传感器半导体芯片用铜合金材料的制作方法
【专利摘要】传感器半导体芯片用铜合金材料，主要包括铜元素，还包括镍、镉、锌、贵金属元素和稀土金属元素，所述镍、镉、锌、贵金属元素和稀土金属元素在铜合金中所占的重量百分比分别为：镍0.2%~0.6%，镉0.1%~0.3%，锌1.1%~2.2%，贵金属元素0.02%~0.05%，稀土金属元素0.03%~0.04%。本发明公开的铜合金材料用来封装传感器半导体芯片时，能够具有较佳的常温与高温抗氧化功效，用本发明铜合金封装的传感器半导体芯片，不仅可降低半导体芯片热膨胀系数，有助改善热疲劳可靠度，减少结合界面剥离的现象发生外，亦能降低金属间化合物层厚度，进而提高界面可靠度。
【专利说明】传感器半导体芯片用铜合金材料
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器半导体芯片用铜合金材料，它是一种适用于传感器中的半导体 芯片的铜合金，属于合金材料领域。
【背景技术】
[0002] 铜合金被广泛应用于汽车部件、家电部件、电气、电子、光学部件、配管构件、水暖 金属件或者各种阀门等。且由于近年来全球变暖，强烈要求制品或者构件的小型、轻量化和 薄壁化，在比重比铁大的铜合金中，需要通过高强度化来应对上述要求。
[0003] 尤其在气象机械、气象光学仪器领域，对仪器的重量有着较高的要求，以及对仪器 的精密程度要求较高，就需要使用高强度的且轻质的合金材料，很多气象观测站，由于地 域、交通的限制，不能够满足较重仪器的搬运和安装，仪器更换也存在很大的难度，这就需 要在仪器的配备上有着较高的要求，仪器的精密度，以及仪器的使用寿命要求高。对于仪器 制作时使用的材料，尤其是传感器，以及数据采集芯片使用的铜合金的要求很高，传统的简 单的铜合金材料基本无法满足要求。传统的铜合金不仅在质量重、感应的灵敏度差以及能 够被使用的次数少，不能满足气象领域的仪器使用要求。
[0004] 高导高强铜合金是一类有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料，广泛应 用于电阻焊、电力、电子、机械制造等工业领域。
[0005] 现有的晶体管、IC等半导体，或集成电路等组件，其连结电极与外部导线一般是以 高纯度4N系（纯度> 99. 99mass (质量）％ )的黄金与其他微量金属元素制成的金线作为 电性连接的接合线，然而，由于黄金较高的价格，以及黄金市场的不稳定性，在考虑成本和 行业风险的情况下，使用黄金存在一定的弊端，不利于工业化应用和大规模的生产。使用 铜合金替代高价位的高纯度4N系（纯度> 99. 99mass (质量）％ )的黄金与其他微量金属 元素制成的金线作为电性连接的接合线成为业内人士考虑的方向。使用铜合金时，由于封 装用树脂与导线的热膨胀系数差异过大，随着半导体启动后温度上升，因热形成的体积膨 胀对形成回路的铜接合线产生外部应力，特别是对暴露于严酷的热循环条件下的半导体组 件，容易使铜接合线产生短线的问题。
[0006] 用于作为载流部件（例如连接件、引流框、继电器和开关）的电气和电子部件的材 料具有良好的电导率，以抑制因为载流而产生焦耳热，要求所使用的材料的高强度能承受 在使用此材料的电气和电子设备的组装和运行过程中向其施加的应力。用于电气和电子部 件的材料还要求具有极佳的可弯曲加工性，而且，为了确保电气和电子部件之间的接触可 靠性，要求用于该部件的材料具有极佳的耐应力松弛性。尤其近年来，电气和电子部件存在 集成化、微型化和轻质化的倾向，碎玉材料的性能要求更高，铜合金板的厚度要变薄，强度 以及敏感度要求更高。
[0007] 发明人通过检索得到专利号为2010800134044,发明名称为高度强铜合金专利，该 铜合金中的组分为锌20%?45%、铁0. 3?1. 5%、铬0. 3?1. 5%，余量为铜，且该铜合金 内部分散有铁-铬系化合物粒子和A12Ca的金属间化合物粒子，以重量标准计所述铁相对 于所述铬的含有比率Fe/Cr为0. 5?2。在具体实施例中公布了抗拉强度和破断延伸率的试 验数据，但是对于这种配比的铜合金材料，只能通过使用该专利中公开的制作方法来得到， 对于铜合金材料内部的成型结构，无法实现具体控制，且该铜合金材料的抗变形系数，以及 导电系数并不能达到在气象机械的传感器中的要求，无法应用到气象机械的传感器中，无 法解决减轻气象机械的重量和提高气象机械的传感灵敏度的问题。
[0008] 发明人还检索到申请号为201110228500. 7,发明名称为一种铜合金材料的发明专 利，该发明公开的铜合金材料，由以下以重量百分比计的原料制成：PbO. 641%?0. 704%， SiL 23 % ?1. 36 %，MnL 94 % ?2. 32 %，Nil. 95 % ?2. 21 %，FeO. 093 % ?0. 153 %， SnO. 025%?0. 048%，Zn35. 3%?35. 76%，Cu余量。该发明的铜合金材料具有高强度、耐 磨、耐腐蚀、延展性好、易加工、不易拉脱等优点，适合于制造高压柱塞泵的核心零件如滑靴 和配流盘。但是这种铜合金材料的导电性能不好，不适应于制作传感器部件，尤其不适应于 制作气象领域的传感器。
【发明内容】
[0009] 为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种传感器半导体芯片用铜合金材料， 本发明的具体方案为：
[0010] 传感器半导体芯片用铜合金材料，主要包括铜元素，还包括镍、镉和锌，其特征是 还包括若干种贵金属元素和若干种稀土金属元素，所述镍、镉、锌、贵金属元素和稀土金属 元素在铜合金中所占的重量百分比分别为：
[0011] 镍 0.2%?0.6%，镉 0? 1 %?0.3%，锌 I. 1 %?2. 2%，贵金属元素 0.02 %? 0. 05%，稀土金属元素0. 03%?0. 04%。
[0012] 所述贵金属元素选自铑、银或铂中的一种或者任意种组合。
[0013] 所述稀土金属元素选自镨、钕或铈中的一种或者任意种组合。
[0014] 所述贵金属元素包括铑、银和铂，铑、银和铂在贵金属元素中所占的重量比例为 0. 5:0. 8 :1 ?1. 5。
[0015] 所述稀土金属元素包括镨、钕和铈，镨、钕和铈在稀土金属元素中所占的重量比例 为 1:1:3 ?4。
[0016] 所述镍、镉、锌、贵金属元素和稀土金属元素在铜合金中所占的重量百分比分别 为：
[0017] 镍 0? 3%?0? 5%，镉 0? 15%?0? 25%，锌 L 5%?L 9%，贵金属元素 0? 03%? 0. 04%，稀土金属元素 0. 032%?0. 038%。
[0018] 所述镍、镉、锌、贵金属元素和稀土金属元素在铜合金中所占的重量百分比分别 为：
[0019] 镍0? 4%，镉0? 2%，锌L 7%，贵金属元素0? 035%，稀土金属元素0? 035%。
[0020] 本发明的有益效果为：
[0021] 本发明公开的铜合金材料用来封装传感器半导体芯片时，能够具有较佳的常温与 高温抗氧化功效以及良好的焊接成球性与接合性。
[0022] 用本发明铜合金封装的传感器半导体芯片，在常温无尘室中，可达到数月不被氧 化，避免传统的接合铜材料在使用时，表面容易被氧化，形成一层黑色的氧化膜，尤其在封 装传感器半导体芯片的应用领域，氧化膜不仅影响芯片表面光泽度，也会影响影响芯片的 导电性能，影响传感器芯片的灵敏度和使用寿命，不利于要求较高的气象领域的应用。本发 明具有良好的常温和高温抗氧化能力。
[0023] 用本发明铜合金封装的传感器半导体芯片，不仅可降低半导体芯片热膨胀系数， 有助改善热疲劳可靠度，减少结合界面剥离的现象发生外，亦能降低金属间化合物层厚度， 进而提高界面可靠度。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合【具体实施方式】，进一步阐明本发明。应理解下述【具体实施方式】仅用于说 明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0025] 本传感器半导体芯片用铜合金材料，主要包括铜元素，还包括镍、镉和锌，其特征 是还包括若干种贵金属元素和若干种稀土金属元素。
[0026] 实施例1 :
[0027] 所述镍、镉、锌、贵金属元素和稀土金属元素在铜合金中所占的重量百分比分别 为：
[0028] 镍0.2%，镉0. 1%，锌I. 1%，贵金属元素0.02%，稀土金属元素0.03%。
[0029] 所述贵金属元素包括铑、银和铂，铑、银和铂在贵金属元素中所占的重量比例为 0. 5:0. 8 :1。
[0030] 所述稀土金属元素包括镨、钕和铈，镨、钕和铈在稀土金属元素中所占的重量比例 为 1:1:3〇
[0031] 实施例2:
[0032] 所述镍、镉、锌、贵金属元素和稀土金属元素在铜合金中所占的重量百分比分别 为：
[0033] 镍0. 6 %，镉0. 3 %，锌2. 2 %，贵金属元素0. 05 %，稀土金属元素0. 04 %。
[0034] 所述贵金属元素包括铑、银和铂，铑、银和铂在贵金属元素中所占的重量比例为 0. 5:0. 8 :1. 5。
[0035] 所述稀土金属元素包括镨、钕和铈，镨、钕和铈在稀土金属元素中所占的重量比例 为 I:1:4〇
[0036] 实施例3 :
[0037] 所述镍、镉、锌、贵金属元素和稀土金属元素在铜合金中所占的重量百分比分别 为：
[0038] 镍0. 3 %，镉0. 15 %，锌1. 5 %，贵金属元素0. 03 %，稀土金属元素0. 032 %。
[0039] 所述贵金属元素包括铑、银和铂，铑、银和铂在贵金属元素中所占的重量比例为 0. 5:0. 8 :1。
[0040] 所述稀土金属元素包括镨、钕和铈，镨、钕和铈在稀土金属元素中所占的重量比例 为 1:1:3〇
[0041] 实施例4:
[0042] 所述镍、镉、锌、贵金属元素和稀土金属元素在铜合金中所占的重量百分比分别 为：
[0043] 镍0. 5 %，镉0. 25 %，锌I. 9 %，贵金属元素0. 04%，稀土金属元素0. 038 %。
[0044] 所述贵金属元素包括铑、银和铂，铑、银和铂在贵金属元素中所占的重量比例为 0. 5:0. 8 :1. 5。
[0045] 所述稀土金属元素包括镨、钕和铈，镨、钕和铈在稀土金属元素中所占的重量比例 为 I:1:4〇
[0046] 实施例5 :
[0047] 所述镍、镉、锌、贵金属元素和稀土金属元素在铜合金中所占的重量百分比分别 为：
[0048] 镍0? 4 %，镉0? 2 %，锌L 7 %，贵金属元素0? 035 %，稀土金属元素0? 035 %。
[0049] 所述贵金属元素包括铑、银和铂，铑、银和铂在贵金属元素中所占的重量比例为 0. 5:0. 8 :1. 25。
[0050] 所述稀土金属元素包括镨、钕和铈，镨、钕和铈在稀土金属元素中所占的重量比例 为 1:1:3. 5〇
[0051] 将上述5个具体实施例的不同组分的铜合金材料分别用来封装相同厚度的传感 器芯片，传感器芯片选用9mm，分别将5个实施例封装成的传感器芯片用来测试实验，
[0052] 第一个实验为：分别将5个实施例封装成的传感器芯片置于常温的无尘环境中， 让其与空气充分接触，观察其第30天被氧化情况；
[0053] 第二个实验为：分别将5个实施例封装成的传感器芯片置于高温（选用150°C )的 环境中，让其与空气充分接触，观察其第15天被氧化情况；
[0054] 第三个实验为：分别测试5个实施例封装成的传感器芯片的热胀系数。
[0055] 得到数据如下表：
【权利要求】
1. 传感器半导体芯片用铜合金材料，主要包括铜元素，还包括镍、镉和锌，其特征是还 包括若干种贵金属元素和若干种稀土金属元素，所述镍、镉、锌、贵金属元素和稀土金属元 素在铜合金中所占的重量百分比分别为： 镍 0. 2%~0. 6%，镉 0. 1%~0. 3%，锌 1. 1%~2. 2%，贵金属元素 0. 02%~0. 05%，稀土金属元素 0. 03%~0. 04%。
2. 根据权利要求1所述的传感器半导体芯片用铜合金材料，其特征是所述贵金属元素 选自铑、银或铂中的一种或者任意种组合。
3. 根据权利要求1所述的传感器半导体芯片用铜合金材料，其特征是所述稀土金属元 素选自镨、钕或铈中的一种或者任意种组合。
4. 根据权利要求2所述的传感器半导体芯片用铜合金材料，其特征是所述贵金属元素 包括铑、银和铂，铑、银和铂在贵金属元素中所占的重量比例为0. 5: 0. 8 :1~1. 5。
5. 根据权利要求3所述的传感器半导体芯片用铜合金材料，其特征是所述稀土金属元 素包括镨、钕和铺，镨、钕和铈在稀土金属元素中所占的重量比例为1:1:3~4。
6. 根据权利要求1-5中任一所述的传感器半导体芯片用铜合金材料，其特征是所述 镍、镉、锌、贵金属元素和稀土金属元素在铜合金中所占的重量百分比分别为： 镍 0. 3%~0. 5%，镉 0. 15%~0. 25%，锌 1. 5%~1. 9%，贵金属元素 0. 03%~0. 04%，稀土金属元素 0. 032%~0, 038%〇
7. 根据权利要求1-5中任一所述的传感器半导体芯片用铜合金材料，其特征是所述 镍、镉、锌、贵金属元素和稀土金属元素在铜合金中所占的重量百分比分别为： 镍0. 4%，镉0. 2%，锌1. 7%，贵金属元素0. 035%，稀土金属元素0. 035%。
【文档编号】C22C9/04GK104451246SQ201410643345
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月13日 优先权日:2014年11月13日
【发明者】禹胜林 申请人:无锡信大气象传感网科技有限公司