CN116656998B - 一种银键合丝及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种银键合丝及其加工方法，属于键合丝加工技术领域。一种银键合丝，由如下重量份的成分组成：纯度为99.999%的银95‑99份，钬0.2‑1份，镝0.1‑0.8份，铜0.1‑0.5份，镧0.1‑0.6份，锌0.1‑0.5份，石墨烯0.1‑0.6份。本发明银键合丝的成分中添加石墨烯和稀土元素钬、镝、镧，这些成分可以在银键合丝冷拉成型过程中降低晶区和非晶区延伸差异，减少微裂痕的产生，增加银键合丝的均一性和导电性，提升力学性能。
Description
技术领域
本发明一种银键合丝及其加工方法，属于键合丝加工技术领域。
背景技术
键合丝作为半导体封装的重要基础材料，决定着集成电路的发展水平，键合丝所需要的合金丝需要具备机械强度好，成球特性好，接合性好，易于作业和焊接的特性。为了能够提高键合丝的性能，并且降低键合丝的成本，本领域技术人员不断的研究，如何优化合金组成来生成键合丝；提高键合丝的均一性和导电能力。
金属熔融后在冷却过程中会出现结晶，在组织中形成晶区。键合丝在冷拉成型的过程中取向，结晶度逐渐升高，晶区和非晶区的延伸能力的差异会导致晶区和非晶区的界面间出现微小裂痕，随着键合丝越拉越细，这些微裂痕会放大，成为影响键合丝性能不可忽视的因素。但是，键合丝在冷拉成型中结晶是无法避免的，因此，在键合丝成型过程中，如何降低晶区和非晶区延伸性的差异是提高键合丝性能的关键。
发明内容
为了降低键合丝冷拉成型过程中，晶区和非晶区延伸性差异出现的微裂痕导致键合丝性能降低的问题，本发明提供一种银键合丝及键合丝及其加工方法。通过在键合丝的成型材料中添加石墨烯和稀土元素，在键合丝冷拉成型的过程中，降低晶区和非晶区结构上的差异，形成“过渡区”，从而减少微裂痕的产生。此外，添加的石墨烯还能提高键合丝的导电能力，通过加工方法的控制，提高键合丝的均一性。
本发明银键合丝是由如下重量份的成分组成：纯度为99.999%的银95-99份，钬0.2-1份，镝0.1-0.8份，铜0.1-0.5份，镧0.1-0.6份，锌0.1-0.5份，石墨烯0.1-0.6份。
在上述技术方案的基础上，对上述技术方案还可以做如下的改进：
进一步，所述的成分的重量份为：纯度为99.999%的银95-98份，钬0.5-1份，镝0.5-0.8份，铜0.1-0.3份，镧0.1-0.4份，锌0.1-0.4份，石墨烯0.1-0.5份。
进一步，所述的成分的重量份为：纯度为99.999%的银96份，钬0.8份，镝0.6份，铜0.3份，镧0.3份，锌0.3份，石墨烯0.3份。
本发明银键合丝的制备方法包括如下步骤：
步骤1，制锭：按重量份称取各组份，在惰性气体保护下进行熔融，将锌、银、铜和石墨烯投入石墨坩埚中，熔融后，投入镧、钬和镝，继续熔融，搅拌混合金属溶液，混合均匀，启动石墨坩埚两侧磁场，浇注成合金锭；
步骤2，冷拉成型：将步骤1加工出的合金锭，通过热锻模工艺对合金锭进行预处理后，将合金锭墩压成直径为10cm的棒材；将上述金属棒材通过粗拉、中拉、细拉和超细拉，制成直径为0.015-0.050mm的复合金属丝；
步骤3，退火：将步骤2中加工出的复合金属丝，在惰性气体保护下退火处理；
步骤4，缠绕封装。
进一步，步骤1中，所述石墨烯为氧化石墨烯。
进一步，步骤4在封装前对银键合丝进行电镀钯或者镍。在键合丝表面镀钯或者镀镍，可以增加键合丝的耐腐蚀性和导电性；在本发明中，若在步骤1中加入钯或者镍金属，在步骤2冷拉成型的过程中会加速晶区的成长，不易形成“过渡区”。
本申请的有益效果是：本发明银键合丝的成分中添加石墨烯和稀土元素钬、镝、镧，这些成分可以在银键合丝冷拉成型过程中降低晶区和非晶区延伸差异，减少微裂痕的产生，增加银键合丝的均一性和导电性，提升力学性能。
附图说明
图1为实施例1所得银键合丝的XRD图。
具体实施方式
以下实施例仅是为了对权利要求书中所记载的技术方案加以说明，并非是对权利要求保护范围的限制。
实施例1
一种银键合丝，是由如下重量份的成分组成：纯度为99.999%的银96份，钬0.8份，镝0.6份，铜0.3份，镧0.3份，锌0.3份，氧化石墨烯0.3份；
采用如下的方法加工：
步骤1，制锭，按重量比称取各组份，在惰性气体保护下进行熔融，将锌、银、铜和石墨烯投入石墨坩埚中，温度为930℃，熔融后，投入镧、钬和镝，继续熔融，搅拌速度为4圈/s，搅拌40min，混合均匀后，启动石墨坩埚两侧磁场，磁场强度4T，浇注成合金锭，使合金锭在磁场作用下结晶取向；
步骤2，拉丝，将步骤1加工出的合金锭，加热550℃后，通过热锻模工艺对合金锭进行预处理后，将合金锭墩压成直径为8cm的棒材；将上述金属棒材通过粗拉、中拉、细拉和超细拉：粗拉将棒材拉至直径5cm，中拉将粗拉后的棒材拉至直径0.7cm，细拉，将中拉后的线材拉至直径0.2mm，超细拉得直径为0.02~0.05mm的复合金属丝；
步骤3，退火，将步骤2中加工出的复合金属丝，在惰性气体保护下退火处理，退火温度为450℃，退火速度为1m/s；
步骤4，电镀镍后缠绕封装，将步骤3中得到的复合金属丝缠绕到线轴上后，放置在张力系统上放线，复合金属丝依此通过碱洗除油槽、水洗槽A、酸洗活化槽、电镀槽和水洗槽B，最后由收丝装置收丝；碱洗除油槽、水洗槽A、酸洗活化槽、电镀槽和水洗槽B均为循环式槽，具有一个母液箱以及用于循环的泵，工艺参数如下：
循环的泵流量为1.5L/min；
碱洗除油槽：pH为12；
水洗槽A：pH为7；
酸洗活化槽：pH为3；
电镀槽：pH为9，电镀液为350g/L的氨基磺酸镍；
水洗槽B：去离子水；
电镀槽采用三段电镀结构，电镀槽内设置有三个电镀电极组，键合丝在电镀过程中经过三次电镀，第一次电镀电流为6-10mA，最佳为9mA；第二次电镀电流为30-50mA，最佳为40mA；第三次电镀电流为30-50mA，最佳为40mA；电镀速度为6.5m/min；
电镀后将银键合丝吹干，缠绕封装。
实施例2
一种银键合丝，是由如下重量份的成分组成：纯度为99.999%的银95份，钬0.2份，镝0.1份，铜0.5份，镧0.6份，锌0.5份，石墨烯0.3份；
采用如下的方法加工键合丝：
步骤1，制锭，按重量比称取各组份，在惰性气体保护下进行熔融，将锌、银、铜和石墨烯投入石墨坩埚中，温度为850℃，熔融后，投入镧、钯，继续熔融，搅拌速度为3圈/s，搅拌50min，启动石墨坩埚两侧磁场，磁场强度2T，浇注成合金锭，使合金锭在磁场作用下结晶取向；
步骤2，拉丝，将步骤1加工出的合金锭，加热500℃后，通过热锻模工艺对合金锭进行预处理后，将合金锭墩压成直径为10cm的棒材；将上述金属棒材通过粗拉、中拉、细拉和超细拉：粗拉将棒材拉至直径7cm，中拉将粗拉后的棒材拉至直径1cm，细拉，将中拉后的线材拉至直径0.4mm，超细拉得直径为0.02~0.05mm的复合金属丝；
步骤3，退火，将步骤2中加工出的复合金属丝，在惰性气体保护下退火处理，退火温度为500℃，退火速度为1.5m/s；
步骤4，电镀镍后缠绕封装，将步骤3中得到的复合金属丝缠绕到线轴上后，放置在张力系统上放线，复合金属丝依此通过碱洗除油槽、水洗槽A、酸洗活化槽、电镀槽和水洗槽B，最后由收丝装置收丝；碱洗除油槽、水洗槽A、酸洗活化槽、电镀槽和水洗槽B均为循环式槽，具有一个母液箱以及用于循环的泵，工艺参数如下：
循环的泵流量：1L/min，
碱洗除油槽：pH为14，
水洗槽A：pH为8，
酸洗活化槽：pH为5，
电镀槽：pH为8，电镀液为200g/L的硫酸镍；
水洗槽B：去离子水；
电镀槽采用三段电镀结构，电镀槽内设置有三个电镀电极组，键合丝在电镀过程中经过三次电镀，第一次电镀电流为6mA；第二次电镀电流为30mA；第三次电镀电流为30mA；电镀速度为6m/min；
电镀后将银键合丝吹干，缠绕封装。
实施例3
一种银键合丝，是由如下重量份的成分组成：纯度为99.999%的银99份，钬1份，镝0.8份，铜0.1份，镧0.1份，锌0.1份，氧化石墨烯0.6份；
采用如下的方法加工键合丝：
步骤1，制锭，按重量比称取各组份，在惰性气体保护下进行熔融，将锌、银、铜和石墨烯投入石墨坩埚中，温度为950℃，熔融后，投入镧、钬和镝，继续熔融，搅拌速度为5圈/s，搅拌30min，混合均匀后，启动石墨坩埚两侧磁场，磁场强度6T，浇注成合金锭，使合金锭在磁场作用下结晶取向；
步骤2，拉丝，将步骤1加工出的合金锭，加热600℃后，通过热锻模工艺对合金锭进行预处理后，将合金锭墩压成直径为10cm的棒材；将上述金属棒材通过粗拉、中拉、细拉和超细拉：粗拉将棒材拉至直径6cm，中拉将粗拉后的棒材拉至直径1.5cm，细拉，将中拉后的线材拉至直径0.5mm，超细拉得直径为0.02~0.05mm的复合金属丝；
步骤3，退火，将步骤2中加工出的复合金属丝，在惰性气体保护下退火处理，退火温度为480℃，退火速度为0.8m/s；
步骤4，电镀镍后缠绕封装，将步骤3中得到的复合金属丝缠绕到线轴上后，放置在张力系统上放线，复合金属丝依此通过碱洗除油槽、水洗槽A、酸洗活化槽、电镀槽和水洗槽B，最后由收丝装置收丝；碱洗除油槽、水洗槽A、酸洗活化槽、电镀槽和水洗槽B均为循环式槽，具有一个母液箱以及用于循环的泵，工艺参数如下：
循环的泵流量为0.8L/min；
碱洗除油槽：pH为10；
水洗槽A：pH为8；
酸洗活化槽：pH为4；
电镀槽：pH为8，电镀液为300g/L的氯化镍；
水洗槽B：去离子水；
电镀槽采用三段电镀结构，电镀槽内设置有三个电镀电极组，键合丝在电镀过程中经过三次电镀，第一次电镀电流为10mA，最佳为9mA；第二次电镀电流为50mA，最佳为40mA；第三次电镀电流为50mA，最佳为40mA；电镀速度为5m/min；
电镀后将银键合丝吹干，缠绕封装。
对比例1
对比例1银键合丝和实施例1银键合丝的区别在于，对比例1银键合丝中不含钬、镝、镧和氧化石墨烯，其他均相同。
控制实施例1~3和对比例1超细拉工艺，分别制备直径20μm、30μm和50μm的银键合丝，并检测机械性能，如表1所示。
实施例1~3和对比例1所得银键合丝的机械性能检测结果
注：检测标准YS/T 1105-2016半导体封装用键合银丝。
从表中数据可以看出，实施例1银键合丝的拉断力明显高于对比例1，而延伸率却低于对比例1，这说明对比例1的银键合丝的延展性低于实施例1，原因是对比例1的银键合丝中没有稀土元素和氧化石墨烯，在冷拉成型的过程中晶区和非晶区延伸性能的不同步差异导致出现更多的微裂痕，因而相较于实施例1，对比例1银键合丝的力学性能低延伸率高。
图1为实施例1所得银键合丝的XRD图。在冷拉过程中，金属银易于沿<111>方向生长，钬、镝、镧的合金同样也易于形成<111>取向的晶体，因此在XRD图中会形成一个<111>混合晶体的叠加峰，除此之外，钬、镝、镧的合金Ho(0.8-1.2)Dy(1.6-2.2)La(4.8-5.6)还会形成<110>和<112>取向方向的晶型，这两个晶型结构的钬、镝、镧合金部分镶嵌在<111>晶型的混合晶体中，部分填补在非晶区中，从而缓冲了冷拉过程中银金属晶区和非晶区延伸的差异，减少了微裂痕的出现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种银键合丝，其特征在于，由如下重量份的成分组成：纯度为99.999%的银95-99份，钬0.2-1份，镝0.1-0.8份，铜0.1-0.5份，镧0.1-0.6份，锌0.1-0.5份，石墨烯0.1-0.6份；
所述银键合丝的制备方法包括以下步骤：
步骤1，制锭，按重量比称取各组份，在惰性气体保护下进行熔融，将锌、银、铜和石墨烯投入石墨坩埚中，温度为930℃，熔融后，投入镧、钬和镝，继续熔融，搅拌速度为4圈/s，搅拌40min，混合均匀后，启动石墨坩埚两侧磁场，磁场强度4T，浇注成合金锭，使合金锭在磁场作用下结晶取向；
步骤2，冷拉成型：将步骤1加工出的合金锭，加热550℃后，通过热锻模工艺对合金锭进行预处理后，将合金锭墩压成直径为8cm的棒材；将上述金属棒材通过粗拉、中拉、细拉和超细拉：粗拉将棒材拉至直径5cm，中拉将粗拉后的棒材拉至直径0.7cm，细拉，将中拉后的线材拉至直径0.2mm，超细拉得直径为0.02~0.05mm的复合金属丝；
步骤3，退火：将步骤2中加工出的复合金属丝，在惰性气体保护下退火处理；
步骤4，缠绕封装。
2.根据权利要求1所述的银键合丝，其特征在于，所述的成分的重量份为：纯度为99.999%的银98份，钬0.5-1份，镝0.5-0.8份，铜0.1-0.3份，镧0.1-0.4份，锌0.1-0.4份，石墨烯0.1-0.5份。
3.根据权利要求1所述的银键合丝，其特征在于，所述的成分的重量份为：纯度为99.999%的银96份，钬0.8份，镝0.6份，铜0.3份，镧0.3份，锌0.3份，石墨烯0.3份。
4.一种上述权利要求1-3任一权利要求所述的银键合丝的制备方法，其特征在于，包括如下加工步骤：
步骤1，制锭，按重量比称取各组份，在惰性气体保护下进行熔融，将锌、银、铜和石墨烯投入石墨坩埚中，温度为930℃，熔融后，投入镧、钬和镝，继续熔融，搅拌速度为4圈/s，搅拌40min，混合均匀后，启动石墨坩埚两侧磁场，磁场强度4T，浇注成合金锭，使合金锭在磁场作用下结晶取向；
步骤2，冷拉成型：将步骤1加工出的合金锭，加热550℃后，通过热锻模工艺对合金锭进行预处理后，将合金锭墩压成直径为8cm的棒材；将上述金属棒材通过粗拉、中拉、细拉和超细拉：粗拉将棒材拉至直径5cm，中拉将粗拉后的棒材拉至直径0.7cm，细拉，将中拉后的线材拉至直径0.2mm，超细拉得直径为0.02~0.05mm的复合金属丝；
步骤3，退火：将步骤2中加工出的复合金属丝，在惰性气体保护下退火处理；
步骤4，缠绕封装。
5.根据权利要求4所述的银键合丝的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述石墨烯为氧化石墨烯。
6.根据权利要求5所述的银键合丝的制备方法，其特征在于，步骤4在封装前对所述银键合丝进行电镀钯或者电镀镍。
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