专利名称：一种具有防氧化层的铜基键合丝及其加工工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及键合丝技术，特别是一种母合金铜基键合丝及其制备工艺技术。
背景技术：
集成电路中半导体封装需要用到一种关键的材料-键合丝(Bonding Wires)，电子行业的快速发展，促进了键合丝制造技术的快速发展。键合丝是一种直径精细的高拉伸强度金属丝，是集成电路、半导体分立器件和LED发光管制造过程中必不可少的封装内引线。常见的有合金键合丝、铜键合丝、铝键合丝、金键合丝等。键合丝需具备的特质是耐腐蚀、传导性、连接性好，键合速度快。在现有键合丝应用技术中，比较有代表性的键合丝是键合金丝和键合铜丝两种。 其中，键合金丝是一种传统的键合丝，LED发光封装的内引线大多采用直径15至75微米的高纯度黄金制成的金键合丝，金属基黄金的纯度大于99. 999%，再配以钯、镍、铈等微量元素，经熔炼、拉丝、退火等程序制成。键合金丝因具有良好的导电性、抗氧化性和卓越的成弧稳定、键合快速性，目前在键合丝使用中占主导地位，但其价格昂贵、强度偏低，这些缺点已经在目前企业追求利润空间，降低生存压力方面形成制约瓶颈。另外一种键合丝是键合铜丝，其价格优势较键合金丝明显，抗拉强度也有所提升， 但是键合铜丝还存在很多不足之处，主要问题为其一、键合铜线烧球后瞬间氧化，硬度较高，与铝基粘合时需要很大的键合力才能完整粘连，易砸伤铝基，对芯片及铝基要求非常高。其二、铜的氧化温度低，键合铜线很容易氧化，在储存时，条件受限。传统铜线采用真空包装，但大量的包装，偶尔会有个别泄漏现象，同时运输搬运过程也是造成泄漏的因素。包装一旦泄漏，若短时间内不使用，铜线就会因氧化而失效。同时，在设备上使用时，铜线已经开始氧化，单轴长度只能使用最长200m的铜线，若超过200m，后部份铜线就会因氧化而失效。因为线短，所以增加了换线次数，致使键合生产效率低。实际应用中，如果在铜键合丝表面形成大量氧化物，则铜键合丝很难键合，并且很难成球，因而，在成球的过程中，铜键合丝必须存储在无氧的环境中。因此，铜成球时一般采用惰性气体保护。由于铜的硬度、屈服强度等物理参数都高于金，因而键合需要施加更大的键合力和能量，容易出现焊盘出坑，对芯片造成损伤甚至破坏。
发明内容
本发明针对上述传统键合丝应用中存在的问题，提供一种铜基键合丝，解决键合金丝丝价格高、键合铜丝硬度、防氧化，键合丝包装、储运等问题。为达到上述目的，本发明所采取的解决方案是一种具有防氧化层铜基键合丝，所述的铜基键合丝由基础材料铜添加La、Ce、Pt 微量金属元素构成母合金基材，并在母合金基材制成的微细金属丝表面镀金层而构成该铜基键合丝，所述铜基键合丝用料中的铜和镀层金的纯度均高于99. 99%，并且所述的铜来料包括成品铜线材料。上述铜基键合丝基材包括基础材料添铜，并添加微量金属元素La、Pt、Ce而构成。上述铜基键合丝材料中各金属成分质量比重分别是Cu为88-97%，微量金属元素 La 为 0. 0006-0. 010%, Ce 为 0. 001-0. 005%, Pt 为 0. 003-0. 005%，镀层金 2-10%。上述铜基键合丝表面镀金的厚度为0. 1微米-2. 5微米。上述所述的一种铜基键合丝的防氧化层加工工艺，其中铜基键合丝的制备工艺包括如下步骤步骤一，熔炼母合金胚材，将基础材料Cu与选定的微量金属材料Pt、Ce、La混合， 将混合金属材料在真空度10_2-10_3Mpa的熔炉内融化，保持熔炼温度为1790°C，精炼时间45 分钟以上，熔炼过程中采用高纯度氩气保护，最后采用凝固方式制备直径为10毫米左右的母合金铜棒胚料；步骤二，拉制微细丝，将上述直径为10毫米左右的母合金铜棒胚料进行冷加工， 加工至直径ι. O毫米的母合金丝，然后进行拉拔处理，每次加工率为15%至20%，每次拉拔速度控制在50米/分钟左右，速度波动控制在10% ；然后经过以下相似过程多次，采用每次加工率为6%至20%，将前述铜丝加工至直径0. 015毫米-0. 075毫米，拉制速度控制在 500米/分钟，速度变化控制在10%以内；步骤三，清洗金属丝，将上述微细金属丝进行表面清洗，采用超声波技术清洗，清洗介质采用无水酒精；步骤四，表面镀金，将上述清洗后的微细金属丝进行电镀处理，电镀液为软金电镀液，电镀电流密度为0. 25A/dm2-5. OA/dm2,电镀速度控制在20m/min内；步骤五，退火处理，将表面镀金的微细铜丝进行退火处理，采用氮气保护环境下热处理，热处理温度为415°C _425°C，处理时间控制在1. OS-2. 1S，控制退火时张力大小3. Og 以内；步骤六，分卷绕线，使用专用绕线机，将键合丝定长绕制在量英寸直径的线轴上， 绕线速度控制在50m/min-100m/min，线间距为5毫米，分卷长度为50米至1000米； 步骤七，普包储运，采用普通包装，常温常压条件下储运。上述镀金采用电镀方式，电镀金溶液的主要成分包括亚硫酸金钠，其浓度为 5-25g/L、柠檬酸钾，浓度为5-25g/L、亚硫酸金铵，浓度为5_25g/L、亚硫酸铵，浓度为 180-250g/L、EDTA，浓度为2_4g/L、聚乙二醇，浓度为l_2g/L、亚硫酸碱盐、结晶调整剂、表面活性剂、缓冲剂。采用本发明制备工艺制造的铜基键合丝具有的优点铜添加微量金属元素构成母合金基材，改善了成品键合丝的硬度，并且在母合金基础材料表面镀金，增加了键合丝的防氧化功能，键合丝兼具铜丝和金丝的双重优点具体表现在1、价格优势。铜基键合丝主要材料为铜，较键合金丝成本大大降低，是键合金丝的良好替代品，为企业生成创造利润空间，提高其竞争力。2、抗氧化性。铜基键合丝表面镀有金层，使得键合丝具有良好的抗氧化性能，常温常压下在空气中不会氧化，便于包装、储运。省去了真空包装的较高成本，普通包装，并且对运输、存储条件要求不高；在键合过程中，传统铜线避免氧化的发生需要在无空气保护条件
4性进行，本发明键合丝不需要无空气保护；传统键合丝因为使用过程中氧化，因此其长度受限制，而本发明键合丝可以设计为长度不等的多种类型，其长度不受化学变化的限制。3、改善了键合丝硬度。在铜材中添加微量金属成分，降低了键合丝硬度，特别是成球硬度，减少对芯片的冲击力和破坏，降低了键合能量。4、电导、热导优势。铜基键合丝的高导电性，较金丝高约23%，在高品质器件中具有更广阔的应用前景，适用于高性能电气电路。在精细键合技术领域有助于提高功率器件性能和可靠性。导热性比键合金丝高约20%，使得封装体内的热量可以很快且更有效的散发出来，从而使键合丝可以更快的冷却下来，应力被尽快释放。在成球的过程中，高导热性还有一个优点就是影响键合丝机械性能的热影响区变得更短，因而保证更高的键合性能。制备实施例实施例1一种铜基键合丝，由基础材料铜添加La、Ce、Pt微量金属元素构成母合金基材，并在母合金基材制成的微细金属丝表面镀金层而构成该铜基键合丝。键合丝用料中的铜和镀层金的纯度均高于99. 99%。铜基键合丝表面镀金的厚度为0. 6微米。铜基键合丝材料中各金属成分质量比重分别是Cu为94. 9912%，微量金属元素 La 为 0. 0008%, Ce 为 0. 004%, Pt 为 0. 004%，镀层金 5%。所述铜基键合丝的制备工艺如下步骤一，熔炼母合金胚材，混合金属基材，将基础材料Cu与选定的微量金属材料 La、Pt、Ce混合，将混合金属材料在真空度0. 005Mpa的熔炉内高温融化，保持熔炼温度为 1800°C，精炼时间50分钟，熔炼过程中采用高纯度氩气保护，最后采用凝固方式制备直径为10毫米左右的母合金铜棒胚料；步骤二，拉制微细丝，将上述直径为10毫米左右的母合金铜棒胚料进行冷加工， 加工至直径1. 0毫米左右的母合金丝，然后进行拉拔处理，每次加工率为15%至20%，每次拉拔速度控制在50米/分钟左右，速度波动控制在10% ；然后经过以下相似过程多次，采用每次加工率为6%至20%，将前述铜丝加工至直径50微米，拉制速度控制在500米/分钟，速度变化控制在10%以内；步骤三，清洗金属丝，将上述微细金属丝进行表面清洗，采用超声波技术清洗，清洗介质采用无水酒精；步骤四，表面镀金，将上述清洗后的微细金属丝进行电镀处理，电镀液为软金电镀液，电镀电流密度为lA/dm2，电镀速度控制在20m/min内；步骤五，退火处理，将表面镀金的微细铜丝进行退火处理，采用氮气保护环境下热处理，热处理温度为420°C，处理时间控制在1.5S，控制退火时张力大小3. Og以内；步骤六，分卷绕线，使用专用绕线机，将键合丝定长绕制在量英寸直径的线轴上， 绕线速度控制在75m/min，线间距约为5毫米，分卷长度为1000米；步骤七，普包储运，采用普通包装，常温常压条件下储运。铜基键合丝制备工艺中，镀金采用电镀方式，电镀金溶液的主要成分包括亚硫酸金钠，其浓度为15g/L、柠檬酸钾，浓度为15g/L、亚硫酸金铵，浓度为15g/L、亚硫酸铵，浓度为200g/L、EDTA，浓度为3g/L、聚乙二醇，浓度为1. 5g/L、亚硫酸碱盐、结晶调整剂、表面活性剂、缓冲剂等。实施例2一种铜基键合丝，由基础材料铜添加La、Ce、Pt微量金属元素构成母合金基材，并在母合金基材制成的微细金属丝表面镀金层而构成该铜基键合丝。键合丝用料中的铜和镀层金的纯度均高于99. 99%。铜基键合丝表面镀金的厚度为0. 25微米。铜基键合丝材料中各金属成分质量比重分别是Cu为96. 98%，微量金属元素La 为 0. 010%, Ce 为 0. 005%, Pt 为 0. 005%，镀层金 3%。铜基键合丝的制备工艺如下步骤一，熔炼母合金胚材，混合金属基材，将基础材料Cu与选定的微量金属材料 La、Pt、Ce混合，将混合金属材料在真空度0. OlMpa的熔炉内高温融化，保持熔炼温度为 1800°C，精炼时间55分钟，熔炼过程中采用高纯度氩气保护，最后采用凝固方式制备直径为10毫米左右的母合金铜棒胚料；步骤二，拉制微细丝，将上述直径为10毫米左右的母合金铜棒胚料进行冷加工， 加工至直径1.0毫米左右的母合金丝，然后进行拉拔处理，每次加工率为15%至20%，每次拉拔速度控制在50米/分钟左右，速度波动控制在10 % ；然后经过以下相似过程多次，采用每次加工率为6%至20%，将前述铜丝加工至直径50微米，拉制速度控制在500米/分钟，速度变化控制在10%以内；步骤三，清洗金属丝，将上述微细金属丝进行表面清洗，采用超声波技术清洗，清洗介质采用无水酒精；步骤四，表面镀金，将上述清洗后的微细金属丝进行电镀处理，电镀液为软金电镀液，电镀电流密度为0. 30A/dm2，电镀速度控制在20m/min内；步骤五，退火处理，将表面镀金的微细铜丝进行退火处理，采用氮气保护环境下热处理，热处理温度为420°C，处理时间控制在1. 2S，控制退火时张力大小3. Og以内；步骤六，分卷绕线，使用专用绕线机，将键合丝定长绕制在量英寸直径的线轴上， 绕线速度控制在55m/min，分卷长度为1000米；步骤七，普包储运，采用普通包装，常温常压条件下储运。铜基键合丝制备工艺中，镀金采用电镀方式，电镀金溶液的主要成分包括亚硫酸金钠，其浓度为10g/L、柠檬酸钾，浓度为10g/L、亚硫酸金铵，浓度为510g/L、亚硫酸铵，浓度为185g/L、EDTA，浓度为2g/L、聚乙二醇，浓度为lg/L、亚硫酸碱盐、结晶调整剂、表面活性剂、缓冲剂等。实施例2产品如表1所示检测报告，与传统键合铜丝比较，新的铜基键合丝传热效率更高，机械性质高，抗拉强度更大、延伸特性更好，模压中具有优异的球颈强度和较高的弧线稳定性，焊接后无发现丝材氧化现象。表1焊线设备调整参数及接力检测结果
权利要求
1.一种具有防氧化层的铜基键合丝，其特征在于所述的铜基键合丝由基础材料铜添加微量金属元素构成母合金基材，并在母合金基材制成的微细金属丝表面镀金层而构成该铜基键合丝，所述铜基键合丝用料中的铜和镀层金的纯度均高于99. 99%。
2.根据权利要求1所述的一种具有防氧化层的铜基键合丝，其中铜基键合丝基材包括基础材料添铜，并添加微量金属元素La、Pt、Ce而构成。
3.根据权利要求1所述的一种具有防氧化层的铜基键合丝，其中铜基键合丝材料中各金属成分质量比重分别是Cu为88-97%，微量金属元素La为0. 0006-0. 010%, Ce为 0. 001-0. 005%, Pt 为 0. 003-0. 005%，镀层金 2-10%。
4.根据权利要求1所述的一种具有防氧化层的铜基键合丝，其中铜基键合丝表面镀金的厚度为0.1微米-2. 5微米。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种具有防氧化层的铜基键合丝，其中铜基键合丝的制备工艺包括如下步骤步骤一，熔炼母合金胚材，将基础材料Cu与选定的微量金属材料Pt、Ce、La混合，将混合金属材料在真空度10_2-10_3Mpa的熔炉内融化，保持熔炼温度为1790°C，精炼时间45分钟以上，熔炼过程中采用高纯度氩气保护，最后采用凝固方式制备直径为10毫米左右的母合金铜棒胚料；步骤二，拉制微细丝，将上述直径为10毫米左右的母合金铜棒胚料进行冷加工，加工至直径1. 0毫米的母合金丝，然后进行拉拔处理，每次加工率为15%至20%，每次拉拔速度控制在50米/分钟左右，速度波动控制在10% ；然后经过以下相似过程多次，采用每次加工率为6%至20%，将前述铜丝加工至直径0. 015毫米一0. 075毫米，拉制速度控制在500 米/分钟，速度变化控制在10%以内；步骤三，清洗金属丝，将上述微细金属丝进行表面清洗，采用超声波技术清洗，清洗介质采用无水酒精；步骤四，表面镀金，将上述清洗后的微细金属丝进行电镀处理，电镀液为软金电镀液， 电镀电流密度为0. 25A/dm2-5. OA/dm2,电镀速度控制在20m/min内；步骤五，退火处理，将表面镀金的微细铜丝进行退火处理，采用氮气保护环境下热处理，热处理温度为415°C _425°C，处理时间控制在1. OS-2. 1S，控制退火时张力大小3. Og以内；步骤六，分卷绕线，使用专用绕线机，将键合丝定长绕制在量英寸直径的线轴上，绕线速度控制在50m/min-100m/min，线间距为5毫米，分卷长度为50米至1000米；步骤七，普包储运，采用普通包装，常温常压条件下储运。
6.根据权利要求3所述的一种具有防氧化层的铜基键合丝，其中中镀金采用电镀方式，电镀金溶液的主要成分包括亚硫酸金钠，其浓度为5-25g/L、柠檬酸钾，浓度为5-25g/ L、亚硫酸金铵，浓度为5-25g/L、亚硫酸铵，浓度为180-250g/L、EDTA，浓度为2_4g/L、聚乙二醇，浓度为l_2g/L、亚硫酸碱盐、结晶调整剂、表面活性剂、缓冲剂。
全文摘要
本发明提供一种铜基键合丝的防氧化层加工工艺，由基础材料铜添加La、Ce、Pt微量金属元素构成母合金基材，并在母合金基材制成的微细金属丝表面镀金层而构成该铜基键合丝，铜和金的纯度都高于99.99％。本发明还提供了所述铜基键合丝的制备工艺，包括混合熔炼、拉制、清洗、镀金、退火、绕线、包装等步骤。该铜基键合丝兼具铜键合丝和金键合丝的双重优点，具有良好抗氧化性、导电性以及低弧度特点，改善了单一铜材的硬度，价格低等优点，铜丝采用普通包装，在常温下可以长期保存，是昂贵键合金丝的良好替代品。
文档编号H01B13/00GK102332439SQ20111031707
公开日2012年1月25日 申请日期2011年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者周钢, 薛子夜, 赵碎孟 申请人:浙江佳博科技股份有限公司