CN113058818B - 微米级键合丝线材连续涂镀用绿色纳米涂镀装置及其方法 - Google Patents

微米级键合丝线材连续涂镀用绿色纳米涂镀装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种微米级键合丝线材连续涂镀用绿色纳米涂镀装置及其方法。本发明中的涂镀装置保证涂镀工艺连续稳定，提高键合丝线材的服役寿命和服役性能；涂镀方法使镀层材料沉积附着在键合丝线材的表面形成均一的镀层，避免了电镀工艺对环境的污染、拉制过程中断线及镀层脱落等问题，避免先电镀后拉拔工艺所带来的镀层质量不稳定的问题。

Description

微米级键合丝线材连续涂镀用绿色纳米涂镀装置及其方法
技术领域
本发明属于封装键合线技术领域，具体涉及一种微米级键合丝线材连续涂镀用绿色纳米涂镀装置及其方法。
背景技术
随着集成电路产业领域的迅速发展，芯片集成度要求越来越高。键合铜线及银线在微电子封装实际应用中容易腐蚀(氧化)、在高温高湿环境下容易失效。为有效提高铜线或银线的耐腐蚀性能及高温高湿环境下器件的可靠性，通常需要在铜线或银线表面添加镀层来改善其服役性能，在大规模集成电路及LED中逐渐替代键合金线应用于芯片和引脚的连接。
目前，主要采用电镀的方法在细铜线或银线上镀一层金属钯或金等贵金属镀层，来提高材料服役性能。传统电镀工艺存在对环境污染严重、进一步拉制过程中出现镀层脱落、钯层厚度不均匀等问题。此外，拉制过程由于被镀丝线和镀层的塑性形变性能不同，很难拉制出匹配市场需求的微细(直径＜0.05mm)键合线。相比之下，直接涂镀法能有效避免先电镀后拉拔工艺所带来的镀层质量不稳定的问题。
此外，传统电镀工艺中为了提高镀层与镀材间的结合性，往往需要在涂镀液中添加一些有机卤素化合物。然而，有机卤素化合物本身及燃烧处理过程中对人体和自然生态环境的危害已成为不争的事实。随着2008年电子产品领域“无/低卤素”的标准IPC/JEDECJ-STD-709的出台，越来越多的国家纷纷推行卤素限制法令，键合线领域无卤技术已经显得迫在眉睫。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种微米级键合丝线材连续涂镀用绿色纳米涂镀装置及其方法，用以克服上述现有技术中先电镀后拉拔工艺所带来的镀层质量不稳定的问题，以及涂镀液中添加的有机卤素化合物对人体和自然生态环境造成危害的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种微米级键合丝线材连续涂镀用绿色纳米涂镀装置，涂镀装置包括运动控制系统和依次设置的清洗系统、涂镀系统、加热沉积系统。还提供一种微米级键合丝线材连续涂镀方法，采用绿色纳米涂镀装置进行连续涂镀。
有益效果：
本发明涂镀装置中的涂镀系统实现涂镀液输送、涂镀以及回收，进样泵精确控制涂镀液的输送速率，尽量减少剩余涂镀液的产生，通过模芯调节模孔的大小，控制键合丝线材表面覆盖的涂镀液的厚度及均一性，同时回收模具的设置，提高涂镀液的利用率；运动控制系统控制键合丝线材的涂镀速度以及紧绷程度来保证镀层厚度以及均一稳定性；加热沉积系统通过通入保护气体避免键合丝线材及镀层材料的氧化，通过各段加热炉的长度以及键合丝线材涂镀速度来调节加热处理时间，进一步强化镀层材料与键合丝线表面的结合强度，最后获得镀层材料均匀包覆的键合丝线材；通过运动控制系统、涂镀系统和加热沉积系统之间协调控制，保证涂镀工艺连续稳定，从而提高键合丝线材的服役寿命和服役性能，能够满足引线框架、电子信息、高端连接器等领域的产品需求。
本发明中的连续涂镀方法是在成品键合丝线材的表面上直接涂镀镀层材料，然后通过加热沉积热处理的方式将涂镀液中的溶剂和其他挥发性成分挥发掉，使镀层材料沉积附着在键合丝线材的表面形成均一的镀层，避免了电镀工艺对环境的污染、拉制过程中断线及镀层脱落等问题，同时还避免先电镀后拉拔工艺所带来的镀层质量不稳定的问题。
本发明中的涂镀液为无卤高效分散润湿型涂镀液，不会对人体和自然生态环境造成危害，且涂镀液中通过添加缓蚀剂来减缓或防止涂镀对键合丝线材的腐蚀，通过添加成膜剂来促使涂镀液在键合丝线材表面形成均匀镀层。
附图说明
图1为本发明具体实施例中涂镀装置的结构示意图；
图2为本发明具体实施例1中镀钯层与键合铜线材本体界面的TEM图；
图3为本发明具体实施例2中制备的石墨烯纳米片均匀包覆的键合铜线材的SEM图。
图中：1、输送轮；21、张紧轮；22、张紧杆；23、角位移传感器；3、缠绕轮；31、激光测厚仪；4、储液槽；5、进样泵；51、第一导流管；52、第二导流管；61、模具体；62、模芯；63、入口区；64、出口区；65、回收模具；66、排液管道；7、加热管；71、进气口；72、出气口；8、加热装置；91、清洗单元；92、干燥单元。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种微米级键合丝线材连续涂镀用绿色纳米涂镀装置，涂镀装置包括运动控制系统和依次设置的清洗系统、涂镀系统、加热沉积系统。
运动控制系统用于释放和卷收键合丝线材，运动控制系统释放的键合丝线材依次穿过清洗系统、涂镀系统和加热沉积系统，实现键合丝线材的连续涂镀。
运动控制系统包括输送单元、张紧单元和缠绕单元；输送单元包括多个输送轮1，多个输送轮1用于释放并输送键合丝线材；张紧单元设置于两个输送轮1之间，张紧单元包括张紧轮21、张紧杆22和角位移传感器23，张紧杆22一端连接张紧轮21，另一端连接角位移传感器23，角位移传感器23接收到张紧信号，带动张紧杆22发生转动，张紧杆22带动张紧轮21，通过张紧轮21的位置变化调控键合丝线材的涂镀速度以及紧绷程度；缠绕单元包括缠绕轮3，缠绕轮3用于卷收涂镀后的键合丝线材。
张紧单元与缠绕单元之间还设置有激光测厚仪31，激光测厚仪31包括两个激光位移传感器，两个激光位移传感器分别相对设置于键合丝线材的上下两侧，上下两侧的激光位移传感器分别测量键合丝线材上表面和下表面的位置，通过计算得到被测体的厚度，从而计算出镀层的厚度。
其中，运动控制系统为主动释放、张紧和缠绕收线的控制系统，采用伺服电机作为驱动，通过运动控制系统可以调节涂镀速度，从而保障镀层厚度以及镀层的均一稳定性。
清洗系统用于对运动控制系统释放的键合丝线材表面的杂质进行清除。
清洗系统包括清洗单元91和干燥单元92，键合丝线材依次穿过清洗单元91和干燥单元92，清洗单元91包括环向设置的高压水枪，高压水枪用于清除键合丝线材表面的杂质；干燥单元92包括高压气枪，高压气枪喷射干燥空气对清洗后的键合丝线材进行干燥。
涂镀系统包括储液槽4、进样泵5和涂镀模具，储液槽4用于盛装涂镀液，进样泵5将涂镀液输送至涂镀模具中，清洗系统清洗后的键合丝线材穿过涂镀模具进行连续涂镀。
进样泵5一端通过第一导流管51与储液槽4连通，另一端通过第二导流管52与涂镀模具连接。
进样泵5为微量进样泵5，微量进样泵5用于精确控制涂镀液的输送速率，在保障涂镀液充足的情况下，尽量减少剩余涂镀液的产生。
涂镀模具包括模具体61和模芯62，模具体61和模芯62均设置有两个，两个模具体61相对设置形成入口区63和出口区64，入口区63和出口区64分别作为键合丝线材的输入和输出口，两个模芯62分别相对设置于模具体61的内侧形成模孔，模芯62主要用来控制键合丝线材表面覆盖涂镀液的厚度及均一性，杜绝涂镀液浸润模芯62进行二次涂镀，键合丝线材依次穿过入口区63、模孔和出口区64。其中，经过清洗系统进行杂质处理后的键合丝线材自入口区63进入，经过模芯62之间的模孔，然后从出口区64穿出；本发明中的模芯62材质采用耐磨材料金刚石制备而成，防止在键合丝线材的连续摩擦下造成模孔孔径的改变。
涂镀系统还包括回收模具65，回收模具65上端开设有腔体，腔体位于入口区63的下方，腔体用于回收入口区63中多余的涂镀液；位于腔体底部的回收模具65上开设有排液通道，排液通道处设置有排液管道66，排液管道66的另一端连通于储液槽4；回收模具65、涂镀模具、储液槽4与进样泵5为密封体系，储液槽4为上端封闭的容器，涂镀液在封闭体系中传输流动，避免涂镀液的二次污染，提高涂镀液的利用率。
加热沉积系统包括加热管7，键合丝线材穿过加热管7内部，加热管7外侧周向设置有加热装置8，加热装置8用于对穿过加热管7的键合丝线材加温使涂镀液沉积。
加热管7的两端分别设置有进气口71和出气口72，进气口71和出气口72用于向加热管7内通入保护气体，以避免键合丝线材及涂镀层发生氧化；加热装置8包括多段电阻炉，多段电阻炉的加热功率均可独立控制。如图1中所示，出气口为向上敞开口式设置，有利于保护气体的流动性，从而使得涂镀液在键合丝线材上均匀附着。
其中，多段电阻炉对经过加热管7内的键合丝线材加热，采用多段电阻炉实现多温区加热，去除键合丝线材上覆盖的涂镀液中的溶剂及添加剂，使得镀层材料与键合丝线材界面的精确调控，进一步提高键合丝线材涂镀质量的稳定性，通过各段电阻炉的长度及键合丝线材的涂镀速率来调节各段电阻炉对涂镀键合丝线的加热处理时间。
本发明还提供一种微米级键合丝线材连续涂镀方法，该连续涂镀方法采用本发明中的绿色纳米涂镀装置进行连续涂镀，该连续涂镀方法包括以下步骤：
S1、清除键合丝线材表面的杂质并干燥。键合丝线材首先通过清洗单元91，在环形高压水枪的冲刷下去除表面吸附杂质，然后经过干燥单元92，在环形高压气枪喷射的干燥空气下使得键合丝线材干燥。
S2、进样泵5以一定的速率将涂镀液注入涂镀模具中，通过运动控制系统调节涂镀速度，键合丝线材经过涂镀模具后，得到覆盖涂镀液的键合丝线材。键合丝线材进入涂镀模具后，涂镀液由微量进样泵5注入涂镀模具的入口区63，通过模芯62之间的模孔的孔径及涂镀液中镀层材料的含量来调节镀层的厚度，残余涂镀液回流回收。
涂镀液包括以下质量百分比的组份：镀层材料1～30％(比如1％、5％、10％、15％、20％、25％、28％、30％)、溶剂55～99％(比如55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、99％)、添加剂0～15％(比如0、1％、3％、5％、7％、9％、11％、13％、15％)；镀层材料为贵金属、贵金属盐和石墨烯中的一种或多种；溶剂为水、乙醇、乙二醇、聚乙二醇600和聚乙二醇800中的一种或多种的混合物；添加剂包括分散剂、缓蚀剂、成膜剂和调节剂；分散剂为油酸、辛基酚聚氧乙烯醚、聚吡咯烷酮和十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种，主要用于防止纳米材料的团聚并使其在溶剂中均匀分散；缓蚀剂为聚天冬氨酸和改性肌醇六磷酸酯的一种或两种混合，主要用来减缓或防止涂镀对键合线的腐蚀；成膜剂为聚丙烯酰胺改性松香、羟乙基纤维素和壳聚糖中的一种或多种，主要用来促使涂镀液在键合线表面形成均匀镀层；调节剂为谷氨酸和精氨酸中的一种或两种混合，主要用来调剂涂镀液的酸碱度。
另外，本发明中的涂镀液的制备方法为：首先将添加剂溶解于溶剂中，得到溶液，然后称取一定量的镀层材料超声或搅拌将其分散于上述溶液中，形成均一的涂镀液，最后将形成均一的涂镀液在50～300μm(比如50μm、80μm、100μm、150μm、200μm、250μm、280μm、300μm)的滤网下进行压滤去除杂质后，即得到涂镀液。
贵金属为纳米钯；贵金属盐为硫酸四铵钯。
步骤S2中进样泵5以1.5～2ml/h(比如1.5ml/h、1.6ml/h、1.7ml/h、1.8ml/h、1.9ml/h、2.0ml/h)的速率将涂镀液注入涂镀模具中；步骤S2中的涂镀速度为50～100m/min(比如50m/min、60m/min、70m/min、80m/min、90m/min、100m/min)。
S3、将步骤S2中得到的覆盖涂镀液的键合丝线材输送至加热沉积系统中，在保护气体氛围下，调节加热装置8的加热温度，去除涂镀液中的溶剂及其他成分，使镀层材料沉积在键合丝线材上，得到镀层材料包覆的键合丝线材。步骤S3中的保护气体为N2与H2的混合气体，N2与H2的体积比为19：1。
实施例1
本实施例提供一种涂镀液，该涂镀液包括以下质量百分比的组份：尺寸为10nm的纳米钯15％、溶剂77％、添加剂8％；其中，按照质量百分比计，溶剂包括22％乙醇、20％乙二醇、20％聚乙二醇600和15％聚乙二醇800；添加剂包括分散剂(3％油酸和0.5％辛基酚聚氧乙烯醚)、缓蚀剂(2％改性肌醇六磷酸酯)、成膜剂(2％聚丙烯酰胺改性松香)和调节剂(0.5％谷氨酸)。
本实施例中涂镀液的制备方法为：首先将添加剂溶解于溶剂中，得到溶液；然后将10nm的纳米钯加入上述溶液中，先搅拌6h再超声12h，形成均一的涂镀液，最后在50μm的滤网下进行压滤去除杂质后，即得到涂镀液。
本发明实施例中还提供一种微米级键合丝线材连续涂镀方法，包括以下步骤：
S1、采用0.020mm的键合铜线，清除键合铜线表面的杂质并干燥。
S2、微量进样泵5以1.5ml/h的速率将涂镀液注入涂镀模具中，通过运动控制系统调节涂镀速度为90m/min，键合铜线经过孔径为0.023mm的模孔，得到覆盖涂镀液的键合丝线材。
S3、将步骤S2中得到的覆盖涂镀液的键合丝线材输送至加热沉积系统中，在95％N2+5％H2的混合气体氛围下，在450℃下加热处理1s，去除涂镀液中的溶剂及其他成分，最终得到钯均匀包覆的键合铜线材，从图2中可知，镀钯层与铜基材料直接结合紧密，镀钯层成膜性好、镀层厚度比较均一，没有明显的裂纹。
实施例2
本实施例提供一种涂镀液，该涂镀液包括以下质量百分比的组份：5％单层石墨烯纳米片、溶剂82％、添加剂13％；其中，按照质量百分比计，溶剂包括17％乙醇、20％乙二醇、25％聚乙二醇600和20％聚乙二醇800；添加剂包括分散剂(5％油酸和1％十二烷基苯磺酸钠)、缓蚀剂(2％聚天冬氨酸)、成膜剂(3.5％聚丙烯酰胺改性松香和1％壳聚糖)和调节剂(0.5％精氨酸)。
本实施例中涂镀液的制备方法为：首先将添加剂溶解于溶剂中，得到溶液；然后将单层石墨烯纳米片加入上述溶液中，超声12h，形成均一的涂镀液，最后在300μm的滤网下进行压滤去除杂质后，即得到涂镀液。
本发明实施例中还提供一种微米级键合丝线材连续涂镀方法，该连续涂镀方法的步骤S1中采用0.050mm的键合铜线；步骤S2中微量进样泵5的进样速率为2.0ml/h，涂镀速度为60m/min，涂镀模具中模孔的孔径尺寸为0.055mm；步骤S3中在500℃加热处理0.8s，其他步骤与方法同实施例1相同，在此不再赘述；最终得到石墨烯纳米片均匀包覆的键合铜线材。从图3中可知，石墨烯镀层与铜基材料间结合较好，镀层厚度均一性较好，镀层中没有明显较大的孔洞及裂纹。
实施例3
本实施例提供一种涂镀液，该涂镀液包括以下质量百分比的组份：30％硫酸四铵钯、溶剂60％、添加剂10％；其中，按照质量百分比计，溶剂包括25％乙醇、20％聚乙二醇600和15％聚乙二醇800；添加剂包括分散剂(5％油酸和1％辛基酚聚氧乙烯醚)、缓蚀剂(1％改性肌醇六磷酸酯)、成膜剂(2％聚丙烯酰胺改性松香)和调节剂(1％精氨酸)。
本实施例中涂镀液的制备方法为：首先将添加剂溶解于溶剂中，得到溶液；然后将硫酸四铵钯加入上述溶液中，先搅拌6h再超声12h，形成均一的涂镀液，最后在50μm的滤网下进行压滤去除杂质后，即得到涂镀液。
本发明实施例中还提供一种微米级键合丝线材连续涂镀方法，该连续涂镀方法的步骤S1中采用0.020mm的键合铜线；步骤S2中微量进样泵5的进样速率为2.0ml/h，涂镀速度为90m/min，涂镀模具中模孔的孔径尺寸为0.024mm；步骤S3中在420℃加热处理1s，其他步骤与方法同实施例1相同，在此不再赘述；最终得到硫酸四铵钯均匀包覆的键合铜线材。
综上，本发明涂镀装置中的涂镀系统实现涂镀液输送、涂镀以及回收；运动控制系统：实现键合丝线材张力和定位精确控制；加热沉积系统：实现温度、温区精确控制；三个系统协调控制，保障涂镀工艺连续稳定。本发明中的连续涂镀方法是在成品键合丝线材的表面上直接涂镀镀层材料，然后通过加热沉积热处理的方式使镀层材料沉积附着在键合丝线材的表面形成均一的镀层；另外，本发明中的涂镀液为无卤高效分散润湿型涂镀液，不会对人体和自然生态环境造成危害。

Claims (3)

1.一种微米级键合丝线材连续涂镀用绿色纳米涂镀装置，其特征在于，所述涂镀装置包括运动控制系统和依次设置的清洗系统、涂镀系统、加热沉积系统；所述微米级键合丝线材的直径小于0.05mm；
所述运动控制系统用于释放和卷收键合丝线材，所述运动控制系统释放的键合丝线材依次穿过所述清洗系统、涂镀系统和加热沉积系统，实现键合丝线材的连续涂镀；
所述清洗系统用于对所述运动控制系统释放的键合丝线材表面的杂质进行清除；
所述涂镀系统包括储液槽、进样泵和涂镀模具，所述储液槽用于盛装涂镀液，所述进样泵将涂镀液输送至涂镀模具中，所述清洗系统清洗后的键合丝线材穿过所述涂镀模具进行连续涂镀；
所述加热沉积系统包括加热管，键合丝线材穿过所述加热管内部，所述加热管外侧周向设置有加热装置，所述加热装置用于对穿过加热管的键合丝线材加温使涂镀液沉积；
所述运动控制系统包括输送单元、张紧单元和缠绕单元；
所述输送单元包括多个输送轮，多个所述输送轮用于释放并输送键合丝线材；
所述张紧单元设置于两个所述输送轮之间，所述张紧单元包括张紧轮、张紧杆和角位移传感器，所述张紧杆一端连接张紧轮，另一端连接角位移传感器，通过所述张紧轮的位置变化调控键合丝线材的涂镀速度以及紧绷程度；
所述缠绕单元包括缠绕轮，所述缠绕轮用于卷收涂镀后的键合丝线材；
所述涂镀模具包括模具体和模芯，所述模具体和模芯均设置有两个，两个所述模具体相对设置形成入口区和出口区，两个所述模芯分别相对设置于模具体的内侧形成模孔，键合丝线材依次穿过入口区、模孔和出口区；所述模芯材质采用耐磨材料金刚石制备而成；
所述进样泵的一端通过第一导流管与所述储液槽连通，另一端通过第二导流管与所述涂镀模具连接；
所述涂镀系统还包括回收模具，所述回收模具上端开设有腔体，所述腔体位于所述入口区的下方，所述腔体用于回收所述入口区中多余的涂镀液；
位于所述腔体底部的回收模具上开设有排液通道，所述排液通道处设置有排液管道，所述排液管道的另一端连通于所述储液槽；
所述回收模具、涂镀模具、储液槽与进样泵形成密封体系；
采用所述涂镀装置进行连续涂镀，连续涂镀方法包括以下步骤：
S1、清除键合丝线材表面的杂质并干燥；
S2、进样泵以1.5～2mL/h的速率将涂镀液注入涂镀模具中，通过运动控制系统调节涂镀速度，涂镀速度为50～100m/min，键合丝线材经过涂镀模具后，得到覆盖涂镀液的键合丝线材；
S3、将步骤S2中得到的覆盖涂镀液的键合丝线材输送至加热沉积系统中，在N2与H2的混合气体保护气体氛围下，调节加热装置的加热温度，去除涂镀液中的溶剂及挥发性成分，使镀层材料沉积在键合丝线材上，得到镀层材料包覆的键合丝线材；
所述涂镀液包括以下质量百分比的组份：镀层材料1～30％、溶剂55～99％、添加剂0～15％；
所述镀层材料为纳米钯、硫酸四铵钯或石墨烯纳米片；
所述溶剂为水、乙醇、乙二醇、聚乙二醇600和聚乙二醇800中的一种或多种的混合物；
所述添加剂包括分散剂、缓蚀剂、成膜剂和调节剂；
所述分散剂为油酸、辛基酚聚氧乙烯醚、聚吡咯烷酮和十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种混合；
所述缓蚀剂为聚天冬氨酸和改性肌醇六磷酸酯的一种或两种混合；
所述成膜剂为聚丙烯酰胺改性松香、羟乙基纤维素和壳聚糖中的一种或多种；
所述调节剂为谷氨酸和精氨酸中的一种或两种混合。
2.如权利要求1所述的微米级键合丝线材连续涂镀用绿色纳米涂镀装置，其特征在于，所述清洗系统包括清洗单元和干燥单元，键合丝线材依次穿过清洗单元和干燥单元，所述清洗单元包括环向设置的高压水枪，所述高压水枪用于清除键合丝线材表面的杂质；所述干燥单元包括高压气枪，所述高压气枪喷射干燥空气对清洗后的键合丝线材进行干燥。
3.如权利要求1所述的微米级键合丝线材连续涂镀用绿色纳米涂镀装置，其特征在于，所述加热管的两端分别设置有进气口和出气口，所述进气口和出气口用于向所述加热管内通入保护气体，以避免键合丝线材及涂镀层发生氧化；
所述加热装置包括多段电阻炉，多段所述电阻炉的加热功率均可独立控制。
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