一種高性能金包銅鍵合微絲的制備方法
【專利摘要】一種金包銅鍵合微絲及其制備方法。金包銅鍵合微絲由芯線銅與包覆層金復(fù)合而成，鍵合微絲直徑為10～50μm，橫斷面金包覆層面積比為10～30%。其制備步驟為：采用直徑為5～30mm的無(wú)氧銅桿為芯材，采用反向凝固法制備金包銅復(fù)合線坯；將復(fù)合線坯進(jìn)行多道次孔型軋制和/或拉拔加工至直徑為3～8mm的線材，軋制速度為10～200m/min，單道次斷面縮減率為10～50%，或拉拔速度為5～50m/min，單道次斷面縮減率為10～30%；然后對(duì)軋制和/或拉拔加工的復(fù)合線材進(jìn)行粗拉拔、精拉拔加工成鍵合微絲。拉拔過(guò)程中可施加中間退火，退火溫度為100～400℃，退火時(shí)間為10～60min。本發(fā)明材料包覆層致密、厚度均勻、界面結(jié)合強(qiáng)度高，加工性能優(yōu)異，不易斷頭、斷絲且制備工藝流程短，成材率高，生產(chǎn)成本低。
【專利說(shuō)明】一種高性能金包銅鍵合微絲的制備方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種雙金屬層狀復(fù)合絲材的制備方法，特別是提供了一種金包銅鍵合微絲及其高效制備方法。
[0003]

【背景技術(shù)】
[0004]隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，半導(dǎo)體器件和集成電路的封裝朝著多引線化、高度集成化、小型化和低成本方向發(fā)展，對(duì)鍵合絲的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)提出越來(lái)越高的要求。金包銅鍵合微絲是一種高性能新型鍵合材料，不僅具有鍵合金絲優(yōu)異的壓焊性能、抗氧化和耐腐蝕性能，還具有鍵合銅絲優(yōu)異的力學(xué)性能和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、更低的密度與更低的成本，作為鍵合金絲的替代材料，在半導(dǎo)體器件和集成電路的高密度封裝等方面具有廣闊的應(yīng)用前旦-5^ ο
[0005]已經(jīng)公開(kāi)報(bào)道的金包銅鍵合微絲的制備方法是采用電鍍法在冷加工成形的直徑為15?75 μ m的銅絲表面鍍上金層，然后通過(guò)氣氛保護(hù)擴(kuò)散退火制備滿足使用要求的金包銅鍵合微絲[Uno Tomoh iro, Yamamoto Yukihir0.Bonding wire for semiconductordevice.JP, 2007123597 [ P], 2007.05.17 ;趙碎孟，周鋼，薛子夜.一種防氧化的銅基鍵合絲的制備工藝.中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?CN201110317098.X，
【公開(kāi)日】:2012.1.18]。但是電鍍法存在的問(wèn)題是:(1)鍍層成分不純、不致密、厚度不均導(dǎo)致鍍層與銅芯同軸度不高；(2)鍍層與銅芯的界面結(jié)合強(qiáng)度低；(3)工藝較為復(fù)雜、周期長(zhǎng)；(4)電鍍法環(huán)境負(fù)荷較大。
[0006]采用凝固或塑型成形的方法，制備金包銅復(fù)合線材，再通過(guò)拉絲制備復(fù)合微絲，是解決上述問(wèn)題的有效途徑之一。但由于金和銅塑性變形行為的差異，金包銅復(fù)合微絲(直徑為10?50μπι)在加工過(guò)程中易于在金銅界面處形成較大的應(yīng)力集中，造成斷頭、斷線等問(wèn)題，導(dǎo)致復(fù)合微絲成材率低和生產(chǎn)成本過(guò)高。因此，選擇合適的方法制備具有良好界面結(jié)合質(zhì)量和優(yōu)異冷加工性能的金包銅復(fù)合線坯，對(duì)高效率、低成本制備高性能金包銅鍵合微絲至關(guān)重要。
[0007]反向凝固復(fù)合技術(shù)是生產(chǎn)雙金屬?gòu)?fù)合材料一種有效的方法，具有高效率、低能耗、短流程等特點(diǎn)[李寶綿，許光明，崔建忠.反向凝固法生產(chǎn)Η90-鋼-Η90復(fù)合帶.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2007，17 (4): 505-510]，可用于制備兩種金屬熔點(diǎn)接近或芯材熔點(diǎn)高于包覆層的金屬層狀復(fù)合材料，并解決了傳統(tǒng)凝固過(guò)程中包覆層金屬可能出現(xiàn)的中心疏松、縮孔等問(wèn)題，所制備的復(fù)合材料具有包覆層厚度均勻、致密，以及復(fù)合界面達(dá)到冶金結(jié)合、結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。
[0008]為此，本發(fā)明技術(shù)提出以無(wú)氧銅桿作為芯材，采用反向凝固方法制備金包覆層厚度均勻、致密以及復(fù)合界面結(jié)合強(qiáng)度高的金包銅復(fù)合線坯，然后進(jìn)行多道次孔型軋制和/ 或拉拔加工制備復(fù)合微絲，是一種高性能金包銅鍵合微絲的高效率、低成本制備新方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明目的在于以無(wú)氧銅桿為芯材，采用反向凝固法制備高質(zhì)量金包銅復(fù)合線坯，結(jié)合后續(xù)冷加工(軋制、拉拔)制備金包銅鍵合微絲，不僅可以解決目前工藝制備的金包銅鍵合微絲包覆金層厚度不均勻、致密度和界面結(jié)合強(qiáng)度低的問(wèn)題，而且可以簡(jiǎn)化工藝，提高成材率，降低生產(chǎn)成本。
[0010]一種高性能金包銅鍵合微絲的制備方法，制備步驟如下:
(1)以直徑為5?30_無(wú)氧銅桿為芯材，采用反向凝固法制備金包銅復(fù)合線坯，直徑為6?34mm,金層厚度為0.5?2mm ;
(2)根據(jù)需要，將步驟(I)中的金包銅復(fù)合線坯進(jìn)行多道次孔型軋制和/或拉拔，使復(fù)合線坯直徑減小至3?8mm，所采用的軋制速度為10?200m/min，單道次斷面縮減率為10?50% ;所采用的拉拔速度為5?50m/min，單道次斷面縮減率為10?30% ；
(3)將步驟(2)制備的直徑3?8mm金包銅復(fù)合線坯進(jìn)行拉拔加工，使其直徑減小至0.1?1mm，單道次斷面縮減率為10?30%，拉拔速度為3?30m/min ；
(4)將驟(3)制備的金包銅復(fù)合線材進(jìn)行精拉拔加工至目標(biāo)直徑為10?50μ m的金包銅鍵合微絲，拔速度為2?20m/min，單道次斷面縮減率為5?15%。
[0011]所述的反向凝固法制備金包銅復(fù)合線坯是在感應(yīng)加熱器的作用下將坩堝中的金料熔化，熔化過(guò)程采用惰性氣體(如高純Ar氣)保護(hù)，在開(kāi)卷機(jī)構(gòu)和收卷機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下將經(jīng)過(guò)表面預(yù)處理的銅桿連續(xù)通過(guò)金液，金液在銅桿的表面進(jìn)行凝固，形成金包銅復(fù)合線坯。工藝參數(shù):金液溫度為1100?1250°C，銅線直徑為5?30mm，牽引速度為0.5?2m/min。
[0012]根據(jù)材料最終性能或后續(xù)加工的需要可在步驟(3)和(4)中施加中間退火，退火溫度為100?400°C，退火時(shí)間為10?60min。
[0013]本發(fā)明制備的金包銅鍵合微絲由芯絲銅和包覆層金復(fù)合而成，微絲直徑為10?50 μ m，金包覆層面積比為10?30%，金層厚度均勻分布，金銅界面結(jié)合質(zhì)量良好、強(qiáng)度高。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
(I)采用反向凝固法制備高質(zhì)量金包銅復(fù)合線坯，具有表面質(zhì)量好、金包覆層厚度均勻、組織致密、金/銅界面達(dá)到冶金結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，界面結(jié)合強(qiáng)度高，有利于提高金和銅冷加工變形協(xié)調(diào)性，提高復(fù)合微絲的拉拔加工性能。
[0015](2)所制備的金包銅鍵合微絲直徑可達(dá)10?50 μ m,金層厚度均勻分布,金層的包覆面積比為10?30%可調(diào)，金和銅的界面結(jié)合質(zhì)量高，包覆層致密、厚度均勻，可滿足在半導(dǎo)體器件和集成電路高密度封裝用鍵合絲的使用要求。
[0016](3)采用反向凝固法制備金包銅復(fù)合線坯，結(jié)合后續(xù)冷加工(軋制、拉拔)制備金包銅鍵合微絲，工藝簡(jiǎn)單，提高了成材率，降低了生產(chǎn)成本。
[0017]

【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例1:直徑為50 μ m金包銅鍵合微絲的制備。
[0019](I)以直徑為20mm無(wú)氧銅桿為芯材，采用反向凝固法制備金包銅復(fù)合線坯，線坯直徑為22mm，金包覆層厚度為1mm，斷面金包覆層面積比為17.4%，金液溫度為1200°C，牽引速度為lm/min ；
(2)將步驟(I)制備的金包銅復(fù)合線坯進(jìn)行9道次孔型軋制，使復(fù)合線坯直徑減小至6mm,單道次斷面縮減率為20?50%，軋制速度為50m/min，各道次斷面縮減率隨總變形程度增大逐漸減?。?br> (3)對(duì)步驟(2)軋制后的線材進(jìn)行24道次拉拔加工，使復(fù)合線材直徑減小至0.1mm，單道次斷面縮減率為10?40%，拉拔速度為10?30m/min ；
(4)對(duì)步驟(3)拉拔后的線材進(jìn)行精拉拔加工至直徑為50μ m的金包銅鍵合微絲，單道次斷面縮減率為5?20%，拉拔速度為5?10m/min，道次斷面縮減率隨總變形程度增大逐漸減??；
(5)在步驟(4)的加工過(guò)程中，當(dāng)多道次拉拔總變形量達(dá)到95%時(shí)，對(duì)金包銅復(fù)合微絲進(jìn)行中間退火，退火溫度為350°C，退火時(shí)間為30min。
[0020]實(shí)施例2:直徑為30 μ m金包銅復(fù)合微絲的制備。
[0021](I)以直徑為16mm無(wú)氧銅桿為芯材，采用反向凝固法制備金包銅復(fù)合線坯，復(fù)合線坯直徑為17mm，金包覆層厚度為0.5mm，斷面金包覆層面積比為11.4%，金液溫度為1180°C，牽引速度為 1.2m/min ；
(2)將步驟(I)制備的金包銅復(fù)合線坯進(jìn)行7道次孔型軋制，使復(fù)合線坯直徑減小至4mm,單道次斷面縮減率為25?45%，軋制速度為50m/min，各道次斷面縮減率隨總變形程度增大逐漸減小；
(3)對(duì)步驟(2)軋制后的線材經(jīng)過(guò)22道次的拉拔加工，使復(fù)合線材直徑減小至0.1mm,單道次斷面縮減率為10?40%，拉拔速度為10?30m/min ；
(4)對(duì)步驟(3)拉拔后的線材進(jìn)行精拉拔加工至直徑為30μ m的金包銅鍵合微絲，其中，絲材直徑在70?100 μ m時(shí)，單道次斷面縮減率為5?20%，拉拔速度為5?10m/min ；絲材直徑在30?70 μ m時(shí)，單道次斷面縮減率為5?10%，拉拔速度為3?10m/min ;各道次斷面縮減率隨總變形程度增大逐漸減?。?br> (5)在步驟(4)的加工過(guò)程中，當(dāng)多道次拉拔總變形量達(dá)到95%時(shí)，對(duì)金包銅復(fù)合微絲進(jìn)行中間退火，退火溫度為300°C，退火時(shí)間為30min。
[0022]實(shí)施例3:直徑為20 μ m金包銅復(fù)合微絲的制備。
[0023](I)以直徑為12mm無(wú)氧銅桿為芯材，采用反向凝固法制備金包銅復(fù)合線坯，復(fù)合線坯直徑為13mm，金包覆層厚度為0.5mm，斷面金包覆層面積比為14.8%，金液溫度為1150°C,牽引速度為 1.5m/min ；
(2)將步驟(I)制備的金包銅復(fù)合線坯進(jìn)行6道次孔型軋制，使復(fù)合線坯直徑減小至4mm,單道次斷面縮減率為25?45%，軋制速度為50m/min，各道次斷面縮減率隨總變形程度增大逐漸減??；
(3)對(duì)步驟(2)軋制后的線材經(jīng)過(guò)22道次的拉拔加工，使復(fù)合線材直徑減小至0.1mm,單道次斷面縮減率為10?40%，拉拔速度為10?30m/min ；
(4)對(duì)步驟(3)拉拔后的線材進(jìn)行精拉拔加工至直徑為20μ m的金包銅鍵合微絲，其中，絲材直徑在50?100 μ m時(shí)，單道次斷面縮減率為5?20%，拉拔速度為5?10m/min ；絲材直徑在20?50 μ m時(shí)，單道次斷面縮減率為5?10%，拉拔速度為3?8m/min ;各道次斷面縮減率隨總變形程度增大逐漸減??；
(5)在步驟(4)的加工過(guò)程中，當(dāng)多道次拉拔總變形量達(dá)到95%時(shí)，對(duì)金包銅復(fù)合微絲進(jìn)行中間退火，退火溫度為300°C，退火時(shí)間為30min。
【權(quán)利要求】
1.一種高性能金包銅鍵合微絲的制備方法，其特征在于制備步驟如下: (1)以直徑為5?30_無(wú)氧銅桿為芯材，采用反向凝固法制備金包銅復(fù)合線坯，直徑為6?34mm,金層厚度為0.5?2mm ; (2)根據(jù)需要，將步驟(I)中的金包銅復(fù)合線坯進(jìn)行多道次孔型軋制和/或拉拔，使復(fù)合線坯直徑減小至3?8mm，所采用的軋制速度為10?200m/min，單道次斷面縮減率為10?50% ;所采用的拉拔速度為5?50m/min，單道次斷面縮減率為10?30% ； (3)將步驟(2)制備的直徑3?8mm金包銅復(fù)合線坯進(jìn)行拉拔加工，使其直徑減小至0.1?1mm，單道次斷面縮減率為10?30%，拉拔速度為3?30m/min ； (4)將驟(3)制備的金包銅復(fù)合線材進(jìn)行精拉拔加工至目標(biāo)直徑為10?50μ m的金包銅鍵合微絲，拉拔速度為2?20m/min，單道次斷面縮減率為5?15%。
2.如權(quán)利要求1所述一種高性能金包銅鍵合微絲的制備方法，其特征在于所述的反向凝固法制備金包銅復(fù)合線坯是在感應(yīng)加熱器的作用下將坩堝中的金料熔化，熔化過(guò)程采用惰性氣體保護(hù)，在開(kāi)卷機(jī)構(gòu)和收卷機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下將經(jīng)過(guò)表面預(yù)處理的銅桿連續(xù)通過(guò)金液，金液在銅桿的表面進(jìn)行凝固，形成金包銅復(fù)合線坯；工藝參數(shù):金液溫度為1100?1250°C，銅線直徑為5?30mm,牽引速度為0.5?2m/min。
3.如權(quán)利要求1所述一種高性能金包銅鍵合微絲的制備方法，其特征在于根據(jù)材料最終性能或后續(xù)加工的需要在步驟(3)和(4)中施加中間退火，退火溫度為100?400°C，退火時(shí)間為10?60min。
4.如權(quán)利要求1所述一種高性能金包銅鍵合微絲的制備方法，其特征在于制備的金包銅鍵合微絲由芯絲銅和包覆層金復(fù)合而成，金包覆層面積比為10?30%。
【文檔編號(hào)】H01L23/49GK104353669SQ201410461599
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】姜雁斌, 謝建新 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)