CN117840425A - 一种高键合性能的铜基合金键合丝及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高键合性能的铜基合金键合丝，包含以下步骤：S1：将铜、氧化锌、镍、钼研磨成合金粉，再用放电等离子烧结锅进行烧结，得到合金烧结块；S2：将得到的合金烧结块加入钴、铬、铌和铈进行固溶和超声等温时效处理，再进行均匀化处理；S3：将合金棒进行热粗拉丝和真空低温细拉丝，洗净干燥，得到铜基合金键合丝；本发明制备得到的铜基合金键合丝，其硬度符合键合工艺要求，低长弧成弧性，且晶格细小紧密，具有高抗氧化性能和高韧性，能高效键合。
Description
技术领域
本发明涉及合金丝材料技术领域，具体涉及一种高键合性能的铜基合金键合丝及其制备方法。
背景技术
铜相较于金和银，价格低廉，且具有很多优良性能，近年来铜键合丝的市场逐渐扩大，目前金键合丝的有效替代品为铜键合丝，铜键合丝的导电性能、机械性能比金优良，在封装时能够维持极佳的焊球头强度和线弧的稳定度，但同时存在一些缺陷，在实施键合操作时，铜键合丝的硬度过大，弧线高，容易在第二焊点时发生逃丝，以至于操作频繁中断，且铜活泼的化学性质带来的高氧化性，容易被氧化，因此要求低氧或无氧环境下进行工艺操作，这也给键合工艺带来难度，也造成效率低下问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高键合性能的铜基合金键合丝。
本发明的技术内容如下：
本发明提供一种高键合性能的铜基合金键合丝的制备方法，包含以下步骤：
S1：将铜、氧化锌、镍、钼置于用研磨机进行研磨成合金粉，再用放电等离子烧结锅进行烧结，得到合金烧结块；
所述烧结为在烧结温度为1050-1100℃下烧结7-9min，将压强从20-30MPa升到60-70MPa。
所述烧结过程为将合金粉放在石墨模具中、并在氮气氛围下进行；
所述烧结将大组分金属与铜充分混匀活化、均匀细化晶粒，铜的晶粒空隙处进行放电反应，钼镍与铜的亲和力强，促进钼镍在铜内扩散融合，形成强化相，发挥细化铜的晶粒、改善合金材料的韧性和抑制金属间化合物的生长的作用，其中细化后的氧化锌能降低合金烧结温度，在石墨作用下还原成纳米锌，掺入铜中增加铜的机械加工性能；
S2：将得到的合金烧结块加入坩埚中并加入钴、铬、铌和铈进行固溶，进行超声等温时效处理，再在退火炉中进行均匀化处理；
所述固溶为升温到1000-1200℃后维持8-10min；
固溶时，钼镍分布于铜的枝晶间，形成无限固溶元素，钴、铬、铌和铈在纳米级细化后的铜里弥散分布，铬增加铜的机械性能；钴的塑性变形能力能增强合金的韧性；铌和铈能抑制铜离子扩散，强化晶粒和抑制晶粒粗化生长，并起到除杂作用，降低铜基合金的收缩率；
所述超声等温时效处理为在氮气氛围下，在温度为780-880℃，超声频率为100-160kw下保温0.5-0.8h；能释放残余应力，增强合金的结合力，提高合金材料的均匀度，进而提高其键合性能；
所述均匀化处理的退火处理温度为400-600℃，退火速率为100-140℃/min；
S3：将合金棒用拉丝机进行粗拉丝，再退火至常温，再在低温下进行细拉丝，用去离子水清洗干净后，干燥，得到铜基合金键合丝；
所述粗拉丝在氮气氛围下进行，粗拉丝后的键合丝直径为50-80μm；能减少校正应力，能提高合金的塑性和韧性及耐腐蚀性。
所述细拉丝在真空条件下、温度为0-5℃进行，细拉丝后的键合丝直径为15-30μm；真空低温条件下，铜基合金棒材能减少变形，得到的键合丝均匀性高，键合性能稳定。
S4：将得到的铜基合金键合丝在氦气条件下进行保存。
所述铜基合金键合丝，包含以下质量百分比组份：镍9-13％，氧化锌6-9％、钴0.1-0.3％，钼0.3-0.5％，铬3.0-5.0％，铌0.1-0.8ppm，铈0.1-0.3％，余量为铜；
所述铜基合金键合丝，包含以下质量百分比组份：镍11％，氧化锌8％、钴0.2％，钼0.4％，铬4.0％，铌0.4ppm，铈0.2％，余量为铜。
有益效果：本发明提供的制备方法制备得到的铜基合金键合丝，其硬度符合键合工艺要求，且晶格细小紧密，进而抗氧化性能提高，为低长弧成弧性，韧性高，键合成功率达97％以上，具有良好的键合能力。
说明书附图
图1为实施例1所制得的铜基合金键合丝的侧面的光学显微镜图；
图2为实施例1所制得的铜基合金键合丝的底面的光学显微镜图；
图3为实施例1所制得的铜基合金键合丝的剖切SEM检测图；
图4为实施例1所制得的铜基合金键合丝的FIB截面SEM检测图。
具体实施方式
以下通过具体的实施案例对本发明作进一步详细的描述，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本发明所附权利要求所限定。
若无特殊说明，本发明的所有原料和试剂均为常规市场的原料、试剂。
实施例1
一种高键合性能的铜基合金键合丝的制备方法
S1：将76.2％铜、8％氧化锌、11％镍、0.4％钼置于用研磨机进行研磨成合金粉，再用放电等离子烧结锅进行烧结，烧结为将合金粉放在石墨模具中、并在氮气氛围下进行，在烧结温度为1080℃下烧结8min，将压强从25MPa升到65MPa得到合金烧结块；
S2：将得到的合金烧结块加入坩埚中并加入0.2％钴、4.0％铬、0.5ppm的铌和0.2％铈进行固溶，升温到1100℃后维持9min；进行超声等温时效处理，在氮气氛围下，在温度为830℃，超声频率为130kw下保温0.6h，再在退火炉中进行均匀化处理，退火处理温度为500℃，退火速率为120℃/min；
S3：将合金棒用拉丝机进行粗拉丝，粗拉丝在氮气氛围下进行，粗拉丝后的键合丝直径为75μm，再退火至常温，再在低温下进行细拉丝，在真空条件下、温度为3℃进行，细拉丝后的键合丝直径为23μm，用去离子水清洗干净后，干燥，得到铜基合金键合丝；
S4：将得到的铜基合金键合丝在氦气条件下进行保存。
将制得的铜基合金键合丝应用于半导体封装中引线键合，用焊线机在常规条件下键合，键合压力为140克力/点，键合成功率为99.7％。
实施例2
一种高键合性能的铜基合金键合丝的制备方法
S1：将81.5％铜、6％氧化锌、9％镍、0.3％钼置于用研磨机进行研磨成合金粉，再用放电等离子烧结锅进行烧结，烧结为将合金粉放在石墨模具中、并在氮气氛围下进行，在烧结温度为1050℃下烧结7min，将压强从20MPa升到60MPa得到合金烧结块；
S2：将得到的合金烧结块加入坩埚中并加入0.1％钴、3.0％铬、0.1ppm的铌和0.1％铈进行固溶，升温到1000℃后维持8min；进行超声等温时效处理，在氮气氛围下，在温度为780℃，超声频率为100kw下保温0.5h，再在退火炉中进行均匀化处理，退火处理温度为400℃，退火速率为100℃/min；
S3：将合金棒用拉丝机进行粗拉丝，粗拉丝在氮气氛围下进行，粗拉丝后的键合丝直径为50μm，再退火至常温，再在低温下进行细拉丝，在真空条件下、温度为0℃进行，细拉丝后的键合丝直径为15μm，用去离子水清洗干净后，干燥，得到铜基合金键合丝；
S4：将得到的铜基合金键合丝在氦气条件下进行保存。
将制得的铜基合金键合丝应用于半导体封装中引线键合，用焊线机在常规条件下键合，键合压力为140克力/点，键合成功率为97.9％。
实施例3
一种高键合性能的铜基合金键合丝的制备方法
S1：将71.9％铜、9％氧化锌、13％镍、0.5％钼置于用研磨机进行研磨成合金粉，再用放电等离子烧结锅进行烧结，烧结为将合金粉放在石墨模具中、并在氮气氛围下进行，在烧结温度为1100℃下烧结9min，将压强从30MPa升到70MPa得到合金烧结块；
S2：将得到的合金烧结块加入坩埚中并加入0.3％钴、5.0％铬、0.8ppm的铌和0.3％铈进行固溶，升温到1200℃后维持10min；进行超声等温时效处理，在氮气氛围下，在温度为880℃，超声频率为160kw下保温0.8h，再在退火炉中进行均匀化处理，退火处理温度为600℃，退火速率为140℃/min；
S3：将合金棒用拉丝机进行粗拉丝，粗拉丝在氮气氛围下进行，粗拉丝后的键合丝直径为80μm，再退火至常温，再在低温下进行细拉丝，在真空条件下、温度为5℃进行，细拉丝后的键合丝直径为30μm，用去离子水清洗干净后，干燥，得到铜基合金键合丝；
S4：将得到的铜基合金键合丝在氦气条件下进行保存。
将制得的铜基合金键合丝应用于半导体封装中引线键合，用焊线机在常规条件下键合，键合压力为140克力/点，键合成功率为98.5％
对比例1
对比例1与实施例1的不同之处在于，对比例1不添加镍和钼，用等量的氧化锌代替，其他不变。
将制得的铜基合金键合丝应用于半导体封装中引线键合，用焊线机在常规条件下键合，键合压力为140克力/点，键合拉断力为0.64N，键合成功率为90.8％
对比例2
对比例2与实施例1的不同之处在于，对比例2不添加钴和铬，用等量的铜代替，其他不变。
将制得的铜基合金键合丝应用于半导体封装中引线键合，用焊线机在常规条件下键合，键合压力为140克力/点，键合成功率为82.4％
对比例3
对比例3与实施例1的不同之处在于，对比例3的铜基合金键合丝的制备方法中不进行等离子放电烧结，步骤S1-S2为：将等量的铜、氧化锌、镍、钼置于用研磨机进行研磨成合金粉，加入坩埚中并加入钴、铬、铌和铈进行固溶，升温到1100℃后维持9min；进行超声等温时效处理，在氮气氛围下，在温度为730℃，超声频率为130kw下保温0.6h，再在退火炉中进行均匀化处理，退火处理温度为500℃，退火速率为120℃/min；其他不变；
将制得的铜基合金键合丝应用于半导体封装中引线键合，用焊线机在常规条件下键合，键合压力为140克力/点，键合成功率为85.6％
对比例4
对比例4与实施例1的不同之处在于，对比例4的步骤S2中不进行超声等温时效处理，直接进行退火处理，其他不变；
将制得的铜基合金键合丝应用于半导体封装中引线键合，用焊线机在常规条件下键合，键合压力为140克力/点，键合成功率为87.7％。
对比例5
对比例5与实施例1的不同之处在于，对比例5不进行粗拉丝和细拉丝，步骤S3为：在退火处理后，在氮气氛围下用拉丝机将铜基合金键合丝进行拉丝，得到直径为30μm的键合丝，其他不变；
将制得的铜基合金键合丝应用于半导体封装中引线键合，用焊线机在常规条件下键合，键合压力为140克力/点，键合成功率为87.7％。
对实施例1制备得到的键合丝进行显微镜检测和电镜检测，检测结果如图1、图2、图3和图4所示，由图可知，本发明制得的键合丝微观结构良好，光滑均匀，晶粒细小致密。
再对实施例和对比例所制得的铜基合金键合丝在室温下进行性能检测，并用市面所购买的直径为30μm的铜键合丝做对照组，测试项目有：进行动态拉伸测试拉伸应力，测试结果如表1所示。
表1
由表1结果可知，本发明实施例制得的铜基合金键合丝比普通铜键合丝的硬度低，但符合工艺要求，热影响区(HAZ)长度在50-60μm之间，维氏硬度HV在7-8g/mil2之间，具有低成弧性，同时电阻率低且延展率高，机械加工性能好。
综上，本发明制备的铜基合金键合丝具有高键合性能，抗氧化性强，无需低氧和无氧环境，键合成功率能达97％以上，由实施例和对比例、对照组的结果可知，本发明添加镍钼和氧化锌几种大组份金属原料和铜形成铜基合金，相比单一的铜锌合金，综合机械性能均有所提高，韧性更强；本发明将大组分金属研磨成粉进行等离子烧结，形成纳米级的合金烧结块，含有强化相和纳米锌，固溶和超声等温时效处理能促使各相充分混匀溶解，抑制晶粒长大和金属间化合物生长，提高合金的均匀度，减少加工应力，为重要工艺步骤；退火处理后进行粗拉丝和真空低温细拉丝，相比普通简单拉丝，释放加工应力，得到的铜基合金键合丝均匀度高，机械加工性能好，具有高键合性能。
Claims (10)
1.一种高键合性能的铜基合金键合丝的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1：将铜、氧化锌、镍、钼置于用研磨机进行研磨成合金粉，再用放电等离子烧结锅进行烧结，得到合金烧结块；
S2：将得到的合金烧结块加入坩埚中并加入钴、铬、铌和铈进行固溶，进行超声等温时效处理，再在退火炉中进行均匀化处理；
S3：将合金棒用拉丝机进行粗拉丝，再退火至常温，再在低温下进行细拉丝，用去离子水清洗干净后，干燥，得到铜基合金键合丝；
S4：将得到的铜基合金键合丝在氦气条件下进行保存。
2.根据权利要求1所述的一种高键合性能的铜基合金键合丝的制备方法，其特征在于，所述铜基合金键合丝，包含以下质量百分比组份：镍9-13%，氧化锌6-9%、钴0.1-0.3%，钼0.3-0.5%，铬3.0-5.0%，铌0.1-0.8ppm，铈0.1-0.3%，余量为铜。
3.根据权利要求1所述的一种高键合性能的铜基合金键合丝的制备方法，其特征在于，所述铜基合金键合丝，包含以下质量百分比组份：镍11%，氧化锌8%、钴0.2%，钼0.4%，铬4.0%，铌0.4ppm，铈0.2%，余量为铜。
4.根据权利要求1所述的一种高键合性能的铜基合金键合丝的制备方法，其特征在于，所述烧结为在烧结温度为1050-1100℃下烧结7-9min，将压强从20-30MPa升到60-70MPa。
5.根据权利要求1所述的一种高键合性能的铜基合金键合丝的制备方法，其特征在于，所述烧结过程为将合金粉放在石墨模具中、并在氮气氛围下进行。
6.根据权利要求1所述的一种高键合性能的铜基合金键合丝，其特征在于，所述固溶为升温到1000-1200℃后维持8-10min。
7.根据权利要求1所述的一种高键合性能的铜基合金键合丝，其特征在于，所述超声等温时效处理为在氮气氛围下，在温度为780-880℃，超声频率为100-160kw下保温0.5-0.8h。
8.根据权利要求1所述的一种高键合性能的铜基合金键合丝，其特征在于，所述均匀化处理的退火处理温度为400-600℃，退火速率为100-140℃/min。
9.根据权利要求1所述的一种高键合性能的铜基合金键合丝，其特征在于，所述粗拉丝在氮气氛围下进行，粗拉丝后的键合丝直径为50-80μm。
10.根据权利要求1所述的一种高键合性能的铜基合金键合丝的制备方法，其特征在于，所述细拉丝在真空条件下、温度为0-5℃进行，细拉丝后的键合丝直径为15-30μm。
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