本發(fā)明涉及微電子后道封裝工序用金屬鍵合絲及其制備方法，尤其涉及一種微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前用于集成電路、半導(dǎo)體分立器件等領(lǐng)域的引線封裝鍵合絲最為廣泛采用的是黃金和白銀類鍵合絲。由于黃金和白銀屬貴重金屬，價(jià)格昂貴且日益上漲，給用量最大的中低端led、ic封裝用戶帶來(lái)沉重的成本壓力。同時(shí)，隨著集成電路及半導(dǎo)體器件封裝技術(shù)向多引線化、高集成度和小型化發(fā)展，封裝材料要求采用線徑更細(xì)、電學(xué)性能更好的鍵合絲進(jìn)行窄間距、長(zhǎng)距離的鍵合。傳統(tǒng)的金絲和銀絲已經(jīng)在導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能上逐步趨近于極限。因而業(yè)界急需成本相對(duì)低廉、性能穩(wěn)定可靠的新型鍵合絲材料用以取代黃金和銀鍵合絲。
銅絲作為內(nèi)引線，具有比金絲高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，可以用于制造對(duì)電流負(fù)載要求更高的功率器件，而且可以使高密度封裝時(shí)的散熱更為容易。銅絲較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度可以使絲線直徑變得更細(xì)，焊盤尺寸和焊盤間距也能相應(yīng)減小，價(jià)格比貴金屬鍵合絲材便宜很多。但銅的易氧化、高硬度、成球差以及進(jìn)行樹脂封裝時(shí)易引起線材表面腐蝕是人們最為關(guān)注的缺點(diǎn)。尤其在鍵合銅成球工藝的加熱環(huán)境下，銅表面極易氧化，形成的氧化膜降低了銅線的鍵合性能。為了解決上述問(wèn)題，研發(fā)銅鍵合絲的主要方法有兩種：高純銅絲表面涂層和合金化。
表面涂層主要采用銅線表面鍍鈀，銅絲芯材為99.9999%銅，鍍鈀工藝為真空鍍膜，多出一道工序，成本過(guò)于高昂，而且鍍鈀的目的是隔絕銅絲與空氣的接觸，降低其氧化速率，但在燒球鍵合過(guò)程中，由于鍍鈀層與基材銅絲的再結(jié)晶溫度不同，容易發(fā)生歪球等不良工藝。合金化則是通過(guò)添加合金元素形成均勻的銅合金來(lái)改善銅線的抗氧化性、耐腐蝕性和成球性，降低硬度等，但又不損失銅的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，這是目前研發(fā)高質(zhì)量銅合金鍵合絲的主要方向。然而，目前報(bào)道的銅合金鍵合絲，沒(méi)有一種能夠改善銅鍵合絲的所有缺點(diǎn)，有的只是改善了其抗氧氣性，但其導(dǎo)電性降低；有的改善其抗氧化性和耐腐蝕性，但其硬度較高，塑性較差，不能連續(xù)拉成細(xì)絲。究其原因，主要是這些銅合金鍵合絲只考慮添加合金元素來(lái)改善抗氧化性，細(xì)化晶粒，但這些增加的晶界會(huì)降低導(dǎo)電性和和耐腐蝕性，增加了硬度，沒(méi)有從微觀結(jié)構(gòu)和合金成分綜合考慮。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是克服以上現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲及其制備方法，它克服現(xiàn)有銅合金類鍵合絲表面易氧化、耐腐蝕性差、導(dǎo)電性降低、硬度高和拉拔斷線等問(wèn)題。
本發(fā)明為解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲，組成鍵合絲的材料各成分重量百分比為：銀（ag）含量為0.01%-0.02%、鈧（sc）含量為0.01%-0.02%、鐵（fe）含量為：0.001%-0.015%、鈦（ti）含量為0.001%-0.01%，其余為銅和不可避免的雜質(zhì)，之和等于100%。要求銅的純度大于99.99%、銀的純度大于99.999%、鈧的純度大于99.999%、鐵、鈦的純度大于99.999%。
本發(fā)明的技術(shù)方案通過(guò)以下制備方法或工藝予以解決：
①提取高純銅：將tu00銅（99.99%銅）作為陽(yáng)極浸入電解液中，以高純銅箔作為陰極浸入電解液中；在陽(yáng)極、陰極之間輸入（7-9）v、（2.5-3.5）a的直流電，以補(bǔ)充新鮮電解液方式維持電解液溫度不超過(guò)60℃，待陰極積聚一定重量的純度大于99.9999%的高純銅時(shí)及時(shí)更換高純銅箔，再經(jīng)清洗、烘干備用。
②制備成銅合金鑄錠：提取純度大于99.9999%的高純銅，然后加入銀、鈧、鐵、鈦；其成分含量按照重量百分比分別為：銀占0.01%-0.02%、鈧占0.01%-0.02%、鐵占0.001%-0.015%，鈦占0.001%-0.01%，其余為銅和不可避免的雜質(zhì)，之和等于100%。這些金屬經(jīng)機(jī)械混合后放入高純石墨坩堝中，在氬氣保護(hù)條件下使用感應(yīng)電爐加熱使其熔化，進(jìn)而制備成銅合金鑄錠。
③連鑄成鑄態(tài)銅合金單晶母線：將制備好的銅合金鑄錠加入有氮?dú)獗Ｗo(hù)的水平連鑄金屬單晶連鑄室，應(yīng)用中頻感應(yīng)加熱至（1100-1200）℃，待完全熔化、精煉和除氣后，將熔液注入連鑄室中間的儲(chǔ)液池保溫，在維持（2-5）l/min凈化氮?dú)饬髁康倪B鑄室中，完成對(duì)銅合金熔液的水平單晶連鑄，得到φ3mm左右、縱向和橫向晶粒數(shù)均為1個(gè)的鑄態(tài)銅合金單晶母線。
④粗拔：將φ3mm左右的鑄態(tài)銅合金單晶母線拉拔成直徑為1mm左右的銅合金單晶絲。
⑤熱處理：將直徑為1mm左右的銅合金單晶絲進(jìn)行退火處理；退火溫度為400-600oc，退火時(shí)間為2-6小時(shí)，保護(hù)氣氛為95%n2+5%h2。
⑥精拔：將經(jīng)退火處理的銅合金單晶絲精密拉拔成不同規(guī)格的（0.010mm-0.050mm）銅合金單晶鍵合絲。
⑦熱處理：將精拔后的金銀鈀合金單晶鍵合絲進(jìn)行退火處理；退火溫度為400-600oc，退火時(shí)間為0.2-0.6秒，保護(hù)氣氛為95%n2+5%h2。退火完成后，得到微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲。
⑧表面清洗：將退火處理后的微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲先經(jīng)稀釋后的酸液中進(jìn)行清洗，然后經(jīng)超聲波清洗，再經(jīng)高純水清洗、烘干。
⑨分卷：將成品微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲進(jìn)行復(fù)繞、分卷、包裝。
本發(fā)明的原理：向銅中添加一定量銀（ag）元素的目的就是增加銅合金的抗氧化性，保證銅合金的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性；向銅中添加鈧（sc）能極大地影響銅合金的組織和性能，可大幅地提高銅合金的強(qiáng)度，還能保持合金的塑性，且其耐腐蝕性和成球性（焊接性能）優(yōu)異。因?yàn)殁偧仁窍⊥两饘儆质沁^(guò)渡族金屬，它在銅合金中既有稀土元素的凈化和改善鑄錠組織的作用，又有過(guò)渡族元素的再結(jié)晶抑制劑作用。向銅中添加微量的鈦（ti）的主要作用是降低sc的添加量，降低合金的成本，同時(shí)產(chǎn)生很強(qiáng)的變質(zhì)作用和抑制再結(jié)晶能力。向銅中添加微量的鐵（fe）可以進(jìn)一步保證銅合金的導(dǎo)電性，降低硬度。所有添加的微量元素銀、鈧、鈦和鐵都可以與銅形成固溶體，而不會(huì)形成金屬間化合物，保證銅合金良好的塑性。而且，將銅合金提拉成單晶組織，沒(méi)有晶界存在，這樣可以進(jìn)一步降低硬度，保證良好的導(dǎo)電性和塑性。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明的微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲具有良好抗氧化性和成球性、高導(dǎo)電和導(dǎo)熱性、低硬度、良好塑性和耐腐蝕性。能夠適應(yīng)電子封裝高性能、多功能、微型化、低成本的需求。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種以高純銅為主體材料的銅合金單晶鍵合絲，組成該鍵合絲的材料由下列重量百分比的原材料組成：銀（ag）含量為0.016%、鈧（sc）含量為0.013%、鐵（fe）含量為：0.012%、鈦（ti）含量為0.006%，其余為銅和不可避免的雜質(zhì)，之和等于100%；要求銅的純度大于99.99%、銀的純度大于99.999%、鈧的純度大于99.999%、鐵、鈦的純度大于99.999%。
微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲的制備工藝步驟和方法如下：
①提取高純銅：將tu00銅（99.99%銅）作為陽(yáng)極浸入電解液中，以高純銅箔作為陰極浸入電解液中；在陽(yáng)極、陰極之間輸入9v、2.5a的直流電，以補(bǔ)充新鮮電解液方式維持電解液溫度不超過(guò)60℃，待陰極積聚一定重量的純度大于99.9999%的高純銅時(shí)及時(shí)更換高純銅箔，再經(jīng)清洗、烘干備用。
②制備成銅合金鑄錠：提取純度大于99.9999%的高純銅，然后加入銀、鈧、鐵、鈦；其成分含量按照重量百分比分別為：銀占0.016%、鈧占0.013%、鐵占0.012%，鈦占0.006%，其余為銅和不可避免的雜質(zhì)，之和等于100%。這些金屬經(jīng)機(jī)械混合后放入高純石墨坩堝中，在氬氣保護(hù)條件下使用感應(yīng)電爐加熱使其熔化，進(jìn)而制備成銅合金鑄錠。
③連鑄成鑄態(tài)銅合金單晶母線：將制備好的銅合金鑄錠加入有氮?dú)獗Ｗo(hù)的水平連鑄金屬單晶連鑄室，應(yīng)用中頻感應(yīng)加熱至1200℃，待完全熔化、精煉和除氣后，將熔液注入連鑄室中間的儲(chǔ)液池保溫，在維持5l/min凈化氮?dú)饬髁康倪B鑄室中，完成對(duì)銅合金熔液的水平單晶連鑄，得到φ3mm左右、縱向和橫向晶粒數(shù)均為1個(gè)的鑄態(tài)銅合金單晶母線。
④粗拔：將φ3mm左右的鑄態(tài)銅合金單晶母線拉拔成直徑為1mm左右的銅合金單晶絲。
⑤熱處理：將直徑為1mm左右的銅合金單晶絲進(jìn)行退火處理；退火溫度為600oc，退火時(shí)間為3小時(shí)，保護(hù)氣氛為95%n2+5%h2。
⑥精拔：將經(jīng)退火處理的銅合金單晶絲精密拉拔成直徑0.018mm銅合金單晶鍵合絲。
⑦熱處理：將精拔后的銅合金單晶鍵合絲進(jìn)行退火處理；退火溫度為450oc，退火時(shí)間為0.2秒，保護(hù)氣氛為95%n2+5%h2。退火完成后，得到微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲。
⑧表面清洗：將退火處理后的微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲先經(jīng)稀釋后的酸液中進(jìn)行清洗，然后經(jīng)超聲波清洗，再經(jīng)高純水清洗、烘干。
⑨分卷：將成品微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲進(jìn)行復(fù)繞、分卷、包裝。
該銅合金單晶鍵合絲拉斷力大于0.055n，延伸率大于13%，最小熔斷電流為0.29a，表明其導(dǎo)電性好，且硬度適中，焊接成球性好，非常適用于高密度，多引腳集成電路封裝。
實(shí)施例2
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種以高純銅為主體材料的銅合金單晶鍵合絲，組成該鍵合絲的材料由下列重量百分比的原材料組成：銀（ag）含量為0.02%、鈧（sc）含量為0.018%、鐵（fe）含量為：0.008%、鈦（ti）含量為0.003%，其余為銅和不可避免的雜質(zhì)，之和等于100%；要求銅的純度大于99.99%、銀的純度大于99.999%、鈧的純度大于99.999%、鐵、鈦的純度大于99.999%。
微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲的制備工藝步驟和方法如下：
①提取高純銅：將tu00銅（99.99%銅）作為陽(yáng)極浸入電解液中，以高純銅箔作為陰極浸入電解液中；在陽(yáng)極、陰極之間輸入8v、3a的直流電，以補(bǔ)充新鮮電解液方式維持電解液溫度不超過(guò)60℃，待陰極積聚一定重量的純度大于99.9999%的高純銅時(shí)及時(shí)更換高純銅箔，再經(jīng)清洗、烘干備用。
②制備成銅合金鑄錠：提取純度大于99.9999%的高純銅，然后加入銀、鈧、鐵、鈦；其成分含量按照重量百分比分別為：銀占0.02%、鈧占0.018%、鐵占0.008%，鈦占0.003%，其余為銅和不可避免的雜質(zhì)，之和等于100%。這些金屬經(jīng)機(jī)械混合后放入高純石墨坩堝中，在氬氣保護(hù)條件下使用感應(yīng)電爐加熱使其熔化，進(jìn)而制備成銅合金鑄錠。
③連鑄成鑄態(tài)銅合金單晶母線：將制備好的銅合金鑄錠加入有氮?dú)獗Ｗo(hù)的水平連鑄金屬單晶連鑄室，應(yīng)用中頻感應(yīng)加熱至1150℃，待完全熔化、精煉和除氣后，將熔液注入連鑄室中間的儲(chǔ)液池保溫，在維持4l/min凈化氮?dú)饬髁康倪B鑄室中，完成對(duì)銅合金熔液的水平單晶連鑄，得到φ3mm左右、縱向和橫向晶粒數(shù)均為1個(gè)的鑄態(tài)銅合金單晶母線。
④粗拔：將φ3mm左右的鑄態(tài)銅合金單晶母線拉拔成直徑為1mm左右的銅合金單晶絲。
⑤熱處理：將直徑為1mm左右的銅合金單晶絲進(jìn)行退火處理；退火溫度為500oc，退火時(shí)間為5小時(shí)，保護(hù)氣氛為95%n2+5%h2。
⑥精拔：將經(jīng)退火處理的銅合金單晶絲精密拉拔成直徑0.023mm銅合金單晶鍵合絲。
⑦熱處理：將精拔后的銅合金單晶鍵合絲進(jìn)行退火處理；退火溫度為500oc，退火時(shí)間為0.3秒，保護(hù)氣氛為95%n2+5%h2。退火完成后，得到微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲。
⑧表面清洗：將退火處理后的微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲先經(jīng)稀釋后的酸液中進(jìn)行清洗，然后經(jīng)超聲波清洗，再經(jīng)高純水清洗、烘干。
⑨分卷：將成品微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲進(jìn)行復(fù)繞、分卷、包裝。
該銅合金單晶鍵合絲拉斷力大于0.088n，延伸率大于16%，最小熔斷電流為0.31a，且硬度適中，焊接成球性好，非常適用于高密度，多引腳集成電路封裝。
實(shí)施例3
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種以高純銅為主體材料的銅合金單晶鍵合絲，組成該鍵合絲的材料由下列重量百分比的原材料組成：銀（ag）含量為0.01%、鈧（sc）含量為0.01%、鐵（fe）含量為：0.01%、鈦（ti）含量為0.01%，其余為銅和不可避免的雜質(zhì)，之和等于100%；要求銅的純度大于99.99%、銀的純度大于99.999%、鈧的純度大于99.999%、鐵、鈦的純度大于99.999%。
微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲的制備工藝步驟和方法如下：
①提取高純銅：將tu00銅（99.99%銅）作為陽(yáng)極浸入電解液中，以高純銅箔作為陰極浸入電解液中；在陽(yáng)極、陰極之間輸入7v、3.5a的直流電，以補(bǔ)充新鮮電解液方式維持電解液溫度不超過(guò)60℃，待陰極積聚一定重量的純度大于99.9999%的高純銅時(shí)及時(shí)更換高純銅箔，再經(jīng)清洗、烘干備用。
②制備成銅合金鑄錠：提取純度大于99.9999%的高純銅，然后加入銀、鈧、鐵、鈦；其成分含量按照重量百分比分別為：銀占0.01%、鈧占0.01%、鐵占0.01%，鈦占0.01%，其余為銅和不可避免的雜質(zhì)，之和等于100%。這些金屬經(jīng)機(jī)械混合后放入高純石墨坩堝中，在氬氣保護(hù)條件下使用感應(yīng)電爐加熱使其熔化，進(jìn)而制備成銅合金鑄錠。
③連鑄成鑄態(tài)銅合金單晶母線：將制備好的銅合金鑄錠加入有氮?dú)獗Ｗo(hù)的水平連鑄金屬單晶連鑄室，應(yīng)用中頻感應(yīng)加熱至1100℃，待完全熔化、精煉和除氣后，將熔液注入連鑄室中間的儲(chǔ)液池保溫，在維持3l/min凈化氮?dú)饬髁康倪B鑄室中，完成對(duì)銅合金熔液的水平單晶連鑄，得到φ3mm左右、縱向和橫向晶粒數(shù)均為1個(gè)的鑄態(tài)銅合金單晶母線。
④粗拔：將φ3mm左右的銅合金單晶母線拉拔成直徑為1mm左右的銅合金單晶絲。
⑤熱處理：將直徑為1mm左右的銅合金單晶絲進(jìn)行退火處理；退火溫度為400oc，退火時(shí)間為6小時(shí)，保護(hù)氣氛為95%n2+5%h2。
⑥精拔：將經(jīng)退火處理的銅合金單晶絲精密拉拔成直徑0.010mm銅合金單晶鍵合絲。
⑦熱處理：將精拔后的銅合金單晶鍵合絲進(jìn)行退火處理；退火溫度為600oc，退火時(shí)間為0.6秒，保護(hù)氣氛為95%n2+5%h2。退火完成后，得到微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲。
⑧表面清洗：將退火處理后的微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲先經(jīng)稀釋后的酸液中進(jìn)行清洗，然后經(jīng)超聲波清洗，再經(jīng)高純水清洗、烘干。
⑨分卷：將成品微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲進(jìn)行復(fù)繞、分卷、包裝。
該銅合金單晶鍵合絲拉斷力大于0.043n，延伸率大于11%，最小熔斷電流為0.25a，且硬度適中，焊接成球性好，非常適用于高密度，多引腳集成電路封裝。