CN110284023A - 一种铜合金键合丝及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铜合金键合丝及其制备方法和应用，属于半导体封装材料技术领域，所述铜合金键合丝的化学组成成分为：Pd:1～3％，Zn:50～400ppm，Al:200～400ppm，余量为铜。本发明在纯铜中添加钯和微量的锌铝，提高了铜合金键合丝的抗氧化性能，平衡了铜合金键合丝的硬度；本发明采用真空熔炼、水冷浇铸得到合金棒，通过退火和拉丝处理，得到铜合金键合丝，热影响区(HAZ)长度低至60μm，FAB维氏硬度为7.5～8.0(g/mil2)；本发明在半导体封装中进行引线键合应用时，采用氮气和氢气的混合气体进行保护，键合成功率＞95％，铜丝球键合的拉力均值达到5.0gf。
Description
技术领域
本发明属于半导体封装材料技术领域，具体涉及一种铜合金键合丝及其制备方法和应用。
背景技术
在半导体封装领域，引线键合是很重要的一道工序，它是将芯片和外部的引脚进行连接的重要技术。随着封装技术的发展，目前在IC芯片封装厂常用的键合线有三种，即金线、裸铜线和镀钯铜线。其中，金线的质地柔软，导电性能优良，因此金线是以前大规模集成电路芯片最常用的键合线，可是金是稀有金属，加之最近几年金价的一路飙升，增加了企业的生产成本。因此选用性价比更高的金属线替代金线成为目前各个封装厂的当务之急。
金属铜就是这样一种可替代金属，铜相对于金，其优点是：导电性比金好，这决定了它的功率损耗更小，以便于用细线通过更大的电流；铜的导热性能好。铜的热导性是金的热导性的1.3倍，有利于键合时接触面的热传递，更加能够在高温环境条件键合及工作，铜抗拉强度高，容易保护引线的弧形弧度。但是采用纯铜线键合也存在不可避免的缺点：铜硬度高，不容易变形，故对于焊盘的应力相对较大，使引线在整个塑封模压时不容易塌陷变形，导致短路失效，键合过程中也容易破坏芯片的表面。但是，铜容易氧化，化学稳定性比金差，在形成自由空气球的过程中，铜的氧化会影响自由空气球的大小和形状，控制不好保护气体的流量和比例，自由空气球就很难控制，从而导致在键合过程中出现不合格的第一焊点。
镀钯铜线是为了提高铜的抗氧化性而研发的一种表面镀钯的纯铜键合丝，虽然镀钯铜线在一定程度上解决了铜键合丝成球时的易氧化问题，但是仍存在硬度较高的缺陷，键合使用时仍不能满足高端封装的应用。山东一诺电子材料有限公司的林良发明了一种柔性铜线的制备方法，其公开的中国专利CN101626006A中记载了：一种柔性键合铜丝，由以下组分组成：Ce0.001％～0.005％，Pd 0.003％～0.005％，Pt 0.005％～0.009％，余量为Cu，通过采取多元掺杂合金，降低铜的硬度，特别是成球硬度，减少对芯片的冲击力和破坏，降低键合能量，阻止了界面氧化物和裂纹的产生，保持其结合性能的稳定，从而提高了结合性能、导电性和抗氧化性。但是该发明的方法制备的柔性键合铜丝由于需要添加Pt，大规模应用时造价较高，键合时仍存在一定的氧化现象；实际上，在纯铜中掺杂一些适量的微量元素可以进一步提高铜丝的抗氧化能力，但这种做法又会使铜丝的硬度上升，为了平衡这个矛盾，相关研究人员一直在寻求一种既造价低、硬度又适合高端封装的铜合金键合丝，同时还要开发与其相匹配的键合方法。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种铜合金键合丝及其制备方法和应用，本发明提供的铜合金键合丝造价低、硬度适中，本发明还开发了与所述铜合金键合丝相匹配的键合方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种铜合金键合丝，按质量含量计，所述铜合金键合丝的化学组成成分为：Pd:1～3％，Zn:50～400ppm，Al:200～400ppm，余量为铜。
优选的，按质量含量计，所述铜合金键合丝的化学组成成分为：Pd:3％，Zn:100ppm，Al:300ppm，余量为铜。
优选的，铜合金键合丝的直径为0.7～1.5mil。
本发明提供了上述技术方案所述铜合金键合丝的制备方法，包括如下步骤：
(1)将铜、钯、锌和铝，压块后进行真空熔炼，得到合金液；
(2)将步骤(1)中所述合金液进行水冷浇铸，得到合金棒；
(3)将步骤(2)中所述合金棒依次进行退火和拉丝处理，得到铜合金键合丝。
优选的，所述步骤(1)中真空熔炼采用高频感应熔炼设备，所述真空熔炼的温度为1330～1360℃，时间为10～15min。
优选的，所述真空熔炼通入氩气保护。
优选的，所述步骤(2)中合金棒为直径4～8mm的圆柱形合金棒。
优选的，所述步骤(3)中退火处理的温度为500～540℃，时间为0.02～0.06秒。
本发明提供了上述技术方案所述铜合金键合丝在半导体封装中引线键合的应用。
优选的，所述引线键合的条件为：采用金丝球焊线机，使用氮氢混合气体作为保护气体，所述保护气体流量为0.8L/min，保护气体中氮气与氢气的体积比为95:5；键合压力为120～140克力/点，超声功率为1～1.4W，工作台温度为140～160℃，烧球电流为80～100mA，烧球时间为0.3～0.5ms。
有益效果：
本发明提供了一种铜合金键合丝，按质量含量计，所述铜合金键合丝的化学组成成分为：Pd:1～3％，Zn:50～400ppm，Al:200～400ppm，余量为铜。本发明通过在纯铜中添加钯和微量的锌铝，既提高了铜合金键合丝的抗氧化性能又平衡了铜合金键合丝的硬度。
本发明提供了一种铜合金键合丝的制备方法，采用真空熔炼得到合金液，水冷浇铸成铜合金棒后再进行退火和拉丝处理，本发明的可以使合金中的晶粒细化，消除缺陷，既能够提升铜合金棒的力学性能，又能够防止铜合金氧化，利于后续拉丝处理，拉丝后得到的铜合金键合丝的热影响区(HAZ)长度低至60μm，加工损伤小，FAB维氏硬度为7.5～8.0(g/mil2)。
本发明提供了所述铜合金键合丝在半导体封装中引线键合的应用。进一步的，本发明针对铜合金键合丝的性能开发了相匹配的键合方法，键合时通过氮气和氢气的混合气体进行保护，并优化了超声键合的参数，具有成功率高，键合成球性能好的特点，实施例结果表明，采用本发明提供的铜合金键合丝进行键合，键合成功率＞95％，铜丝球键合的拉力均值达到5.0gf。
具体实施方式
本发明提供了一种铜合金键合丝，按质量含量计，所述铜合金键合丝的化学组成成分为：Pd:1～3％，Zn:50～400ppm，Al:200～400ppm，余量为铜。
在本发明中，按质量含量计，所述铜合金键合丝中含Pd:1～3％，优选为1.5～2.5％，更优选为2.0％。
按质量含量计，本发明所述铜合金键合丝中含Zn:50～400ppm，优选为100～350ppm，更优选为150～300ppm，进一步优选为200～250ppm。
按质量含量计，本发明所述铜合金键合丝中含Al:200～400ppm，优选为250～350ppm，更优选为300ppm。
本发明在铜中加入钯，可以改善铜易氧化的问题，增强焊点的牢固度；发明人发现，进一步在铜钯合金中加入微量的锌和铝，锌可以提高合金的塑性，铝能够辅助钯改善键合时铜的氧化问题。
在本发明中，所述铜合金键合丝的直径优选为0.7～1.5mil，更优选为0.8～1.4mil，进一步优选为1.0～1.2mil。
本发明提供了上述技术方案所述铜合金键合丝的制备方法，包括如下步骤：
(1)将铜、钯、锌和铝压块后进行真空熔炼，得到合金液；
(2)将步骤(1)中所述合金液进行水冷浇铸，得到合金棒；
(3)将步骤(2)中所述合金棒依次进行退火和拉丝处理，得到铜合金键合丝。
在本发明中，称取铜、钯、锌、铝，压块后进行真空熔炼，得到合金液。在本发明中，所述Pd的纯度优选＞99.99％，所述Cu的纯度优选＞99.99％，所述Zn的纯度优选＞99.9％，所述Al的纯度的纯度优选＞99.9％。本发明对原料的压块方式无特殊要求，压块后的炉料优选放入氮化硼坩埚；本发明优选采用采用高频感应熔炼设备进行真空熔炼，所述真空熔炼的温度优选为1330～1360℃，更优选为1330～1350℃，进一步优选为1340℃，时间优选为10～15min，更优选为10～12min，进一步优选为11min。本发明进行真空熔炼时，优选先将熔炼设备内部抽真空，所述真空度优选为10-3mmHg，本发明优选抽真空后通入氩气保护。
得到合金液后，本发明将所述合金液进行水冷浇铸，得到合金棒。在本发明中，所述水冷浇铸的模具优选为水冷铜模，本发明对水冷铜模无特殊要求。本发明通过水冷铜模浇铸，优选铸造得到圆柱形的合金棒，所述圆柱形合金棒的横截面直径优选为4～8mm，更优选为5～7mm，最优选为6mm。
得到合金棒后，本发明所述合金棒依次进行退火和拉丝处理，得到铜合金键合丝。本发明优选使用带连续退火的拉丝设备进行退火并拉丝处理，例如RJ2-280-9。在本发明中，所述退火处理的温度优选为500～540℃，更优选为520℃，时间优选为0.02～0.06秒，更优选为0.04秒。本发明通过短时间的退火处理，可以使合金中的晶粒细化，消除缺陷，既能够提升铜合金棒的力学性能，又能够防止铜合金氧化，更加利于后续的拉丝处理。
退火处理完成后，本发明将合金棒进行拉丝处理。在本发明中，所述拉丝处理得到的铜合金键合丝的直径优选为0.7～1.5mil，更优选为0.8～1.4mil，进一步优选为1.0～1.2mil。在本发明中，1mil＝25.4μm。本发明优选使用带连续退火的拉丝设备进行退火并拉丝处理，例如RJ2-280-9。本发明优选将拉丝处理的得到的铜合金键合丝进行复绕成盘。本发明中，拉丝处理后得到的铜合金键合丝的热影响区(HAZ)长度低至60μm，加工损伤小，FAB维氏硬度为7.5～8.0(g/mil2)。
本发明提供了上述技术方案所述铜合金键合丝在半导体封装中引线键合的应用。
在本发明中，所述引线键合的条件优选为：采用金丝球焊线机，使用氮氢混合气体作为保护气体，所述保护气体流量为0.8L/min，氮气与氢气的体积比为95:5；键合压力为120～140克力/点，超声功率为1～1.4W，工作台温度为140～160℃，烧球电流为80～100mA，烧球时间为0.3～0.5ms。
在本发明中，所述金丝球焊线机优选为金丝球焊线机HS-865。本发明针对铜合金键合丝的成分、直径、熔点以及硬度和成球性能的关系进行研究，提供了与之匹配的键合方法，优化了超声键合的参数，大大提高了键合成功率和键合质量，键合成功率在95％以上，铜丝球键合的拉力均值达到5.0gf。
下面结合实施例对本发明提供的一种铜合金键合丝及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1～5中所用的原料中，Pd的纯度优选＞99.99％，Cu的纯度优选＞99.99％，Zn的纯度优选＞99.9％，Al的纯度的纯度优选＞99.9％。
实施例1
一种铜合金键合丝，其制备包括以下步骤：
按质量含量称取：钯3.0％，锌100ppm，铝300ppm，余量为铜；炉料压成块，装入氮化硼坩埚，抽真空为10-3mmHg，充氩气保护下高频感应熔化，温度为1340℃，时间为11min，然后浇入水冷铜模，铸成直径为6mm的合金棒；
使用带连续退火的拉丝设备RJ2-280-9，在520℃温度下退火0.04s，将6mm的合金棒拉成直径为1mil的合金丝，复绕；经检测热影响区(HAZ)长度低至60μm，FAB维氏硬度为7.8(g/mil2)。
将实施例1制备的铜合金键合丝采用热压超声键合：
键合设备为金丝球焊线机HS-865，键合条件：使用氮氢混合气体作为保护气体，所述保护气体流量为0.8L/min，氮气与氢气的体积比为95:5；键合压力为145克力/点，超声功率为1.2W，工作台温度为150℃，烧球电流为90mA，烧球时间为0.4ms。经测试，铜丝球键合的拉力均值：CMT8501电子万能测试，5.0gf。
实施例2
一种铜合金键合丝，其制备包括以下步骤：
按质量含量称取：钯3.0％，锌50ppm，铝200ppm，余量为铜；炉料压成块，装入氮化硼坩埚，抽真空为10-3mmHg，充氩气保护下高频感应熔化，温度为1340℃，时间为12min，然后浇入水冷铜模，铸成直径为6mm的合金棒；
使用带连续退火的拉丝设备RJ2-280-9，在520℃温度下退火0.04s，将6mm的合金棒拉成直径为0.8mil的合金丝，复绕；经检测热影响区(HAZ)长度低至60μm，FAB维氏硬度为8.0(g/mil2)。
将实施例2制备的铜合金键合丝采用热压超声键合：
键合设备为金丝球焊线机HS-865，键合条件：使用氮氢混合气体作为保护气体，所述保护气体流量为0.8L/min，氮气与氢气的体积比为95:5；键合压力为135克力/点，超声功率为1.0W，工作台温度为150℃，烧球电流为90mA，烧球时间为0.4ms。经测试，铜丝球键合的拉力均值：CMT8501电子万能测试，4.8gf。
实施例3
一种铜合金键合丝，其制备包括以下步骤：
按质量含量称取：钯3.0％，锌400ppm，铝400ppm，余量为铜；炉料压成块，装入氮化硼坩埚，抽真空为10-3mmHg，充氩气保护下高频感应熔化，温度为1360℃，时间为13min，然后浇入水冷铜模，铸成直径为6mm的合金棒；
使用带连续退火的拉丝设备RJ2-280-9，在520℃温度下退火0.04s，将6mm的合金棒拉成直径为1.2mil的合金丝，复绕；经检测热影响区(HAZ)长度低至60μm，FAB维氏硬度为7.5(g/mil2)。
将实施例3制备的铜合金键合丝采用热压超声键合：
键合设备为金丝球焊线机HS-865，键合条件：使用氮氢混合气体作为保护气体，所述保护气体流量为0.8L/min，氮气与氢气的体积比为95:5；键合压力为145克力/点，超声功率为1.2W，工作台温度为160℃，烧球电流为10mA，烧球时间为0.4ms。经测试，铜丝球键合的拉力均值：CMT8501电子万能测试，5.0gf。
实施例4
一种铜合金键合丝，其制备包括以下步骤：
按质量含量称取：钯1.0％，锌100ppm，铝300ppm，余量为铜；炉料压成块，装入氮化硼坩埚，抽真空为10-3mmHg，充氩气保护下高频感应熔化，温度为1350℃，时间为15min，然后浇入水冷铜模，铸成直径为4mm的合金棒；
使用带连续退火的拉丝设备RJ2-280-9，在520℃温度下退火0.04s，将4mm的合金棒拉成直径为1.5mil的合金丝，复绕；经检测热影响区(HAZ)长度低至60μm，FAB维氏硬度为7.6(g/mil2)。
将实施例4制备的铜合金键合丝采用热压超声键合：
键合设备为金丝球焊线机HS-865，键合条件：使用氮氢混合气体作为保护气体，所述保护气体流量为0.8L/min，氮气与氢气的体积比为95:5；键合压力为125克力/点，超声功率为1.2W，工作台温度为140℃，烧球电流为90mA，烧球时间为0.4ms。经测试，铜丝球键合的拉力均值：CMT8501电子万能测试，5.0gf。
实施例5
一种铜合金键合丝，其制备包括以下步骤：
按质量含量称取：钯2.0％，锌200ppm，铝200ppm，余量为铜；炉料压成块，装入氮化硼坩埚，抽真空为10-3mmHg，充氩气保护下高频感应熔化，温度为1330℃，时间为11min，然后浇入水冷铜模，铸成直径为8mm的合金棒；
使用带连续退火的拉丝设备RJ2-280-9，在520℃温度下退火0.04s，将8mm的合金棒拉成直径为1mil的合金丝，复绕；经检测热影响区(HAZ)长度低至60μm，FAB维氏硬度为7.8(g/mil2)。
将实施例5制备的铜合金键合丝采用热压超声键合：
键合设备为金丝球焊线机HS-865，键合条件：使用氮氢混合气体作为保护气体，所述保护气体流量为0.8L/min，氮气与氢气的体积比为95:5；键合压力为135克力/点，超声功率为1.2W，工作台温度为140℃，烧球电流为90mA，烧球时间为0.4ms。经测试，铜丝球键合的拉力均值：CMT8501电子万能测试，5.0gf。
由以上实施例可知，本发明实施例1～5制备的铜合金键合丝的热影响区(HAZ)长度低至60μm，FAB维氏硬度为7.5～8.0(g/mil2)，具有硬度适中特点，经过大批量的热压超声键合测试，键合铜丝球键合的拉力均值达到5.0gf，统计得出键合成功率＞95％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种铜合金键合丝，其特征在于，按质量含量计，所述铜合金键合丝的化学组成成分为：Pd:1～3％，Zn:50～400ppm，Al:200～400ppm，余量为铜。
2.根据权利要求1所述的铜合金键合丝，其特征在于，按质量含量计，所述铜合金键合丝的化学组成成分为：Pd:3％，Zn:100ppm，Al:300ppm，余量为铜。
3.根据权利要求1～2任一项所述的铜合金键合丝，其特征在于，铜合金键合丝的直径为0.7～1.5mil。
4.权利要求1～3任一项所述铜合金键合丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将铜、钯、锌和铝压块后进行真空熔炼，得到合金液；
(2)将步骤(1)中所述合金液进行水冷浇铸，得到合金棒；
(3)将步骤(2)中所述合金棒依次进行退火和拉丝处理，得到铜合金键合丝。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中真空熔炼采用高频感应熔炼设备，所述真空熔炼的温度为1330～1360℃，时间为10～15min。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述真空熔炼通入氩气保护。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中合金棒为直径4～8mm的圆柱形合金棒。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中退火处理的温度为500～540℃，时间为0.02～0.06秒。
9.权利要求1～3任一项所述铜合金键合丝或权利要求4～8任一项制备方法制备得到的铜合金键合丝在半导体封装中引线键合的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述引线键合的条件为：采用金丝球焊线机，使用氮氢混合气体作为保护气体，所述保护气体流量为0.8L/min，保护气体中氮气与氢气的体积比为95:5；键合压力为120～140克力/点，超声功率为1～1.4W，工作台温度为140～160℃，烧球电流为80～100mA，烧球时间为0.3～0.5ms。
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