CN109473413A - 一种抗氧化的铜基键合丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种抗氧化的铜基键合丝，包括以下组分：锆、锌、稀土及铜；其中，上述组分含量按照以下重量比：锆0.0008％～0.0025％，锌0.001％～0.015％，稀土0.0002％～0.0010％，余量为铜。本发明通过微量元素的添加，可以提高铜的再结晶温度、力学性能和键合工艺性能，从而可以有效提升铜的抗氧化性能；同时由于Zn的选择性氧化抑制了铜的氧化，因而提高了铜丝的抗氧化性能，并且可以保证铜丝强度与电导率。本发明还有提出了一种抗氧化的铜基键合丝的制备方法。

Description

一种抗氧化的铜基键合丝及其制备方法
技术领域
本发明属于微电子后道封装工序技术领域，尤其涉及一种抗氧化的铜基键合丝及其制备方法。
背景技术
键合丝是半导体分立器件和集成电路封装业四大必需基础材料之一，作为芯片与框架之间内丝，实现稳定、可靠的电连接，广泛应用于半导体分立器件(晶体管、二极管、三极管、发光二极管LED)和集成电路的封装。键合丝多由纯金制成，随着黄金贵重金属资源的日益稀缺，价格持续攀升，微电子封装成本大幅上升，给生产厂家、用户带来难以承受的成本压力，因此，业界正在积极寻求，研发成本相对低廉、性能稳定可靠、加工方便的新型键合丝材料。
目前用于替代黄金键合丝的研宄应用大多集中于铜基键合丝，但这类键合丝也有它的不足之处:1、铜丝在拉制过程中因加工硬化，使得难以拉制与黄金键合丝一样细的微细线径；2、由于铜丝过硬，会导致第一焊点容易逃丝，使得键合操作频繁中断，给下道工序的集成电路封装造成较大的困难。3、由于铜丝具有易氧化的特性，在保存及焊接过程中容易产生氧化，打开包装后必须尽快用完，而且使用时必须加氮氢混合气体加以保护，使得操作危险性增加。其中最主要的问题是铜易于氧化，如果在铜键合丝表面形成大量氧化物，则铜键合丝很难键合，并且很难熔成球(FAB)。因而，在FAB的过程中，铜键合丝必须处于无氧的环境中，铜FAB时一般要采用惰性气体保护，同时掺入少量氢气还原。但是，这将给封装添加新的复杂度，比如对氮气氢气的控制等。为解决键合铜丝在键合过程中易氧化的问题，可以采用镀层的方法，如专利US2004/0245320A1和US2007/0235887A1提出的镀层防护方法。通常选用的是抗氧化能力强且熔点比铜高的金属元素作为镀层，如Pt、Pd或Ni。钯在高温、高湿或硫化物含量高的空气中性能稳定，能耐酸的侵蚀，同时钯具有良好的延展塑性，能承受弯曲和摩擦，可长期保持良好的外部光泽，并且钯的成本要比金便宜，这使得镀钯键合铜丝在市场上已得到了相当的应用。但是电镀Pd增加了工艺复杂性，尤其是带来了环保的问题。
因此，现有技术中，急需一种能够代替键合金丝且抗氧化性能好的键合丝。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗氧化的铜基键合丝及其制备方法，通过将铜合金化，即添加微量元素、活泼金属来提高抗氧化性能。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种抗氧化的铜基键合丝，包括以下组分：锆、锌、稀土及铜；其中，上述组分含量按照以下重量比：锆0.0008％～0.0025％，锌0.001％～0.015％，稀土0.0002％～0.0010％，余量为铜。
优选地，所述铜的纯度≥99.996，锆的纯度>99.9％。
优选地，所述稀土为混合稀土。
优选地，所述铜基键合丝为单晶结构。
本发明还提出了一种抗氧化的铜基键合丝的制备方法，包括以下步骤：
1)制备铜合金铸锭；
按照质量百分比将锆、锌、稀土及铜混合后放入石墨坩埚中，在惰性气体保护条件下使用感应电炉熔化，获取铜合金铸锭；
2)制备铸态单晶母线；
将铜合金铸锭放置于连铸室，加入氮气保护，进行中频感应加热，待完全熔化、精炼和除气后，将熔液注入连铸室中间的储液池保温，在维持2L/min～5L/min氮气流量的连铸室中，完成对铜合金熔液的水平单晶连铸，获取铜合金铸态单晶母线；
3)粗拔；
将铜合金铸态单晶母线经多道模拉拔工序，拉拔获取铜合金单晶丝；
4)热处理；
将铜合金单晶丝置于退火炉中进行退火处理；其中，热处理温度420℃～480℃，保温时间20min～30min；
5)精拔；
将铜合金单晶丝经多道次过模拉拔工序，拉拔成不同的规格的铜基键合丝；
6)表面清洗；
将铜基键合丝先用酸液清洗，然后依次经超声波清洗及纯水清洗，烘干；
7)分卷及包装；
将铜基键合丝单卷定尺后进行真空包装；其中，单卷定尺控制张力5g～30g，绕丝速度为500rpm～750rpm。
优选地，在步骤2)中，铜合金铸态单晶母线的直径范围7.9mm～8.1mm，纵向晶粒数和横向晶粒的数量均为1。
优选地，在步骤3)中，模具延伸率为5％～12％，拉伸速度为515m/s～15m/s。
优选地，在步骤4)中，退火处理过程中，进一步通入氮气。
优选地，在步骤5)中，所述铜基键合丝的长度范围0.013mm～0.028mm。
与现有技术，本发明的优点为：
1)通过微量元素的添加，可以提高铜的再结晶温度、力学性能和键合工艺性能，从而可以有效提升铜的抗氧化性能；
2)由于Zn的选择性氧化抑制了铜的氧化，因而提高了铜丝的抗氧化性能，并且可以可保证铜丝强度与电导率；
3)Zr可提高铜丝再结晶温度，而且和其它元素组合添加，可增加铜丝强度；稀土元素通过抑制球颈部晶粒长大，提高铜丝的形弧特性，从而增加铜丝的软度；
4)该引线的强度高，可进一步缩小键合引线的线径，缩短焊接间距，更加适用于高密度，多引脚集成电路封装。具体的，引线的强度高，同样的强度要求条件下，小的线经就可以满足要求；为避免引线变形而发生引线之间的短路现象，引线之间需要设置一定的间隙，而引线的强度高，间距即可以缩小。
5)无需危险气体氢气和进行电镀钯保护层进行保护，制作工艺简单，环保且安全性好。
具体实施方式
下面将对本发明的抗氧化的铜基键合丝及其制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
实施例1
一种抗氧化的铜基键合丝，包括以下组分：锆、锌、稀土及铜；其中，上述组分含量按照以下重量比：锆0.0008％，锌0.001％，稀土0.0002％，余量为铜。铜的纯度≥99.996，锆的纯度>99.9％。稀土为混合稀土，铜基键合丝为单晶结构。
该抗氧化的铜基键合丝的制备方法，包括：制备铜合金铸锭、制备铸态单晶母线、粗拔、热处理、精拔、表面清洗、分卷及包装；具体如下：
1)制备铜合金铸锭；按照质量百分比将锆、锌、稀土及铜混合后放入石墨坩埚中，在惰性气体保护条件下使用感应电炉熔化，获取铜合金铸锭。
2)制备铸态单晶母线；将铜合金铸锭放置于连铸室，加入氮气保护，进行中频感应加热至1150℃～1250℃，待完全熔化、精炼和除气后，将熔液注入连铸室中间的储液池保温，在维持2L/min～5L/min氮气流量的连铸室中，完成对铜合金熔液的水平单晶连铸，获取铜合金铸态单晶母线；铜合金铸态单晶母线的直径范围7.9mm～8.1mm，纵向晶粒数和横向晶粒的数量均为1，拉铸速度为10mm/min。
3)粗拔；将铜合金铸态单晶母线经多道模拉拔工序，拉拔获取铜合金单晶丝；模具延伸率为5％，拉伸速度为5m/s。
4)热处理；将铜合金单晶丝置于退火炉中进行退火处理；其中，热处理温度420℃，保温时间20min～30min；退火处理过程中，进一步通入氮气。
5)精拔；将铜合金单晶丝经多道次过模拉拔工序，拉拔成不同的规格的铜基键合丝；铜基键合丝的长度范围0.013mm～0.028mm。
6)表面清洗；将铜基键合丝先用酸液清洗，然后依次经超声波清洗及纯水清洗，烘干；
7)将铜基键合丝单卷定尺后进行真空包装；其中，单卷定尺控制张力5g，绕丝速度为500rpm。
实施例2
一种抗氧化的铜基键合丝，包括以下组分：锆、锌、稀土及铜；其中，上述组分含量按照以下重量比：锆0.0025％，锌0.015％，稀土0.0010％，余量为铜。铜的纯度≥99.996，锆的纯度>99.9％。稀土为混合稀土，铜基键合丝为单晶结构。
该抗氧化的铜基键合丝的制备方法，包括：制备铜合金铸锭、制备铸态单晶母线、粗拔、热处理、精拔、表面清洗、分卷及包装；具体如下：
1)制备铜合金铸锭；按照质量百分比将锆、锌、稀土及铜混合后放入石墨坩埚中，在惰性气体保护条件下使用感应电炉熔化，获取铜合金铸锭。
2)制备铸态单晶母线；将铜合金铸锭放置于连铸室，加入氮气保护，进行中频感应加热至1150℃～1250℃，待完全熔化、精炼和除气后，将熔液注入连铸室中间的储液池保温，在维持2L/min～5L/min氮气流量的连铸室中，完成对铜合金熔液的水平单晶连铸，获取铜合金铸态单晶母线；铜合金铸态单晶母线的直径范围7.9mm～8.1mm，纵向晶粒数和横向晶粒的数量均为1，拉铸速度为10mm/min。
3)粗拔；将铜合金铸态单晶母线经多道模拉拔工序，拉拔获取铜合金单晶丝；模具延伸率为12％，拉伸速度为15m/s。
4)热处理；将铜合金单晶丝置于退火炉中进行退火处理；其中，热处理温度510℃，保温时间20min～30min；退火处理过程中，进一步通入氮气。
5)精拔；将铜合金单晶丝经多道次过模拉拔工序，拉拔成不同的规格的铜基键合丝；铜基键合丝的长度范围0.013mm～0.028mm。
6)表面清洗；将铜基键合丝先用酸液清洗，然后依次经超声波清洗及纯水清洗，烘干；
7)将铜基键合丝单卷定尺后进行真空包装；其中，单卷定尺控制张力30g，绕丝速度为750rpm。
实施例3
一种抗氧化的铜基键合丝，包括以下组分：锆、锌、稀土及铜；其中，上述组分含量按照以下重量比：锆0.0015％，锌0.008％，稀土0.0006％，余量为铜。铜的纯度≥99.996，锆的纯度>99.9％。稀土为混合稀土，铜基键合丝为单晶结构。
该抗氧化的铜基键合丝的制备方法，包括：制备铜合金铸锭、制备铸态单晶母线、粗拔、热处理、精拔、表面清洗、分卷及包装；具体如下：
1)制备铜合金铸锭；按照质量百分比将锆、锌、稀土及铜混合后放入石墨坩埚中，在惰性气体保护条件下使用感应电炉熔化，获取铜合金铸锭。
2)制备铸态单晶母线；将铜合金铸锭放置于连铸室，加入氮气保护，进行中频感应加热至1150℃～1250℃，待完全熔化、精炼和除气后，将熔液注入连铸室中间的储液池保温，在维持2L/min～5L/min氮气流量的连铸室中，完成对铜合金熔液的水平单晶连铸，获取铜合金铸态单晶母线；铜合金铸态单晶母线的直径范围7.9mm～8.1mm，纵向晶粒数和横向晶粒的数量均为1，拉铸速度为10mm/min。
3)粗拔；将铜合金铸态单晶母线经多道模拉拔工序，拉拔获取铜合金单晶丝；模具延伸率为8％，拉伸速度为8m/s。
4)热处理；将铜合金单晶丝置于退火炉中进行退火处理；其中，热处理温度450℃，保温时间20min～30min；退火处理过程中，进一步通入氮气。
5)精拔；将铜合金单晶丝经多道次过模拉拔工序，拉拔成不同的规格的铜基键合丝；铜基键合丝的长度范围0.013mm～0.028mm。
6)表面清洗；将铜基键合丝先用酸液清洗，然后依次经超声波清洗及纯水清洗，烘干；
7)将铜基键合丝单卷定尺后进行真空包装；其中，单卷定尺控制张力20g，绕丝速度为500rpm。
实施例4
一种抗氧化的铜基键合丝，包括以下组分：锆、锌、稀土及铜；其中，上述组分含量按照以下重量比：锆0.0008％，锌0.015％，稀土0.0010％，余量为铜。铜的纯度≥99.996，锆的纯度>99.9％。稀土为混合稀土，铜基键合丝为单晶结构。
该抗氧化的铜基键合丝的制备方法，包括：制备铜合金铸锭、制备铸态单晶母线、粗拔、热处理、精拔、表面清洗、分卷及包装；具体如下：
1)制备铜合金铸锭；按照质量百分比将锆、锌、稀土及铜混合后放入石墨坩埚中，在惰性气体保护条件下使用感应电炉熔化，获取铜合金铸锭。
2)制备铸态单晶母线；将铜合金铸锭放置于连铸室，加入氮气保护，进行中频感应加热至1150℃～1250℃，待完全熔化、精炼和除气后，将熔液注入连铸室中间的储液池保温，在维持2L/min～5L/min氮气流量的连铸室中，完成对铜合金熔液的水平单晶连铸，获取铜合金铸态单晶母线；铜合金铸态单晶母线的直径范围7.9mm～8.1mm，纵向晶粒数和横向晶粒的数量均为1，拉铸速度为10mm/min。
3)粗拔；将铜合金铸态单晶母线经多道模拉拔工序，拉拔获取铜合金单晶丝；模具延伸率为8％，拉伸速度为8m/s。
4)热处理；将铜合金单晶丝置于退火炉中进行退火处理；其中，热处理温度450℃，保温时间20min～30min；退火处理过程中，进一步通入氮气。
5)精拔；将铜合金单晶丝经多道次过模拉拔工序，拉拔成不同的规格的铜基键合丝；铜基键合丝的长度范围0.013mm～0.028mm。
6)表面清洗；将铜基键合丝先用酸液清洗，然后依次经超声波清洗及纯水清洗，烘干；
7)将铜基键合丝单卷定尺后进行真空包装；其中，单卷定尺控制张力20g，绕丝速度为500rpm。
实施例5
一种抗氧化的铜基键合丝，包括以下组分：锆、锌、稀土及铜；其中，上述组分含量按照以下重量比：锆0.0025％，锌0.001％，稀土0.0002％，余量为铜。铜的纯度≥99.996，锆的纯度>99.9％。稀土为混合稀土，铜基键合丝为单晶结构。
该抗氧化的铜基键合丝的制备方法，包括：制备铜合金铸锭、制备铸态单晶母线、粗拔、热处理、精拔、表面清洗、分卷及包装；具体如下：
1)制备铜合金铸锭；按照质量百分比将锆、锌、稀土及铜混合后放入石墨坩埚中，在惰性气体保护条件下使用感应电炉熔化，获取铜合金铸锭。
2)制备铸态单晶母线；将铜合金铸锭放置于连铸室，加入氮气保护，进行中频感应加热至1150℃～1250℃，待完全熔化、精炼和除气后，将熔液注入连铸室中间的储液池保温，在维持2L/min～5L/min氮气流量的连铸室中，完成对铜合金熔液的水平单晶连铸，获取铜合金铸态单晶母线；铜合金铸态单晶母线的直径范围7.9mm～8.1mm，纵向晶粒数和横向晶粒的数量均为1，拉铸速度为10mm/min。
3)粗拔；将铜合金铸态单晶母线经多道模拉拔工序，拉拔获取铜合金单晶丝；模具延伸率为8％，拉伸速度为8m/s。
4)热处理；将铜合金单晶丝置于退火炉中进行退火处理；其中，热处理温度450℃，保温时间20min～30min；退火处理过程中，进一步通入氮气。
5)精拔；将铜合金单晶丝经多道次过模拉拔工序，拉拔成不同的规格的铜基键合丝；铜基键合丝的长度范围0.013mm～0.028mm。
6)表面清洗；将铜基键合丝先用酸液清洗，然后依次经超声波清洗及纯水清洗，烘干；
7)将铜基键合丝单卷定尺后进行真空包装；其中，单卷定尺控制张力20g，绕丝速度为500rpm。
通过氧化试验，在实施例1～5中，分别测量键合丝上附着的氧化层厚度，进一步对铜本发明的抗氧化性能进行验证：通过对比实施例1～5中形成的氧化层厚度得出，本发明与纯铜键合丝相比，抗氧化性显著提高。其中，氧化层厚度数据如表1所示：
表1氧化层厚度数据表
氧化层厚度(nm)
实施例1 14
实施例2 12
实施例3 8
实施例4 10
实施例5 11
纯铜键合丝 18
其中：氧化试验的条件为：温度25℃，湿度65％，时间120h。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抗氧化的铜基键合丝，其特征在于，包括以下组分：锆、锌、稀土及铜；其中，上述组分含量按照以下重量比：锆0.0008％～0.0025％，锌0.001％～0.015％，稀土0.0002％～0.0010％，余量为铜。
2.根据权利要求1所述的抗氧化的铜基键合丝，其特征在于，所述铜的纯度≥99.996，锆的纯度>99.9％。
3.根据权利要求1所述的抗氧化的铜基键合丝，其特征在于，所述稀土为混合稀土。
4.根据权利要求1所述的抗氧化的铜基键合丝，其特征在于，所述铜基键合丝为单晶结构。
5.一种抗氧化的铜基键合丝的制备方法，用于制备如权利要求1～4之任一项所述的抗氧化的铜基键合丝，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备铜合金铸锭；
按照质量百分比将锆、锌、稀土及铜混合后放入石墨坩埚中，在惰性气体保护条件下使用感应电炉熔化，获取铜合金铸锭；
2)制备铸态单晶母线；
将铜合金铸锭放置于连铸室，加入氮气保护，进行中频感应加热，待完全熔化、精炼和除气后，将熔液注入连铸室中间的储液池保温，在维持2L/min～5L/min氮气流量的连铸室中，完成对铜合金熔液的水平单晶连铸，获取铜合金铸态单晶母线；
3)粗拔；
将铜合金铸态单晶母线经多道模拉拔工序，拉拔获取铜合金单晶丝；
4)热处理；
将铜合金单晶丝置于退火炉中进行退火处理；其中，热处理温度420℃～480℃，保温时间20min～30min；
5)精拔；
将铜合金单晶丝经多道次过模拉拔工序，拉拔成不同的规格的铜基键合丝；
6)表面清洗；
将铜基键合丝先用酸液清洗，然后依次经超声波清洗及纯水清洗，烘干；
7)分卷及包装；
将铜基键合丝单卷定尺后进行真空包装；其中，单卷定尺控制张力5g～30g，绕丝速度为500rpm～750rpm。
6.根据权利要求5所述的抗氧化的铜基键合丝的制备方法，其特征在于，
在步骤2)中，铜合金铸态单晶母线的直径范围7.9mm～8.1mm，纵向晶粒数和横向晶粒的数量均为1。
7.根据权利要求5所述的抗氧化的铜基键合丝的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，模具延伸率为5％～12％，拉伸速度为515m/s～15m/s。
8.根据权利要求5所述的抗氧化的铜基键合丝的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，退火处理过程中，进一步通入氮气。
9.根据权利要求5所述的抗氧化的铜基键合丝的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，所述铜基键合丝的长度范围0.013mm～0.028mm。
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