一種微電子封裝用超細(xì)銅合金鍵合絲及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及封裝用的鍵合絲，具體涉及一種微電子封裝用超細(xì)銅合金鍵合絲及其 制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鍵合絲作為將半導(dǎo)體元件上的電極與外部端子之間進(jìn)行接合的電性連接線，主要 采用線徑為20 - 50 ym左右的4N系（純度>99. 99% (重量））黃金及其它微量元素合金 化制成的金線，然而由于黃金價格昂貴且近年來價格持續(xù)上漲，尋找替代金線的材料一直 是電子封裝領(lǐng)域的研究熱點。
[0003] 銅以其優(yōu)異的熱學(xué)、電學(xué)性能以及較低的價格，被認(rèn)為是取代金的合適鍵合絲材 料，然而銅線相比金線具有一些列的缺點：線材表面易氧化導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度降低，在進(jìn)行樹脂 封裝時易引起線材表面腐蝕，較高的硬度易造成打線時對基板造成損傷，等等。為了解決上 述問題，銅線的研發(fā)思路主要有兩種：表面涂層和合金化。
[0004] 表面涂層，目前較多采用的是銅線表面鍍鈀。中國專利文獻(xiàn)CN 102130067B公布 了一種表面鍍鈀鍵合銅絲，包括銅為主組分的銅芯材，以及在所述銅芯材上鍍覆形成的鈀 層。該表面鍍鈀鍵合銅絲在后續(xù)的超細(xì)拉伸過程中不必進(jìn)行中間退火就具有較好的最終塑 性變形能力，鍍鈀層表面均勻，致密完整，有利于焊接鍵合時充分變形，提高拉斷力和可靠 性。但是，該表面鍍鈀鍵合銅絲的芯材為99. 9999%銅，鍍鈀工藝為真空鍍膜，鑄造工藝為單 晶連鑄，整個流程加起來一方面成本過于高昂，另一方面單晶連鑄的連鑄速度非常慢，無法 大規(guī)模量產(chǎn)。
[0005] 合金化，即通過添加合金元素改善銅線性能。中國專利CN 104299954 A公開了一 種用于半導(dǎo)體焊接的銅線，其合金成分及重量百分比為48 0 - 0.002%^60 - 0.001%， Pb 0 - 0? 0005%，Ni 0 - 0? 0005%，Mg 0 - 0? 0005%，Si 0 - 0? 002%，其余為銅。采用 這種合金成分的銅線，不僅克服了純銅線硬度高、焊接性能差的問題，而且導(dǎo)電性和延伸率 高，焊接性好，成本低，但是仍存在以下兩個問題：（1)未有控制〇和S的含量，0含量如果過 高易造成銅線的塑性和韌性變差，同時會氧化添加的元素使合金化效果不明顯；(2)鑄造 過程采用澆鑄的方式，鑄錠內(nèi)部存在鑄造應(yīng)力，未進(jìn)行相關(guān)熱處理就直接進(jìn)行拉拔，以致產(chǎn) 品力學(xué)性能、成分分布不均勻，這將影響產(chǎn)品的品質(zhì)和壽命。
[0006] 近年來隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，銅線的細(xì)線徑化已經(jīng)發(fā)展成為一種趨勢，一來更 細(xì)的線徑可以帶來成本的降低，二來晶元越做越小也對銅線的直徑提出了更高的要求。中 國專利CN 102886390公開了一種超微細(xì)銅絲的生產(chǎn)工藝，包括上引無氧銅桿、連續(xù)擠壓、 拉拔等步驟，具有工藝流程短、生產(chǎn)效率高，斷線率低等特點。該工藝在拉拔前加了一道連 續(xù)擠壓，使得上引銅桿粗大的鑄造組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小均勻、致密的組織。然而，該工藝存在以 下一些問題：（1)連續(xù)擠壓過程金屬與工具間的外摩擦大，擠壓工具磨損快，使用壽命短， 成本高，且擠壓速度慢，生產(chǎn)效率低；(2)未加入晶粒細(xì)化劑，易造成中間退火過程中晶粒 異常長大，造成材料組織不均勻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種微電子封裝用超細(xì)銅合金鍵合絲及其制 備方法，這種銅合金鍵合絲具有良好的抗氧化性能、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、可焊性、較高的單 絲長度等優(yōu)良性能，其制備方法操作簡便。采用的技術(shù)方案如下：
[0008] -種微電子封裝用超細(xì)銅合金鍵合絲，其特征在于其各成分及含量為：Ti 10 - 50wt. ppm,Li 10 - 50wt. ppm,Zr 10 - 50wt. ppm,Fe 10 - 50wt. ppm, Ag 10 - 50wt. ppm, B 10 - 50wt. ppm，稀土元素10 - 50wt. ppm，余量為銅及不可避免的雜質(zhì)，且雜質(zhì)中的0和 S在整個銅合金鍵合絲中的含量< 5wt. ppm ;所述稀土元素是Eu、Y和Dy中的一種或其中多 種的組合。
[0009] 本發(fā)明還提供上述微電子封裝用超細(xì)銅合金鍵合絲的一種制備方法，其特征在于 依次包括下述步驟：
[0010] (1)制備中間合金：配備所需的Ti、Li、Zr、Fe、Ag、B、Eu、Y、Dy，分別用純度為 99. 9999%以上的銅為原料熔制中間合金；
[0011] (2)真空熔煉與鑄造：根據(jù)所要制備的銅合金鍵合絲各成分的含量比例，計算出 純度為99. 99%以上的銅和各中間合金的加入量，然后將銅和各中間合金混合并進(jìn)行真空 熔煉，再連鑄成直徑為6 - 10mm的銅合金棒材；
[0012] (3)對銅合金棒材進(jìn)行均勻化退火；均勻化退火在真空條件下進(jìn)行，退火溫度為 800 - 1000°C，退火時間為6 - 48小時；
[0013] (4)對經(jīng)過均勾化退火的銅合金棒材進(jìn)行拉拔，得到線徑為0. 5 - 1. 0mm的銅合金 絲；
[0014] (5)對步驟⑷得到的線徑為0. 5 - 1. 0mm的銅合金絲進(jìn)行中間退火沖間退火 的退火溫度為400 - 600°C，退火時間為2 - 6小時，保護(hù)氣氛為95% N2+5% H2;
[0015] (6)將中間退火后的銅合金絲繼續(xù)拉拔，得到線徑為0. 01 - 0. 03mm的超細(xì)銅合金 絲；
[0016] (7)拉拔過程完成后，對超細(xì)銅合金絲進(jìn)行最后退火；最后退火在管式在線退火 爐內(nèi)進(jìn)行，退火溫度為400 - 600°C，退火時間為0. 2 - 0. 6秒，保護(hù)氣氛為95% N2+5% H2; 最后退火完成后，得到微電子封裝用超細(xì)銅合金鍵合絲。
[0017] 得到的銅合金鍵合絲成品經(jīng)檢驗、分卷、入庫。
[0018] 上述步驟（1)中，需要制備的中間合金包括Cu-Ti中間合金、Cu-Li中間合金、 Cu-Zr中間合金、Cu-Fe中間合金、Cu-Ag中間合金、Cu-B中間合金、Cu-Eu中間合金、Cu-Y 中間合金、Cu-Dy中間合金。
[0019] 以Cu-Ti中間合金為例，制備Cu-Ti中間合金的方法為：配備0? 1 - 0? 5% (重量） 的單質(zhì)Ti和99. 5 - 99. 9% (重量）的純度為99. 9999%的銅；然后將單質(zhì)Ti置入真空熔 煉爐的加料裝置中，隨后將銅放入真空熔煉爐的坩堝內(nèi)；接著真空熔煉爐內(nèi)部抽真空至真 空度< 6 X 10 2Pa后開始升溫對銅進(jìn)行加熱，當(dāng)銅全部熔化后，通過加料裝置將單質(zhì)Ti加入 熔融銅液中；待Ti完全熔解后，攪拌均勻，得到合金熔液；再將合金熔液澆注入模具，冷卻 后得到所需的Cu-Ti中間合金。采用同樣的方法可制備Cu-Li中間合金、Cu-Zr中間合金、 Cu-Fe中間合金、Cu-Ag中間合金、Cu-B中間合金、Cu-Eu中間合金、Cu-Y中間合金、Cu-Dy 中間合金。
[0020] 優(yōu)選步驟（2)中，將銅及各中間合金混合并放置于真空熔鑄爐內(nèi)進(jìn)行真空熔煉， 中間合金夾在銅中間，真空熔煉爐內(nèi)部抽真空至真空度< 6X 10 2Pa，升溫至1200 - 1300°C 精煉20 - 30min (分鐘），然后將熔液連鑄成直徑6 - 10mm的銅合金棒材。
[0021] 優(yōu)選步驟（3)中，真空度為< 6X10 2Pa。優(yōu)選步驟（3)中，對銅合金棒材進(jìn)行均 勻化退火后，冷卻時采用通惰性氣體并鼓風(fēng)的方式將銅合金棒材冷卻至室溫。
[0022] 步驟（5)中，中間退火可在氣氛爐中進(jìn)行。
[0023] 優(yōu)選步驟（7)中，進(jìn)行最后退火時，超細(xì)銅合金絲的張力為0? 1 - lg。
[0024] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0025] 1.本發(fā)明的銅合金鍵合絲中，通過在銅中摻