专利名称：一种铜基键合丝及制备方法
技术领域：
本发明涉及键合丝制备技术，特别是一种防氧化铜基键合丝及其制备方法。
背景技术：
电子行业中集成电路的生产需要用到一种基础材料，半导体封装用材料一键合丝(Bonding Wires) 0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。电子封装正在朝高性能、多功能、 小型化、便携式方向发展，这一发展趋势对集成电路的性能要求在不断提升，并且对电子封装密度有了更高的要求，具体表现为封装的引脚数越来越多，布线节距越来越小，封装厚度越来越薄，封装体在基板是所占的面积比例越来越大，这些都需要依靠低弧度、高性能的键合丝来实现。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，键合金丝是一种传统的键合丝。电子器件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. 99%，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。还有一种具有应用前景的的键合丝是键合铜丝，其价格优势较键合金丝明显，抗拉强度也有所提升，但是传统键合铜丝还存在一些不足之处，主要问题为物理硬度高，化学氧化活泼，具体表现为一、在大规模集成电路封装中，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，造成基板损伤，降低了电气元器件的可靠性，此对芯片及铝基要求非常苛刻。二、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。
发明内容
基于上述原因，本发明针对上述电子封装的发展需求以及金键合丝成本很高的问题，提供一种以铜作为基材的且具备金键合丝性能的铜键合丝，以降低制造成本。本发明针对铜键合丝易氧化，长度受限的不足，提供一种防氧化铜基键合丝的制备方法，解决铜键合丝防氧化的难题。
本发明的铜基键合丝通过以下技术方案解决上述问题所述键合丝为铜表面镀金的复合材料。所述键合丝基材为铜丝，铜的纯度高于99. 99%。所述键合丝的特点是所述铜丝表面镀有金层，金的质量占比为2% _10%，金的纯度高于99. 99%。所述键合丝表面镀金金层的厚度为0. 1微米-2. 5微米。所述键合丝长度为50米至1000米不等。所述铜基键合丝的制备方法包括如下步骤步骤一，预制铜棒胚料，将纯度99. 99%以上的铜料，在真空度10_2-10_4Mpa的熔炉内高温融化，保持熔炼温度为1100°C，精炼时间50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8-10毫米的铜棒胚料；步骤二，预制细铜丝，将上述直径为8毫米-10毫米的铜棒胚料进行粗拔处理，拉伸后加工成直径为1毫米的铜丝，进一步拉伸铜丝至直径为90-100微米，然后进行固定退火处理；步骤三，清洗，将上述直径为90-100微米的微细铜丝进行表面清洗，清洗采用超声波技术，清洗介质采用无水酒精；步骤四，微细铜丝表层镀金，将上述微细铜丝进行电镀处理，电镀液为软金电镀液，金的纯度高于99. 99%,电镀电流密度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，精制键合丝，将表面镀金处理的微细铜丝进行精细拉拔处理，拉伸至直径为15微米至75微米，拉伸速度控制在450米/分钟至600米/分钟；步骤七，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，线间距约为5毫米，分卷长度为50米至1000米；步骤八，包装即得。前述预制细铜丝还具体包括以下步骤步骤一，将直径为8毫米-10毫米的铜棒胚料采用凝固方式拉制直径为4-6毫米的高纯度单晶铜杆；步骤二，将前述高纯度铜杆冷加工成直径0.8-1. 2毫米，拉拔加工率为 15% -20%，拉拔速度控制为50m/min，速度上下浮动不超过20% ；步骤三，将前述直径为0. 8-1. 2毫米的微细铜丝进一步拉拔，拉拔加工率10 %， 每次速度波动不超过15%，多次拉拔，直至铜丝直径拉至90-110微米，拉制过程中保持拉丝塔轮、导向轮、收线盘等部件光洁度，其中铜丝直径0.5毫米以上时，磨具表面粗糙系数 0. 025，铜丝直径小于0. 5毫米时，磨具表面粗糙系数高于0. 025，拉拔温度为35_45°C ；步骤四，将前述直径为100微米左右的微细铜丝进行固定退火处理。本发明有益的技术效果所述镀金处理是在上述预制微细铜丝基础上进行。
绕线后采取普通包装，包装材料采用普通材料，包装条件为常温常压。一，成本优势。本发明的基础材质是铜，较键合金丝的成本大大降低，并且包装形式更普通，无须真空包装，储存、运输方便，为企业创造了利润空间，提高了企业的竞争力。二，抗氧化性能。铜基键合丝镀金使得键合丝具有良好的抗氧化性能，常温下在空气中不会氧化，因此便于包装和存储。省去了真空包装的较高技术成本，适合普通包装，并且对运输、存储条件要求不高；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，其长度不再受化学变化的限制；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性进行，本发明键合丝不需要无空气保护。三，兼具金和铜两种材料的优势。具有良好的导电性；具有良好的导热性，传热效率较传统键合铜丝更高；机械性质高，抗拉强度较键合金丝大，而且延伸性更好，具有较高的弧线稳定性；金属间生长速度慢，较键合金丝提高了机械稳定性、降低了电阻增加量，提高了键合强度。四，很大程度上提高了芯片频率和可靠性，适应低成本、细间距、高引出端元器件封装的发展，在大批量的高引出端、细间距、小焊区的IC封装工艺中成为替代键合金丝的最佳键合材料。
具体实施例方式实施例1一种铜基键合丝，是由铜丝和包裹于铜丝表面的金层组成的复合材料，材料中铜为基材，其纯度高于99. 99 %，金的质量占比为2 %，金的纯度高于99. 99 %。该键合丝直径为50微米，镀金层的厚度为0. 25微米。铜基键合丝的制备过程为步骤一，预制铜棒胚料。将纯度99. 99%以上的铜料，在真空度0. OOlMpa的熔炉内高温融化，保持熔炼温度为1100°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8毫米的铜棒胚料；步骤二，预制细铜丝。将上述直径为8毫米的铜棒胚料进行粗拔处理，拉伸后加工成直径为1毫米的铜丝，进一步拉伸铜丝至直径为100微米，然后进行固定退火处理；步骤三，清洗。将上述直径为100微米的微细铜丝进行表面清洗，清洗采用超声波技术，清洗介质采用无水酒精。步骤四，微细铜丝表层镀金。将上述微细铜丝进行电镀处理，电镀液为软金电镀液，金的纯度高于99. 99%，电镀电流密度3. OA/dm2,电镀速度控制在16m/min。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2. Sg。步骤六，精制键合丝。将表面镀金处理的微细铜丝进行精细拉拔处理，拉伸至直径为50微米，拉伸速度控制在500米/分钟。步骤七，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65m/min，线间距约为5毫米，分卷长度为50米至1000米。前述预制细铜丝还具体包括以下步骤
一，将直径为8毫米的铜棒胚料采用凝固方式拉制直径为5毫米左右的高纯度单晶铜杆；二，将前述高纯度铜杆冷加工成直径1毫米，拉拔加工率为15% -20%，拉拔速度控制为50m/min，速度上下浮动不超过20% ；三，将前述直径为1毫米的微细铜丝进一步拉拔，拉拔加工率10%，每次速度波动不超过15%，多次拉拔，直至铜丝直径拉至100微米，拉制过程中保持拉丝塔轮、导向轮、收线盘等部件光洁度，特别地，铜丝直径0. 5毫米以上时，磨具表面粗糙系数0. 025，铜丝直径小于0. 5毫米时，磨具表面粗糙系数高于0. 025，拉拔温度为400C左右；四，将前述直径为100微米的微细铜丝进行固定退火处理。所述镀金处理是在上述预制微细铜丝基础上进行。绕线后采取普通包装，包装材料采用普通材料，包装条件为常温常压。实施例2一种铜基键合丝，是由铜丝和包裹于铜丝表面的金层组成的复合材料，材料中铜为基材，其纯度高于99. 99 %，金的质量占比为5 %，金的纯度高于99. 99 %。该键合丝直径为50微米，镀金层的厚度为0. 6微米。该铜基键合丝制备过程为步骤一，预制铜棒胚料。将纯度99. 99%以上的铜料，在真空度0. 008Mpa的熔炉内高温融化，保持熔炼温度为1100°C，精炼时间60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8毫米的铜棒胚料；步骤二，预制细铜丝。将上述直径为10毫米的铜棒胚料进行粗拔处理，拉伸后加工成直径为1毫米的铜丝，进一步拉伸铜丝至直径为100微米，然后进行固定退火处理；步骤三，清洗。将上述直径为100微米的微细铜丝进行表面清洗，清洗采用超声波技术，清洗介质采用无水酒精。步骤四，微细铜丝表层镀金。将上述微细铜丝进行电镀处理，电镀液为软金电镀液，金的纯度高于99. 99%，电镀电流密度1. OA/dm2,电镀速度控制在18m/min。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，精制键合丝。将表面镀金处理的微细铜丝进行精细拉拔处理，拉伸至直径为50微米，拉伸速度控制在550米/分钟。步骤七，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90m/min，线间距约为5毫米，分卷长度为50米至1000米。前述预制细铜丝还具体包括以下步骤一，将直径为10毫米的铜棒胚料采用凝固方式拉制直径为5毫米左右的高纯度单晶铜杆；二，将前述高纯度铜杆冷加工成直径1毫米，拉拔加工率为15% -20%，拉拔速度控制为50m/min，速度上下浮动不超过20% ；三，将前述直径为1毫米的微细铜丝进一步拉拔，拉拔加工率10%，每次速度波动不超过15%，多次拉拔，直至铜丝直径拉至100微米，拉制过程中保持拉丝塔轮、导向轮、收线盘等部件光洁度，特别地，铜丝直径0. 5毫米以上时，磨具表面粗糙系数0. 025，铜丝直径小于0. 5毫米时，磨具表面粗糙系数高于0. 025，拉拔温度为400C左右；四，将前述直径为100微米的微细铜丝进行固定退火处理。所述镀金处理是在上述预制微细铜丝基础上进行。绕线后采取普通包装，包装材料采用普通材料，包装条件为常温常压。本实施例铜基键合丝所示检测报告如表1，与传统键合铜丝比较，新的铜基键合丝抗氧化性能强，金属间(IMC)生长速度慢，提高机械稳定性、降低电阻增加量，IMC生长较为温和，从而提高了键合强度，降低金属间生长速度，提高焊接的可靠性，各项性能更为稳定。表1焊线设备调整参数及拉力检测结果
权利要求
1.一种铜基键合丝，其特征在于该键合丝为铜丝表面镀金的复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种铜基键合丝，其特征还在于所述键合丝基材为铜丝，铜的纯度高于99. 99%。
3.根据权利要求1所述的一种铜基键合丝，其特征还在于所述铜丝表面镀有金层，金的质量占比为2% -10%，金的纯度高于99. 99%。
4.根据权利要求1所述的一种铜基键合丝，其特征还在于所述键合丝表面镀金金层的厚度为0.1微米-2. 5微米。
5.根据权利要求1所述的一种铜基键合丝，其特征还在于所述键合丝长度为50米至 1000 米。
6.根据权利要求1所述的一种铜基键合丝，其制备方法包括如下步骤步骤一，预制铜棒胚料，将纯度99. 99%以上的铜料，在真空度10-2-10-4Mpa的熔炉内高温融化，保持熔炼温度为1100°C，精炼时间50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8-10毫米的铜棒胚料；步骤二，预制细铜丝，将上述直径为8毫米-10毫米的铜棒胚料进行粗拔处理，拉伸后加工成直径为1毫米的铜丝，进一步拉伸铜丝至直径为90-100微米，然后进行固定退火处理；步骤三，清洗，将上述直径为90-100微米的微细铜丝进行表面清洗，清洗采用超声波技术，清洗介质采用无水酒精；步骤四，微细铜丝表层镀金，将上述微细铜丝进行电镀处理，电镀液为软金电镀液，金的纯度高于99. 99%，电镀电流密度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，精制键合丝，将表面镀金处理的微细铜丝进行精细拉拔处理，拉伸至直径为15 微米至75微米，拉伸速度控制在450米/分钟至600米/分钟；步骤七，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，线间距约为5毫米，分卷长度为50米至1000米； 步骤八，包装即得。
7.根据权利要求6所述的铜基键合丝，所述制备预制细铜丝还具体包括以下步骤 步骤一，将直径为8毫米-10毫米的铜棒胚料采用凝固方式拉制直径为4-6毫米的高纯度单晶铜杆；步骤二，将前述高纯度铜杆冷加工成直径0. 8-1. 2毫米，拉拔加工率为15% -20%，拉拔速度控制为50m/min，速度上下浮动不超过20% ；步骤三，将前述直径为0. 8-1. 2毫米的微细铜丝进一步拉拔，拉拔加工率10%，每次速度波动不超过15%，多次拉拔，直至铜丝直径拉至90-110微米，拉制过程中保持拉丝塔轮、 导向轮、收线盘等部件光洁度，其中铜丝直径0.5毫米以上时，磨具表面粗糙系数0. 025，铜丝直径小于0. 5毫米时，磨具表面粗糙系数高于0. 025，拉拔温度为35-45°C ； 步骤四，将前述直径为100微米左右的微细铜丝进行固定退火处理。
8.根据权利要求6所述的铜基键合丝，所述镀金处理是在前述预制微细铜丝基础上进行。
9.根据权利要求6所述的铜基键合丝，其所述铜基键合丝包装采用普通材料包装，包装条件为常温常压。
全文摘要
本发明提供一种铜基键合丝及其制备方法，该键合丝一种铜丝及表面镀金的复合材料，键合丝中金的重量组分为2％--10％，其纯度高于99.99％。该键合丝的制备方法主要包括熔炼、拉制、清洗、镀金、退火、绕线、包装等步骤。该铜基键合丝具有良好抗氧化性、良好的导电性以及低弧度、低硬度、价格低的优点，铜丝采用普通材料包装，在常温差压下可以长期保存，能够适应电子封装低成本、高性能、多功能等发展的需求。
文档编号H01L23/49GK102509724SQ20111031710
公开日2012年6月20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:广东佳博电子科技有限公司