛合金立针。

S4.调整溅射炉内真空度1.87×10^-1Pa时注入氮气，氮气分压为10.67×10^-2Pa对立针基体针头0~5mm处氮化处理14min，碳氮化完成后，在电压为380V，时间为15min，温度为280℃条件下电子轰击消除立针基体内应力。

S5.将1~3nm陶瓷微粉通过等离子喷射至立针内壁0.02~0.05mm厚，得到钛合金锲形键合立针。

实施例2

本实施例提供一种钛合金锲形键合立针的制备方法，步骤包括：

S1.对钛合金立针基体进行超声清洗30min，去除立针基体表面的油层和氧化层。

S2.将S1处理后的立针基体放入溅射炉，抽真空至6.67×10-3Pa，加热至620℃，导通60V左右的负偏压逐渐衰减40V左右，等离子清洗时间约7小时。

S3.将S2处理后的通入氩气，在真空度达到1.33Pa时导通800V渗碳处理12min，得表面碳化0.2~0.3mm的钛合金立针。

S4.调整溅射炉内真空度9.33×10^-2Pa时注入氮气，氮气分压为5.33×10^-2Pa对立针基体针头0~5mm处氮化处理18min，碳氮化完成后，在电压为330V，时间为20min，温度为320℃条件下电子轰击消除立针基体内应力。电子轰击消除立针基体内应力。

S5.将1~3nm陶瓷微粉通过等离子喷射至立针内壁0.02~0.05mm厚，得到钛合金锲形键合立针。

实施例3

本实施例提供一种钛合金锲形键合立针的制备方法，步骤包括：

S1.对钛合金立针基体进行超声清洗30min，去除立针基体表面的油层和氧化层。

S2.将S1处理后的立针基体放入溅射炉，抽真空至4.67×10^-3Pa，加热至600℃，导通60V左右的负偏压逐渐衰减40V左右，等离子清洗时间约6小时。

S3.将S2处理后的通入氩气，在真空度达到1.33Pa时导通1000V渗碳处理10min，得表面碳化0.2~0.3mm的钛合金立针。

S4.调整溅射炉内真空度1.87×10^-1Pa时注入氮气，氮气分压为10.67×10^-2Pa对立针基体针头0~5mm处氮化处理15min，碳氮化完成后，在电压为350V×5.6A，时间为18min，温度为300℃条件下电子轰击消除立针基体内应力。

S5.将1~3nm陶瓷微粉通过等离子喷射至立针内壁0.02~0.05mm厚，得到钛合金锲形键合立针。

实施例4

由实施例1~3所述方法制备钛合金锲形键合立针结构如图1所示，所述立针1基体采用钛合金注射或干压一体成型，结构简单可靠，加工制造简单。立针1整体表层为深度0.2~0.3mm的HRc45度渗碳处理层2，对表层刚度和整体柔韧性的优化平衡，便于高频传导。立针1内壁有厚度为0.02~0.05mm的微粉陶瓷层3，保护了键合引线不会表面划伤，极大的增加了键合引线通过性。立针出线嘴端0~5.0mm为碳氮化钛合金层4，使得立针1头部硬度进一步得到提高，增强了高频键合过程中的耐冲击能力。

对比例1

本对比例与实施例3的制备工艺相同，其区别在于，本对比例未进行超声和等离子清洗。

对比例2

本对比例与实施例3的制备工艺相同，其区别在于，本对比例未进行渗碳处理。

对比例3

本对比例与实施例3的制备工艺相同，其区别在于，本对比例未进行二次氮化处理。

对比例4

本对比例与实施例3的制备工艺相同，其区别在于，本对比例未进行消除内应力处理。

对比例5

本对比例与实施例3的制备工艺相同，其区别在于，本对比例未进行陶瓷微粉涂覆立针内壁处理。

实验检测

根据洛氏硬度检测法对立针基材以及实施例1~3和对比例1~5制备的洛氏硬度、立针的高频振动的稳定性和对引线的破坏情况进行检测，结果如表1：

表1

	洛氏硬度	引线影响	键合丝焊点平整度	键合点数
					原始钛合金立针	HRc30	表面刮擦，易断线	形变、传导超声频率紊乱	无法键合
实施例1	HRc 65	无破坏，无断线	焊面开始斑点	4000~45000
					实施例2	HRc 66	无破坏，无断线	焊面开始斑点	50000~55000
实施例3	HRc 68	无破坏，无断线	焊面开始斑点	60000~65000
					对比例1	HRc 51	无破坏，无断线	焊面开始斑点	无法键合
对比例2	HRc 38	无破坏，无断线	形变、传导超声频率紊乱	无法键合
					对比例3	HRc 40	无破坏，无断线	形变、传导超声频率紊乱	无法键合
对比例4	HRc 43	无破坏，无断线	形变、传导超声频率紊乱	无法键合
					对比例5	HRc 57	表面刮擦，有断线	焊面开始斑点	2000~5000

如表1所示检测结果，本发明利用钛合金制备的立针拥有

HRc65~HRc68的硬度，在高频振动下稳定可靠，能够保证引线外表完整及连续性，能够满足立针的使用要求。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钛合金锲形键合立针，其特征在于，所述立针基体采用钛合金，钛合金整体表层为渗碳处理层，立针内壁为微粉陶瓷层，立针出线嘴端为钛合金氮碳化混合层。

2.根据权利要求1所述钛合金锲形键合立针，其特征在于，所述立针为TC4钛合金一体成型；所述一体成型采用注射一体成型或干压一体成型。

3.根据权利要求1所述钛合金锲形键合立针，其特征在于，所述渗碳处理为HRc45度渗碳；所述渗碳处理层的表面深度为0.2~0.3mm；所述微粉陶瓷层厚度为0.02~0.05mm；所述微粉陶瓷的粒度为1~3nm。

4.根据权利要求1所述钛合金锲形键合立针，其特征在于，所述碳化钛合金层采用二次氮化处理；所述钛合金氮碳化混合层为立针头部出线嘴0~5mm处。

5.根据权利要求1~4任一所述钛合金锲形键合立针提供其制备方法，其特征在于，包括：

S1.对钛合金立针基体进行超声清洗；

S2.将S1处理后的立针基体放入溅射炉，抽真空，加热，等离子清洗立针基体；

S3.将S2处理后的通入保护气体，通电渗碳处理，得表面碳化钛合金；

S4.调整溅射炉内真空度，向溅射炉内注入氮气，对立针基体针头氮化，碳氮化完成后，电子轰击消除立针基体内应力；

S5.将陶瓷微粉通过等离子喷射至立针内壁。

6.根据权利要求5所述钛合金锲形键合立针的制备方法，其特征在于，S2所述抽真空的真空度为2.67~6.67×10^-3Pa；等离子清洗的电压为40~60V，等离子清洗时间为5~7h，等离子清洗温度为580~620℃。

7.根据权利要求5所述钛合金锲形键合立针的制备方法，其特征在于，S3所述保护气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氡气的一种或多种；溅射炉充入保护气体后的真空度为0.133~1.33Pa；渗碳处理的电压为800~1200V，时间为8~12min。

8.根据权利要求5所述钛合金锲形键合立针的制备方法，其特征在于，S4所述调整溅射炉内真空度为1.87×10^-1~9.33×10^-2Pa；充入氮气后的氮气分压为5.33~10.67×10^-2Pa；所述氮化的电压为800~1200V，时间为14~18min。

9.根据权利要求5所述钛合金锲形键合立针的制备方法，其特征在于，S4所述电子轰击消除内应力的电压为330~380V，时间为15~20min，温度为280~320℃。

10.根据权利要求1~9所述钛合金锲形键合立针，其特征在于，所述立针用于电子封装的微焊及超微焊接。

Images