CN115555422A - 一种单晶铜键合线的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单晶铜键合线的制备方法，包括如下步骤：将多晶铜棒通过挤压处理制得多晶铜细棒；将多晶铜细棒经过多道次拉拔，制得多晶铜细线；将多晶铜细线进行退火处理，制得单晶铜键合线。以多晶铜坯料为初始原料，摒弃以昂贵的单晶铜棒材为原料的限制，操作简单、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子封装键合线的制备方法，特别涉及一种单晶铜键合线的新型制备方法。
背景技术
键合线(bonding wire)作为电子封装用内引线，是集成电路和半导体分立器件在制造过程中必不可少的基础材料之一，是连接硅片电极与引线框架的外部引出端子的桥梁，起到传递芯片电信号，散发芯片内部热量的作用。键合线的重要功能决定了用作键合线的材料需要具备良好的电导率、热导率，较好的机械性能以及化学稳定性等。目前，常用的键合线有金丝，铜丝，铝丝以及合金丝等。其中，相比于金丝，铜键合丝价格低廉，其仅为金线价格的20％-40％，但铜键合丝却具备更高的电阻率和热导率(仅次于银丝)。此外，在焊接过程中，铜不易与铝形成金属间化合物，可靠性也较高。因此铜丝是替代金丝成为半导体封装引线的重要材料。
近年来，随着半导体电子工业的发展正朝着芯片密度更高，价格更低，功耗更小的方向发展，寻求成本低，性能好的新一代铜键合线成为电子封装产业的重要目标。单晶铜键合线由于没有多晶晶界，可有效进一步降低电子与声子散射，相比多晶铜键合线具备更出色的电导性能和散热性能，将成为未来电子封装领域的主流产品。目前，单晶铜键合线是通常以较昂贵的连铸的单晶铜棒作为初始原料，经过多道次的拉拔而成。但在拉制过程中，通常伴随着严重的加工硬化与缺陷的产生，从而影响单晶铜线的电学与机械性能。而且，在拉制铜线过程中，需要在高于铜熔点(1085℃)以上进行熔炼，连铸，成型，工艺较为复杂，因此成本较高，难以实现大规模制造。因此，寻求一种低成本制备高性能的单晶铜键合线制备技术具有重要意义。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种新型单晶铜键合线的制备方法，以多晶棒材为初始原料，摒弃以昂贵的单晶棒材为原料的限制，操作较为简单，成本也较低。
为解决上述技术问题，本发明的目的是这样实现的：
本发明所涉及的一种单晶铜键合线的制备方法，包括如下步骤：
将多晶铜棒通过挤压处理制得多晶铜细棒；
将多晶铜细棒经过多道次拉拔，制得多晶铜细线；
将多晶铜细线进行退火处理，制得单晶铜键合线。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：包括如下步骤：
(1)将无氧铜坯料酸洗之后进行热处理，得到等轴晶粒的多晶铜；
(2)将上一步骤所制备的待轴晶粒多晶铜挤压成型，制得多晶铜棒；
(3)将上一步骤所制备的多晶铜棒挤压成型，制得多晶铜细棒；
(4)将上一步骤所制备的多晶铜细棒通过拉丝机，拉丝制成多晶铜线；
(5)将上一步骤所制备的多晶铜线预热，并通过拉丝机，拉丝制成多晶铜细线；
(6)将上一步骤所制备的多晶铜细线进行酸洗、退火处理；退火处理之后再进行冷水淬火、酸洗抛光，制得成品单晶铜键合线。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：步骤(1)中，所述多晶铜坯料的纯度为99.999％；
步骤(2)中，所述多晶铜坯料拉拔挤压温度为800℃，用45号机油加25％片状石墨作为润滑剂，流出模孔速度控制在35/m·min-1，获得多晶粗铜棒直径为8mm。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：步骤(3)中，将多晶铜棒再一次挤压成直径为2mm的多晶细铜棒，其中设定条件为挤压温度为850℃,流出模孔速度50/m·min-1，用45号机油加25％片状石墨作为润滑剂，制得的多晶铜细棒直径为2mm。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：步骤(5)中，将多晶铜线进行预热处理，然后在小拉丝机上多道次拉制成直径为0.018-0.025mm的多晶铜细线。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：步骤(6)中，将多晶铜细线进行酸洗，利用石英管对酸洗干燥后的多晶铜细线进行真空封装，真空度低于10-3Pa；在低于熔点200℃下进行退火热处理；其中退火温度885℃，时间24小时，升温速率10℃/min，退火结束后随石英管一起直接取出，冷水淬火，对退火后的铜键合线表面酸洗抛光，得到成品单晶铜键合线。
本发明的有益效果是：本发明所涉及的一种单晶铜键合线的制备方法，以多晶铜坯料为初始原料，摒弃以昂贵的单晶铜棒材为原料的限制，操作简单、成本低。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施的技术方案，下面将对实施中所描述使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明一实施例中单晶铜键合线制备方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例制备的单晶铜键合线扫描电子显微镜(SEM)图；
图3为本发明一实施例制备的单晶铜键合线的电子背散射(EBSD)图。
具体实施方式
结合图1至图3，对本发明作详细说明。本发明所涉及的一种单晶铜键合线的制备方法，具体的工艺流程如下：
步骤(1)：将99.999％的高纯无氧铜坯料酸洗之后在800℃下进行热处理，炉内压力低于10-3Pa。升温速率10℃/min，热处理时间12小时，后随炉冷却得到等轴晶粒的多晶铜。
步骤(2)：将步骤(1)退火后的等轴晶粒多晶铜坯料进行挤压(extrusion)成型，获得直径为8mm的多晶铜棒。设定条件为挤压温度设800℃,流出模孔速度35/m·min-1,用45号机油加25％片状石墨作为润滑剂，获得的多晶铜棒直径为8mm。所加入片状石墨烯占45号机油体积的25％，即25％为体积百分比。
步骤(3)：将步骤(2)中得到的直径8mm的多晶铜棒再一次挤压成直径为2mm的多晶细铜棒。其中，设定条件为挤压温度为850℃，流出模孔速度50/m·min-1，同样地，用45号机油加25％片状石墨作为润滑剂，获得的多晶细铜棒直径为2mm，在本步骤中，25％亦为体积百分比。
步骤(4)：将步骤(3)中得到的直径为2mm的细铜棒经过微机程控、交流电机驱动的拉丝机拉成直径为0.2mm的多晶铜线；
步骤(5)：将步骤(4)中得到的直径为0.2mm的多晶铜线进行预热处理，然后在小拉丝机上多道次拉制成直径为0.018-0.025mm的多晶铜细线。
步骤(6)：将步骤(5)中得到多晶铜细线酸洗，利用石英管对酸洗干燥后的多晶铜细线进行真空封装，真空度低于10-3Pa。在低于熔点200℃下进行退火热处理，得到单晶铜键合线。其中退火温度885℃，时间24小时。从室温到885℃的升温速率10℃/min，退火结束后随石英管一起直接取出，冷水淬火，对退火后的铜键合线表面酸洗抛光，得到成品单晶铜键合线。
以直径为0.018mm的单晶铜键合线为例，进行测试，如图2和图3，分别测试了扫描电子显微镜(SEM)图和电子背散射(EBSD)图。
由图2单晶铜键合线的扫描电子显微镜图中可以看出，制备出的单晶铜键合线无明显晶界，表面相对光滑，具备单晶形貌，克服了连铸单晶铜棒作为初始原料加工单晶铜键合线所带来的加工缺陷。
由图3单晶铜键合线的电子背散射图可以看出，制备出的单晶铜线键合线呈现单晶体结构，无明显晶格畸变，但伴随着常见退火孪晶的少量出现。
利用四探针法对制备的直径为0.018mm的单晶铜键合线进行电阻率测试，结果表明，制备的单晶铜键合线电阻率为1.48×10-8Ω·m，与现有技术中的多晶铜键合线的电阻率典型值1.75～1.94×10-8Ω·m相比，单晶铜键合线电阻率下降了15～23％，表明此方法制备出的单晶铜键合线具备更好的电气性能。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种单晶铜键合线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将多晶铜棒通过挤压处理制得多晶铜细棒；
将多晶铜细棒经过多道次拉拔，制得多晶铜细线；
将多晶铜细线进行退火处理，制得单晶铜键合线。
2.根据权利要求1所述的一种单晶铜键合线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将无氧铜坯料酸洗之后进行热处理，得到等轴晶粒的多晶铜；
(2)将上一步骤所制备的待轴晶粒多晶铜挤压成型，制得多晶铜棒；
(3)将上一步骤所制备的多晶铜棒挤压成型，制得多晶铜细棒；
(4)将上一步骤所制备的多晶铜细棒通过拉丝机，拉丝制成多晶铜线；
(5)将上一步骤所制备的多晶铜线预热，并通过拉丝机，拉丝制成多晶铜细线；
(6)将上一步骤所制备的多晶铜细线进行酸洗、退火处理；退火处理之后再进行冷水淬火、酸洗抛光，制得成品单晶铜键合线。
3.根据权利要求2所述的一种单晶铜键合线的制备方法，其特征在于，
步骤(1)中，所述多晶铜坯料的纯度为99.999％；
步骤(2)中，所述多晶铜坯料拉拔挤压温度为800℃，用45号机油加25％片状石墨作为润滑剂，流出模孔速度控制在35/m·min-1，获得多晶粗铜棒直径为8mm。
4.根据权利要求3所述的一种单晶铜键合线的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，将多晶铜棒再一次挤压成直径为2mm的多晶细铜棒，其中设定条件为挤压温度为850℃,流出模孔速度50/m·min-1，用45号机油加25％片状石墨作为润滑剂，制得的多晶铜细棒直径为2mm。
5.根据权利要求4所述的一种单晶铜键合线的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，将多晶铜线进行预热处理，然后在小拉丝机上多道次拉制成直径为0.018-0.025mm的多晶铜细线。
6.根据权利要求5所述的一种单晶铜键合线的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，将多晶铜细线进行酸洗，利用石英管对酸洗干燥后的多晶铜细线进行真空封装，真空度低于10- 3Pa；在低于熔点200℃下进行退火热处理；其中退火温度885℃，时间24小时，升温速率10℃/min，退火结束后随石英管一起直接取出，冷水淬火，对退火后的铜键合线表面酸洗抛光，得到成品单晶铜键合线。
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