TWI592946B - Copper alloy wire and its manufacturing method - Google Patents

Description

銅合金導線及其製造方法

本發明係關於一種銅導線及其製造方法，特別是關於一種銅合金導線及其製造方法。

近年來由於金價走高，習用以作為半導體封裝導線的金線也開始被其他金屬導線取代，以材質成分或創新結構開發半導體封裝導線已然成為該領域的主要發展方向。

因此，在導電性質與成本上都有優勢的銅金屬，亦被作為主要替代材質來開發導線，惟，銅金屬雖然有良好的導電性與延展性且價格較低廉，但在實際應用上，卻因銅金屬易於氧化的特性影響了傳導的功能並大幅縮減了銅導線的壽命；是以，藉由成分、製程或結構之改良來改善銅導線氧化的問題也成為領域中其中一個研究的課題。

例如在專利文獻(證書號TW I509089)中，揭示一種純銅合金線的剖面構造，該線的組成係由40~100ppm鈦、鋯、鋅、錫中的至少一種卑金屬，以及剩餘部份用銅所構成；該線材的剖面構造係該線材因鑽石伸線眼模加工而徑縮的加工面，該線材表面形成由總有機碳量為50~3000μg/m²所構成的有機碳層。

上述專利文獻(TW I509089)之技術主要在於為了抑制銅線表面銅氧化物變質成為斑點，故使銅母材中含有易氧化之卑金屬元素先與氧原子進行內部氧化。接著，在表面氧化層大部分還是未飽和之銅氧化物期間，藉由鑽石拉伸模在線材表面形成不使該氧化層還原的有機碳層，而取得銅氧化物層的氧化還原平衡，進而阻止斑狀的銅氧化物在表面產生；然而，此一專利之銅導線在實際上與鋁墊銲接時，由於成分比例的關係，會有銲接性較差的情形。

又，於專利文獻(證書號TW I512121)中，揭示一種接合線，其包含：以銅作為主要成分之具有表面的核心，其中銅之總量至少97%，另包含0.5%~3%的鈀、45~900ppm的銀；此專利文獻之技術在於其於核心外結合一塗層，該塗層包括Pd、Au、Pt、Ag之至少一者作為主要成分。 若選擇退火溫度作為變量參數，且將退火時間設為定值，則將退火溫度選為高於最大延伸率之退火溫度值尤其有益；特定而言，可使用此製造原理將線之平均晶粒大小調節至較大之晶粒尺寸，可以正性方式影響其他性質，如線柔軟性、球接合行為等。

惟，上述專利文獻(TW I512121)在實際應用上，由於其表面塗層係包括Pd、Au、Pt、Ag之至少一者作為主要成分，是以製造成本較高且成球性會較無鍍層的來的差。

有鑑於此，本發明即研發一種特定成分之銅合金導線，既可改善其氧化之問題，亦可保有並提升其銲接 性。

本發明所欲解決的主要問題，係在於銅導線易氧化的特性在半導體封裝上應用的限制；因此本發明以加入銀、鈦作為組成成分，並對其製作方法進行改良，克服銅導線易氧化的問題，同時提升銅導線之銲接性。

為達成上述的目的，本發明公開了一種銅合金導線，係以銅、銀、鈦為主要組成成分，並以重量百分比如下的比例真空熔煉製成：0.3~0.45的銀、0.01~0.02的鈦以及其餘為銅。

而本發明所述的銅合金導線，係於真空狀態下進行二階段熔煉後，以連續鑄造法製成銅合金線材，再經伸線設備抽製為銅合金精細線，最後經退火溫度580~700℃(退火時間0.1秒以上)之熱處理完成銅合金導線之製程。

在真空熔煉步驟中，「二階段熔煉」係分為第一階段的真空電弧熔煉與第二階段的真空感應熔煉，說明如下：1.真空電弧熔煉：全份額的鈦與部分份額的銅以真空電弧熔煉製成熔點較低的銅鈦母合金；2.真空感應熔煉：銅鈦母合金與全份額的銀、剩餘份額的銅共同進行感應熔煉為熔融狀的銅合金。

接下來，經均勻熔煉後的熔融狀的銅合金會經過連續鑄造法(continuous casting)鑄造為線徑8mm到4mm的銅合金線材，然後經由無滑動伸線設備於室溫下以100~1000m/min的速度抽製為10~20μm的銅合金精細線。

最後，銅合金精細線會以氬氣作為保護氣體，以退火溫度580~700℃(退火時間0.1秒以上)的熱處理完成銅合金導線之製程，使該銅合金導線之氧化問題獲得明顯改善，並且達到更佳的銲接性，具有整體機械性質優化之功效。

A‧‧‧全份額的鈦

B1‧‧‧部份份額的銅

B2‧‧‧剩餘份額的銅

C‧‧‧全份額的銀

100’‧‧‧銅鈦母合金

100‧‧‧熔融狀的銅合金

300‧‧‧無滑動伸線設備

301‧‧‧張力控制裝置

302‧‧‧眼模

303‧‧‧銅合金線材

S10~S12‧‧‧真空熔煉步驟

S20‧‧‧連續鑄造步驟

S30~S31‧‧‧抽線步驟

S40~S41‧‧‧熱處理步驟

圖1A為本發明主要成分及第一階段熔煉之表示圖；圖1B為本發明主要成分及第二階段熔煉之表示圖；圖2A為本發明製造方法之步驟流程圖；圖2B為本發明真空熔煉步驟之流程說明圖；圖2C為本發明抽線步驟之流程說明圖；圖2D為本發明熱處理步驟之流程說明圖；圖3為本發明無滑動伸線設備之示意圖。

首先，請同時參閱圖1A及圖1B，圖1A及圖1B係為本發明所述之銅合金導線的成分與熔煉方式，本發明係銅、銀、鈦以組成成分如下的重量百分比真空熔煉製成：0.3~0.45的銀、0.01~0.02的鈦以及其餘部分為銅。

由於鈦金屬熔點為1668℃，高於熔點1085℃的銅與熔點961.8℃的銀相差近600~700℃，為避免鈦金屬熔融不全無法均勻的分布於熔融狀的銅合金中進行鑄造，因此於真空熔煉階段採取「二階段熔煉」，先如圖1A中將「全份額的鈦A」與「部分份額的銅B1」以真空電弧熔煉製成熔點較低的「銅鈦母合金100’」；再如圖1B中將「銅鈦母合金100’」與「全 份額的銀C」、「剩餘份額的銅B2」共同進行感應熔煉為「熔融狀的銅合金100」。上述部分份額的銅B1及剩餘份額的銅B2皆使用純度4N以上的銅。

而本發明所述的銅合金導線，係如圖2A所示透過真空熔煉以連續鑄造法製成銅合金線材，再經伸線設備抽為銅合金精細線，最後經熱處理完成銅合金導線之製程，步驟如下：步驟S10：真空狀態下進行二階段熔煉；步驟S20：經連續鑄造製成銅合金線材；步驟S30：經伸線設備抽製為銅合金精細線；步驟S40：以580~700℃退火時間0.1秒以上進行熱處理。

於圖2B中可進一步了解，步驟S10中提到的「二階段熔煉」係分為第一階段的步驟S11與第二階段的步驟S12，說明如下：

步驟S11：全份額的鈦與部分份額的銅以真空電弧熔煉製成熔點較低的銅鈦母合金。詳言之，熔點為1668℃的鈦投入熔點1085℃的銅金屬液時，該銅金屬液無法使鈦金屬完全熔融於其中，因此在步驟S11中，將要熔煉的鈦及部分的銅先置入坩鍋中並抽至真空，使降低熔煉過程中空氣裡的汙染源，再透過電擊棒產生電弧對坩鍋內之鈦和銅直接進行加溫熔融，先行將銅和鈦煉製為熔點更接近銅熔點的銅鈦母合金。此一步驟之目的，係在於防止熔點較高的鈦金屬在熔融不完全或熔融不均勻的狀態下，與其餘成分一起煉製為銅合金線材，導 致鈦金屬於銅合金內部的分布不均勻，造成該銅合金抗氧化性不理想的情形。

步驟S12：銅鈦母合金與全份額的銀、剩餘份額的銅共同進行感應熔煉為熔融狀的銅合金。

經均勻熔煉後的銅合金熔融液在步驟S20(如圖2A所示)中，熔融狀的銅合金會經過連續鑄造法(continuous casting)鑄造為線徑8mm到4mm的銅合金線材；在煉製成形為線材的步驟中，基於線材的物理特徵與鑄造的成本及便利性，採用直接將銅合金熔融液倒入不斷振動與冷卻的鑄道模體生成連續不斷線材的連續鑄造法。

接下來，線徑8mm到4mm的銅合金線材會再經過步驟S30中的伸線設備經粗抽、中抽、細抽於室溫下以100~1000m/min的速度抽製為10~20μm的銅合金精細線。

在一實施例中，可使用如圖2C所示之步驟S31中所述的「無滑動伸線設備」對銅合金線材進行抽線。舉例，參考圖3，於該抽線步驟中，該無滑動伸線設備300包括一張力控制裝置301及一眼模302，該張力控制裝置301(例如張力桿)用以在該眼模302後方增加該銅合金線材303的背向拉力，可使線材中心材料流動的均勻性提高達到更佳的機械性質，並減少一般抽線中晶粒常見的扇形缺陷衍生的斷線問題。

在抽線完成後，銅合金精細線會在步驟S40中經過退火溫度580~700℃、退火時間0.1秒以上的熱處理，完成銅合金導線的製程；經過無滑動伸線設備抽製成之銅合金精細線，其表面的晶粒仍可維持大小及分布皆較均勻的排列，因此 在經過熱處理後之線材內部流動的均勻性佳，可優化線材的機械性質讓導線具備更佳的延展性以利於封裝銲接之作業，經實測驗證後，本發明之銅合金導線其破斷強度(B.L.)及延伸率可增加。在一實施例中，可如圖2D所示之步驟S41中以氬氣取代常見的氮氣作為熱處理時的保護氣體，改善銅導線易氧化的問題。

請參考表一，其為本發明不同配比之實施例1~4，以組成成分重量百分比如下：

本發明在組成成分中加入鈦金屬，係用以提升銅合金導線的抗氧化能力，改良銅導線在使用上易氧化導致影響導線特性之缺失。本發明在組成成分中加入銀金屬係用以改善純銅導線之銲接性，未添加銀金屬的純銅導線在銲接時有成球性不好、銅球易脫落的情形，而添加了銀金屬的銅合金導線在銲接時可形成銲接強度較強之介金屬化合物(Intermetallic Compound,IMC)層，在破斷強度(B.L.)與延伸率(E.L.)上也都有較純銅導線更佳的表現。

請參考表二，其為本發明實施例1~4與6N純銅線在破斷強度(B.L.)與延伸率(E.L.)上之差異表，如下：

綜上所述，本發明可達到以下幾項功效：1.以微量成分添加銀、鈦金屬，提升銅導線之銲接性與抗氧化能力；2.真空連續鑄造生產設備，結合無滑動伸線設備的抽線製程，使線材品質佳且清淨度高；以及3.以特定溫度、時間之熱處理條件，優化銅導線本身的機械性質。

上述本發明所採用的技術手段之實施方式或實施例，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修 飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

步驟S10‧‧‧真空熔煉步驟

步驟S20‧‧‧連續鑄造步驟

步驟S30‧‧‧抽線步驟

步驟S40‧‧‧熱處理步驟

Claims (10)

1. 一種銅合金導線的製造方法，包括：進行一真空熔煉步驟：將鈦、銀及銅熔煉為一熔融狀的銅合金；進行一連續鑄造步驟：將該熔融狀的銅合金製成一銅合金線材；進行一抽線步驟：將該銅合金線材抽製為一銅合金精細線；以及進行一熱處理步驟：將該銅合金精細線以退火溫度580~700℃的條件，以完成一銅合金導線。
2. 如申請專利範圍第1項所述的銅合金導線的製造方法，其中該銅合金導線包括：以組成成分重量百分比為0.3~0.45的銀、0.01~0.02的鈦、其餘部分為銅以及不可避免之雜質。
3. 如申請專利範圍第1項所述的銅合金導線的製造方法，其中在該真空熔煉步驟中，以真空方式進行兩階段熔煉，首先將全份額的鈦與部份份額的銅以電弧熔煉方式熔煉為銅鈦母合金，再將該銅鈦母合金與全份額的銀與剩餘份額的銅共同以感應熔煉煉製為該熔融狀的銅合金。
4. 如申請專利範圍第1項所述的銅合金導線的製造方法，其中，該銅合金線材之線徑介於4mm~8mm，且該銅合金精細線之線徑介於10~20μm。
5. 如申請專利範圍第1項所述的銅合金導線的製造方法，其中，該銅合金線材經由一伸線設備抽製為該銅合金精細線。
6. 如申請專利範圍第5項所述的銅合金導線的製造方法，其中，該伸線設備為一無滑動伸線設備，於該抽線步驟中，該無滑動伸線設備包括一張力控制裝置及一眼模，該張力控制裝置用以在該眼模後方增加該銅合金線材的背向拉力。
7. 如申請專利範圍第6項所述的銅合金導線的製造方法，其中，該無滑動伸線設備於室溫下以100~1000m/min的速度對該銅合金線材進行抽線製程。
8. 如申請專利範圍第1項所述的銅合金導線的製造方法，其中，在該熱處理過程中使用氬氣作為保護氣體。
9. 一種以請求項1的製造方法製造的銅合金導線，包括：以組成成分重量百分比為0.3~0.45的銀、0.01~0.02的鈦、其餘部分為純度4N以上的銅以及不可避免之雜質。
10. 一種以請求項1的製造方法製造的銅合金導線，只由下列元素及其比例所構成：以組成成分重量百分比為0.3~0.45的銀、0.01~0.02的鈦、其餘部分為純度4N以上的銅以及不可避免之雜質。