CN111485131A - 一种键合金丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种键合金丝及制备方法，属于键合丝加工技术领域。一种超高强度键合金丝，包含以下重量比的金属材料：钙（Ca）10‑30ppm，钯（Pd）2‑20ppm，镧（La）5‑20ppm，钇（Y）10‑30ppm，其余含量为纯度99.999wt%的金（Au）。其制备方法：1）、备料，2）、母合金熔炼，3）、连铸金棒，4）、粗拉，5）、中间退火，6）中拉、细拉、超细拉，7）、终退火，8）、绕线，9）、包装。本发明工艺设计合理、规范，操作简便，所得产品强度高、稳定性好，完全可以满足对高纯键合金丝超高强度的要求。

Description

一种键合金丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种键合金丝及其制备方法，属于键合丝加工技术领域。
背景技术
随着电子产品的功能日益复杂化，电子产品已经不能满足于以增加芯片数量来实现功能的方法途径。新的需求要求在更小的体积内实现更大功能集成。类似手机等通信类消费品都以扁平化为发展方向，功能增加也意味着功耗增加，为了降低功耗，集成电路以及光电器件需要朝着更薄、更小的方向发展。另一方面，各类电子产品的功能虽然有了极大的提升，但价格却是一降再降，在成本的驱动下，超薄化、微小化的趋势就更明显了。器件超薄化、微小化对引线键合工艺的主要影响是线弧高度的要求，超薄化产品要求键合丝能适应更低的弧高条件而不产生颈部损伤及断裂。常规低弧键合金丝所能适应的弧高条件是直径的2-4倍左右，一些超薄化产品的弧高要求会低至键合丝直径的1-2倍左右。另一方面，随着封装技术的发展，已经有越来越多的封装企业尝试SIP等这类节省封装成本的新型封装模式，将2颗或者多颗具有独立功能的芯片，按终端客户的需求封装到一颗芯片里的封装技术，这样对线材提出了更高的要求。
键合丝是半导体器件和集成电路组装时，为使芯片内电路的输入/输出键合点与引线框架的内接触点之间实现电气连接的微细金属丝内引线。目前主要类型有金丝、银丝、铜丝、镀钯铜丝等。目前市场上金丝、银丝、铜丝的份额基本已形成三足鼎立的局面。从稳定性以及高可靠性角度而言，键合金丝仍是高端市场的主要青睐。从芯片的发展趋势可以看出，芯片朝着集成化、微小化发展，所需的键合丝也越来越细，随之而来的就是封装时的冲线问题。为了解决这类问题，提高键合丝的机械强度是最有效的手段。另外LED厂家为了提高自身产品的竞争力，冷热冲击等内部试验的标准均相应提高。键合金丝越用越细，而冷热冲击的标准却越来越高，这也驱动着键合金丝向高强度方向发展。我们通过对其成分配方的研发改进，在保证键合金丝高纯（99.99wt%）的基础上研制出了超高强度的键合金丝。
发明内容
本发明的目的在于通过配方的改变，解决已有技术存在的不足，提供一种具有超高强度的高纯键合金丝及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种键合金丝，其特殊之处在于：包含以下重量比的金属材料：钙（Ca）10-30ppm，钯（Pd）2-20ppm，镧（La）5-20ppm，钇（Y）10-30ppm，其余含量为纯度99.999wt%的金（Au）。
上述键合金丝还包括以下重量比的金属材料：铍（Be）0-10ppm，镁（Mg）0-20ppm，钆（Gd）0-30ppm；
一种键合金丝，其特殊之处在于：包含以下重量比的金属材料：钙（Ca）10-30ppm，铝（Al）2-20ppm，铈（Ce）10-30ppm，钇（Y）10-30ppm，其余含量为纯度99.999wt%的金（Au）。
上述键合金丝还包括以下重量比的金属材料：铍（Be）0-10ppm，铂（Pt）0-20ppm；
上述键合金丝的制备方法，其特殊之处在于：通过各种微量元素的相互作用，在不影响键合性能的基础上大幅提高其机械强度，包括以下步骤：
1）、备料：按所需重量称取各种原材料；
纯度为99.999wt%金块或金片，市***为99.5wt%铍片，市***为99.9wt%钙粒，市***为99.99wt%铝片，市***为99.95wt%镁条，市***为99.95wt%的钯片，市***为99.95 wt %铂片，市***为99.5wt%铈块，市***为99.9wt%钇片、市***为99.9wt%镧片和市***为99.9wt%钆片；
2）、母合金的熔炼
依据Au-Be、Au-Ca、Au-Al、Au-Mg、Au-Pd、Au-Pt、Au-Ce、Au-Y、Au-La、以及Au-Gd合金相图，确定各母合金熔炼温度；采用高频炉熔炼，真空保护（真空度为0.1×10-3Pa），熔炼温度1050-1250℃，多次搅拌，获得成分均匀的母合金；
Au-X母合金的熔炼
按设计方案先制备各添加元素的母合金。
根据目标重量称取重量比例为99.20wt%-99.60wt%的高纯金原料（纯度99.999wt%），以及重量比例为0.40wt%-0.80wt%的添加元素。
a)、投料：将90-95%的高纯金原料（99.999wt%）直接放入炉内大坩埚中，其余金做成金片，将添加元素用金片包裹放入同一坩埚中；
b)、真空熔炼：盖好炉盖抽真空，当炉内真空度达到0.1×10-3Pa时开始加热，将炉内温度控制在1050-1250℃范围内，使金属完全熔化，维持此温度10-30分钟，搅拌20-30次，静置10-40分钟。
c)、随炉冷却：停止加热，熔化的合金随炉冷却到室温，再重复b)步骤，2-3次，彻底冷却后取出该母合金，压片备用。
3）、拉铸金棒
采用竖式连铸炉，在纯度为99.999wt%金的基础上添加微量＜100ppm的合金元素拉制成直径为5-10 mm的99.99wt%金棒。
a）、按设计方案计算出所需高纯金原料以及各类元素母合金重量，重量百分比分别称取纯度为99.999wt%金块和母合金片，以保证合金元素符合设计方案，总量占比＜100ppm。
b）、投料：将母合金放入炉内悬空的小坩埚中，高纯金原料直接放入炉内的大坩埚中；
c）、真空熔炼：盖好炉盖抽真空，当炉内真空度达到0.1×10-3Pa时开始加热，将炉内温度控制到1050-1250℃范围内，使金完全熔化，维持此温度10-30分钟。打开炉内悬空的小坩埚，加入母合金片并搅拌20-30次，维持此温度10-40分钟；
d）、拉铸金棒：停止抽真空，充氩气，压力0.01-0.05Pa，采用连续拉铸方法，速度20-60mm/min，获得表面光滑的金棒。
4）、粗拉：将连铸好的金棒，经过此工艺，拉制成中间退火所需半成品尺寸。粗拉：模具延伸率7-18%，拉丝速度6-22m/min。
5）、中间退火：将粗拉获得的金棒在250-450℃退火2-4h，随炉冷却。
6）、中拉、细拉、超细拉：将经过中间退火的金棒，拉制成客户所需成品尺寸。
a）、中拉：模具延伸率9-18%，拉丝速度60-180 m/min；
b）、细拉：模具延伸率4-15%，拉丝速度180-480 m/min；
c）、超细拉：模具延伸率4-9%，拉丝速度180-480 m/min。
7）、终退火：
将成品尺寸的金丝在450-600℃退火，绕线张力3-15g，收线速度100-200rpm。
8）、绕线：
分绕成客户所需成品长度，绕线张力为3-30g，绕线速度为500-750rpm。
9）、包装：
将绕线后的金丝放入塑料包装盒内，粘贴标签，放入纸盒中包装。
本发明所提供的键合金丝及其制备方法，工艺设计合理、规范，操作简便，所生产的键合金丝强度高，稳定性好，完全可以满足高纯键合金丝高强度的要求。
附图说明
图1：为本发明键合金丝制备方法流程图。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施方式，用来对本发明的构成进行进一步说明。
实施例1。
本实施例的键合金丝，产品型号为KL2C，是由以下重量比的金属材料组成：
钙（Ca）10ppm，钯（Pd）17ppm，镁（Mg）3ppm，镧（La）10ppm，钇（Y）30ppm，其余含量为纯度99.999wt%的金（Au），其力学性能见表3。其制备方法包括以下步骤：
1）、备料：按所需重量称取各种原料：
纯度为99.999wt%金块或金片，市***为99.9wt%钙粒，市***为99.95wt%的钯片，市***为99.95wt%镁条，市***为99.9wt%镧片、市***为99.9wt%钇片；
2）、熔炼Au-X母合金：
依据Au-Ca、Au-Pd、Au-Mg、Au-La、Au-Y合金相图，确定各母合金熔炼温度；采用高频炉熔炼，真空保护（真空度为0.1×10-3Pa），熔炼温度1050-1250℃，多次搅拌，获得成分均匀的母合金；按设计方案先制备各添加元素的母合金：
根据目标重量称取重量比例为99.20wt%-99.60wt%的高纯金原料（纯度99.999wt%），以及重量比例为0.40wt%-0.80wt%的添加元素。
a)、投料：将90-95%的高纯金原料（99.999wt%）直接放入炉内大坩埚中，其余金做成金片，将添加元素用金片包裹放入同一坩埚中；
b)、真空熔炼：盖好炉盖抽真空，当炉内真空度达到0.1×10-3Pa时开始加热，将炉内温度控制在1050-1250℃范围内，使金属完全熔化，维持此温度10-30分钟，搅拌20-30次，静置10-40分钟；
c)、随炉冷却：停止加热，熔化的合金随炉冷却到室温，再重复b)步骤，2-3次，彻底冷却后取出该母合金，压片备用；
3）、连铸金棒：
所用设备：竖式连铸炉
根据设计方案以及目标熔炼重量，计算并称量出所需高纯金原料（99.999wt%）以及各添加元素母合金的重量。
将纯度为99.999%的高纯金原料放在炉内的大坩埚中，将金-钙、金-钯、金-镁、金-镧、金-钇母合金片放入炉内悬空的小坩埚中；
盖好炉盖抽真空，当炉内真空度达到0.1×10-3Pa时开始加热，当炉内温度达到1050-1250℃时保温10-30分钟；
打开炉内悬空的小坩埚，加入母合金片，并搅拌20-30次，维持此温度，精炼10-40分钟；
停止抽真空，充氩气，压力0.01-0.05Pa，采用连续拉铸方法，速度20-60mm/min，获得纯度≥99.99%、直径为8±1mm、表面光滑的金棒；
4）、粗拉：
将直径为8±1mm的金棒，经过粗拉工艺，拉制成中间退火所需毫米级半成品；
粗拉：Φ8mm→Φ1.5mm，模具延伸率7-18%，拉丝速度6-22m/min；
5)、中间退火：
将粗拉获得的金棒在250-450℃，退火2-4h，随炉冷却；
6）、中拉、细拉、超细拉：
a）、 中拉：Φ1.5mm→Φ0.3mm，模具延伸率9-18%，拉丝速度60-180 m/min；
b）、细拉：Φ0.3mm→Φ0.08mm，模具延伸率4-15%，拉丝速度180-480 m/min；
c）、超细拉：Φ0.08mm→Φ0.015mm，模具延伸率4-9%，拉丝速度180-480 m/min。
7）、终退火：
退火温度为450-600℃，绕线张力3-15g，收线速度100-200rpm；
8）、绕线：
分绕成客户所需成品长度，绕线张力为3-30g，绕线速度为500-750rpm；
9）、包装：
将绕线后的金丝放入塑料包装盒内，粘贴标签，放入纸盒中包装。
本实施例的键合金丝通过微量元素的科学选择以及添加量调整的大量实验后，达到了高强度设计目标的前提下，还获得了极高的颈部抗损伤能力，在满足常规引线键合性能要求的前提下，还能适应超低弧的应用环境，在一些超低弧应用以及芯片到芯片的引线键合中具有极大的性能优势。具体如下：
1）、比以往的低线弧键合金丝产品（KL1）具有更低的线弧高度，20µm KL1键合金丝线弧高度40-80µm，KL2C线弧高度为20-40µm；
2）、颈部区域不容易出现损伤；
3）、能抑制S形弯曲；
4）、与以往的低线弧键合金丝相比具有更高的抗拉强度，20µm KL1键合金丝抗拉强度为6.80gf（66.68mN），KL2C抗拉强度7.76gf（76.10mN）。
实施例2。
本实施例的键合金丝与实施例1不同之处在于：是由以下重量比的金属材料组成：铍（Be）4ppm，钙（Ca）15ppm，钯（Pd）5ppm，镁（Mg）10ppm，镧（La）10ppm，钇（Y）10ppm，钆（Gd）30ppm，其余含量为纯度99.999wt%的金（Au）。后续工艺同实施例1，其力学性能见表3。
实施例3。
本实施例的键合金丝与实施例1不同之处在于：是由以下重量比的金属材料组成：钙（Ca）20ppm，钯（Pd）5ppm，镧（La）20ppm，钇（Y）30ppm，钆（Gd）10ppm，其余含量为纯度99.999wt%的金（Au）。
后续工艺同实施例1，其力学性能见表3。
实施例4。
本实施例的键合金丝，产品型号为KL3C，是由以下重量比的金属材料组成：
铍（Be）10ppm钙（Ca）20ppm，铝（Al）5ppm，铈（Ce）15ppm，钇（Y）20ppm，其余含量为纯度99.999wt%的金（Au）。
后续工艺同实施例1，其力学性能见表4。
本实施例的键合金丝通过微量元素的科学选择以及添加量调整的大量实验后，在维持产品金含量99.99%的前提下，使其机械强度达到并超过了金含量99%金线型号的机械强度。该产品在普通集成电路产品及光电器件产品上使用时具有高拉力的优势。在一些超大尺寸、高引脚数的BGA产品以及一些大尺寸的SIP产品上更具有性能优势。具体如下：
相比于KL2C具有更高的强度，20µm普通键合金丝抗拉强度为6.80gf（66.68mN），KL3C抗拉强度8.51gf（83.45mN）；更适用于高密间距微小芯片的封装。
实施例5。
本实施例的键合金丝与实施例4的不同之处在于：是由以下重量比的金属材料组成：钙（Ca）30ppm，铝（Al）8ppm，铂（Pt）12ppm，铈（Ce）20ppm，钇（Y）10ppm，其余含量为纯度99.999wt%的金（Au）。
后续工艺同1实施例1，其力学性能见表4。
实施例6。
本实施例的键合金丝与实施例4的不同之处在于：是由以下重量比的金属材料组成：铍（Be）4ppm，钙（Ca）24ppm，铝（Al）2ppm，铈（Ce）30ppm，钇（Y）10ppm，其余含量为纯度99.999wt%的金（Au）。
后续工艺同实施例1，其力学性能见表4。
按照本发明配方和工艺步骤生产的键合金丝，这些合金元素的存在可提高金丝的强度以及刚度，可制备超高强度键合金丝，可提高丝材键合封装后的抗冲线能力，可提高器件的良率和可靠性。
按照本发明配方及工艺步骤制备的超高强度高纯键合金丝产品，测得其物理性能如表1所示，制定的力学性能标准如表2所示：
表1超高强度键合金丝物理性能
Figure DEST_PATH_IMAGE001
表2超高强度键合金丝力学性能标准
Figure DEST_PATH_IMAGE002
本发明生产的超高强度高纯键合金丝与现有高强度高纯键合金丝产品技术比较：
选取直径20μm的键合金丝进行力学性能参数比较，如表3、表4所示。从表中数据可以看出，我公司生产的超高强度高纯键合金丝（99.99wt%）强度比现有常规型号提高8-20%。
表3 20µm键合金丝力学性能对比
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表4 20µm键合金丝力学性能对比
Figure DEST_PATH_IMAGE004
本发明旨在通过添加不同元素，确定不同种类、不同含量对键合金丝键合性能的影响，开发出强度超过现有同类产品水准的超高强度高纯键合金丝产品，并确定生产工艺及关键参数，以应对半导体器件集成化、微小化趋势所带来的细线化要求。
1）、选取适合的合金元素并确定合金元素的含量，采用连续铸造方法，获得金棒；
2）、 拉丝工序确定理想的模具加工率和拉丝速率；
3）、拉丝过程中确定理想的中间退火线径及退火温度；
4）、确定理想的终退火温度、绕线张力及绕线速度。
上述实施例的键合金丝均可以广泛应用于DIP、SIP、QFP、BGA、CSP等大规模和超大规模集成电路中高密间距、堆叠封装以及超薄型封装的需求。
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，如原料的含量进行微小调动，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种键合金丝，其特征在于：包含以下重量比的金属材料：钙（Ca）10-30ppm，钯（Pd）2-20ppm，镧（La）5-20ppm，钇（Y）10-30ppm，其余含量为纯度99.999wt%的金（Au）。
2.根据权利要求1所述的一种键合金丝，其特征在于：还包括以下重量比的金属材料：铍（Be）0-10ppm，镁（Mg）0-20ppm，钆（Gd）0-30ppm。
3.一种键合金丝，其特征在于：包含以下重量比的金属材料：钙（Ca）10-30ppm，铝（Al）2-20ppm，铈（Ce）10-30ppm，钇（Y）10-30ppm，其余含量为纯度99.999wt%的金（Au）。
4.根据权利要求3所述的一种键合金丝，其特征在于：还包括以下重量比的金属材料：铍（Be）0-10ppm，铂（Pt）0-20ppm。
5.权利要求1-4任一权利要求所述的键合金丝的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）、备料：按所需重量称取各种原材料；
纯度为99.999wt%金块或金片，市***为99.5wt%铍片，市***为99.9wt%钙粒，市***为99.99wt%铝片，市***为99.95wt%镁条，市***为99.95wt%的钯片，市***为99.95 wt %铂片，市***为99.5wt%铈块，市***为99.9wt%钇片、市***为99.9wt%镧片和市***为99.9wt%钆片；
2）、Au-X母合金的熔炼：
依据Au-X的合金相图，确定各母合金熔炼温度；采用高频炉熔炼，真空保护，真空度为0.1×10-3Pa，熔炼温度1050-1250℃，多次搅拌，获得成分均匀的母合金；
3）、拉铸金棒：
采用竖式连铸炉，在纯度为99.999wt%金的基础上添加微量＜100ppm的合金元素拉制成直径为5-10 mm的99.99wt%金棒；
4）、粗拉：将连铸好的金棒，经过此工艺，拉制成中间退火所需半成品尺寸；
5）、中间退火：将粗拉获得的金棒在250-450℃，退火2-4h，随炉冷却；
6）、中拉、细拉、超细拉：将经过中间退火的金棒，拉制成客户所需成品尺寸；
7）、终退火：
将成品尺寸的金丝在450-600℃退火，绕线张力3-15g，收线速度100-200rpm。
6.根据权利要求5所述的键合金丝的制备方法，其特征在于：还包括以下步骤：
8）、绕线：
分绕成客户所需成品长度，绕线张力为3-30g，绕线速度为500-750rpm；
9）、包装：
将绕线后的金丝放入塑料包装盒内，粘贴标签，放入纸盒中包装。
7.根据权利要求5所述的键合金丝的制备方法，其特征在于：所述步骤2）、Au-X母合金的熔炼包括以下步骤：
根据目标重量称取重量比例为99.20wt%-99.60wt%的高纯金原料，纯度99.999wt%，以及重量比例为0.40wt%-0.80wt%的添加元素；
a)、投料：将90-95%的高纯金原料直接放入炉内大坩埚中，其余金做成金片，将添加元素用金片包裹放入同一坩埚中；
b)、真空熔炼：盖好炉盖抽真空，当炉内真空度达到0.1×10-3Pa时开始加热，将炉内温度控制在1050-1250℃范围内，使金属完全熔化，维持此温度10-30分钟，搅拌20-30次，静置10-40分钟；
c)、随炉冷却：停止加热，熔化的合金随炉冷却到室温，再重复b)步骤，2-3次，彻底冷却后取出该母合金，压片备用。
8.根据权利要求5所述的键合金丝的制备方法，其特征在于：所述步骤3）、拉铸金棒包括以下步骤：
a）、按设计方案计算出所需高纯金原料以及各类元素母合金重量，重量百分比分别称取纯度为99.999wt%金块和母合金片，以保证合金元素符合设计方案，总量占比＜100ppm；
b）、投料：将母合金放入炉内悬空的小坩埚中，高纯金原料直接放入炉内的大坩埚中；
c）、真空熔炼：盖好炉盖抽真空，当炉内真空度达到0.1×10-3Pa时开始加热，将炉内温度控制到1050-1250℃范围内，使金完全熔化，维持此温度10-30分钟；打开炉内悬空的小坩埚，加入母合金片并搅拌20-30次，维持此温度10-40分钟；
d）、拉铸金棒：停止抽真空，充氩气，压力0.01-0.05Pa，采用连续拉铸方法，速度20-60mm/min，获得表面光滑的金棒。
9.根据权利要求5所述的键合金丝的制备方法，其特征在于：所述步骤4）、粗拉的工艺参数为：模具延伸率7-18%，拉丝速度6-22m/min。
10.根据权利要求5所述的键合金丝的制备方法，其特征在于：所述步骤6）、中拉、细拉、超细拉的工艺参数为：
a）、中拉：模具延伸率9-18%，拉丝速度60-180 m/min；
b）、细拉：模具延伸率4-15%，拉丝速度180-480 m/min；
c）、超细拉：模具延伸率4-9%，拉丝速度180-480 m/min。
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