一种极微细镀镍铜合金丝及其制作方法
【专利摘要】本发明涉及光能、微电子产业用材料【技术领域】，它公开了一种极微细镀镍铜合金丝及其制作方法，所述极微细镀镍铜合金丝包括极微细铜丝，所述极微细铜丝外设有一层镍膜层，所述极微细铜丝是以高纯铜为主体，添加改性元素熔炼而成。本发明可以防止先镀后拔时，由于内外成分硬度、塑性不同而致拉拔后膜层不均、线材不匀及表面皲裂现象，影响使用性能；同时既可有效防止铜丝氧化，又便于应用中的焊接，与现有镀钯铜丝、镀金铜丝相比，镀镍铜丝可以大大降低材料的成本。
【专利说明】-种极微细锻镇铜合金丝及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光能、微电子产业用材料【技术领域】，尤其涉及到一种极微细锻媒铜合 金丝及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 键合丝（bonding wire)是连接芯片与外部封装基板（substrate)和/或多层线路 板（PCB)的主要连接方式。键合丝发展趋势，从应用方向上主要是线径细微化、高车间寿命 (floor life) W及高线轴长度。
[0003] 典型的半导体器件及L邸芯片的键合引线主体是金线、银线、铜线、锻金线、锻把 线或其合金线，除铜线外，使用的都是贵金属，而单纯的铜线极易氧化；通行的太阳能光伏 电池都是采用丝网印刷银浆作为栅线极，也是贵金属；贵金属因其价格昂贵，成本自是居高 不下，不利于产品的普及推广。而媒、铜相比于上述金、把等贵金属，有天壤之别；锻媒铜丝 不仅价格极其低廉，而且其导电、焊接性能非常优越，是替代贵金属，降低产品成本的最佳 选择。但是10几微米线径的铜丝张力只有不到几个g，非常不利于进行连续的表面热处理； 而铜导电率虽高但极易氧化，必须要经过表面处理才能满足微电子领域的键合所需。媒自 身具有很高的化学稳定性，在空气中与氧作用形成纯化膜，使媒锻层具有良好的抗大气腐 蚀性；但媒离子间空隙大，膜层处理不好，无法包裹母线，起不到抗氧化的作用。
[0004] 中国专利201410333092. 5公开了一种半导体器件用键合铜合金丝，含有下述重 量配比的成分：铜100份，把0.5 - 1.5份，氨0.0005 - 0.002份。该发明还提供上 述合铜合金丝的一种制造方法，包括下述步骤；（0将铜和把烙合成铜把合金烙体，再经过 拉丝处理，获得铜把合金线材；（2)对铜把合金线材进行多道次拉拔，得到铜把合金丝；在 拉拔过程中及拉拔完成后进行退火处理，最后一次退火处理采用氮氨混合气作为退火气氛 ;(3)最后一次退火处理结束后，将铜把合金丝通入己醇水溶液中进行冷却，得到键合铜合 金丝。该发明的键合铜合金丝具有较强的抗氧化能力，在馬气氛下球焊时有较大的结合面 积和较高的结合强度，导电能力强，可靠性高，且制造工艺简单易行。但是该发明使用把比 较昂贵，成本自是居高不下，不利于产品的普及推广。
[0005]
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种极微细锻媒铜合金丝及其制作方法，W高纯铜丝为主 体，添加微量改性元素，在极微细层面进行真空离子锻媒表面处理，W满足微电子领域键合 线及光伏电池电极线所需。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用W下技术方案： 一种极微细锻媒铜合金丝，包括极微细铜丝，所述极微细铜丝外设有一层媒膜层，所述 极微细铜丝是W高纯铜为主体，添加改性元素烙炼而成。
[0008] 进一步的，所述改性元素包括W下含量的原料；5-300ppm Ca，10-100ppm P， 10-500ppm Ag,10-500ppm Au,5-100ppm Y,5-100ppm Zr,10-100ppm In〇
[0009] 进一步的，所述改性元素包括W下含量的原料；100ppm Ca，50ppm P，20ppm Ag， 20ppm Au,lOppm Y,lOppmZr,5ppm In。
[0010] 进一步的，所述极微细铜丝的直径为0. 016mm-0. 018mm，所述媒膜层的厚度为 120-180nm。
[0011] 进一步的，所述高纯铜的纯度为99. 9999%。
[0012] 本发明还公开了一种极微细锻媒铜合金丝的制作方法，包括W下步骤： (1) 铜材提纯；W市售1号纯铜为原料，使用电解-烙炼，再电解-再烙炼的反复提纯工 艺，使铜的S、Ag、Se、Si、Mg、Te等杂质总含量控制在50ppm W下，得到纯度达为99. 9999% 的高纯铜； (2) 制备中间合金体；取步骤（1)得到的高纯铜1000克，加入1000ppmCa、50化pmP、 200ppmAg、200ppmAu、lOOppmY、100ppmZr、50ppmIn的改性元素，分别放入烙炼炉中烙炼成相 应的中间合金体； (3) 连铸单晶铜棒；将步骤（1)得到的高纯铜和步骤（2)得到的中间合金体按各种成分 的最终含量计算所需的量一起放置于连铸炉内，经真空烙炼、定向凝固、拉铸成8mm单晶铜 棒； (4) 拉拔丝材；将步骤（3)得到的8mm单晶铜棒经过粗拉、中拉、细拉、微细拉、极微细拉 拉拔成0. 〇16mm-〇. 018mm的极微细铜丝； (5) 清洗退火；将步骤（4)得到的极微细铜丝进行清洗、退火、风干，备锻覆用； (6) 真空锻媒；将退火后的极微细铜丝绕于6英寸铅轴上，每卷20000米，置于真空锻 膜设备的绕线轴上，W 4Pa/15min的速度抽真空至5X l〇-2Pa，启动离子专用电源，按膜厚 120-180nm，设定5m/min的绕线速度，将极微细铜丝锻覆媒膜层。
[0013] 进一步的，所述极微细锻媒铜合金丝的制作方法还包括W下步骤： (7) 复绕分卷；根据不同用途复绕分卷，包装。
[0014] 本发明与现有技术相比，具有W下优点：本发明不同于现有工艺无法在极微细金 属丝材上进行表面处理，须先粗拉、中锻、再细拔，也不同于现有工艺在铜丝上把或锻金，而 是先将高纯单晶铜丝拉制成0. 016mm-0. 018mm的极小线径，直接进行表面真空离子锻媒 膜，无需再拉拔。本发明与现有技术相比可W防止先锻后拔时，由于内外成分硬度、塑性不 同而致拉拔后膜层不均、线材不匀及表面薇裂现象，影响使用性能；同时既可有效防止铜丝 氧化，又便于应用中的焊接，与现有锻把铜丝、锻金铜丝相比，锻媒铜丝可W大大降低材料 的成本。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合【具体实施方式】对本发明的技术方案作进一步具体说明。
[001引 实施例一： 一种极微细锻媒铜合金丝，包括极微细铜丝，极微细铜丝外设有一层媒膜层，极微细铜 丝是W纯度为99. 9999%的高纯铜为主体，添加改性元素烙炼而成。合金中包含W下含量 的改性元素；5卵m Ca，10卵m P，10卵m Ag，10卵m Au，5卵m Y，5卵m Zr，10卵m In。极微细铜 丝的直径为0. 016mm，媒膜层的厚度为120皿。
[0017] 本实施例一种极微细锻媒铜合金丝的制作方法，包括W下步骤： (1) 铜材提纯；W市售1号纯铜为原料，使用电解-烙炼，再电解-再烙炼的反复提纯工 艺，使铜的S、Ag、Se、Si、Mg、Te等杂质总含量控制在50ppm W下，得到纯度达为99. 9999% 的高纯铜； (2) 制备中间合金体；取步骤（1)得到的高纯铜1000克，加入1000ppmCa、50化pmP、 200ppmAg、200ppmAu、100ppmY、100ppmZ;r、50ppmIn的微量改性元素，分别放入烙炼炉中烙炼 成相应的中间合金体； (3) 连铸单晶铜棒；将步骤（1)得到的高纯铜和步骤（2)得到的中间合金体按各种成 分的最终含量计算所需的量一起放置于连铸炉内，经真空烙炼、定向凝固、拉铸成8mm单晶 铜棒，得到的单晶铜棒中包含W下含量的改性元素；5ppm Ca，10ppm P，10ppm Ag，10ppm Au, 5ppm Y, 5ppm Zr, lOppm In; (4) 拉拔丝材；将步骤（3)得到的8mm单晶铜棒经过粗拉、中拉、细拉、微细拉、极微细拉 拉拔成0. 016mm的极微细铜丝； (5) 清洗退火；将步骤（4)得到的极微细铜丝进行清洗、退火、风干，备锻覆用； (6) 真空锻媒；将退火后的极微细铜丝绕于6英寸铅轴上，每卷20000米，置于真空锻 膜设备的绕线轴上，W 4Pa/15min的速度抽真空至5X l〇-2Pa，启动离子专用电源，按膜厚 120nm，设定5m/min的绕线速度，将极微细铜丝锻覆媒膜层； (7) 复绕分卷；根据不同用途复绕分卷，包装。
[001引 实施例二： 一种极微细锻媒铜合金丝，包括极微细铜丝，极微细铜丝外设有一层媒膜层，极微细铜 丝是W纯度为99. 9999%的高纯铜为主体，添加改性元素烙炼而成。改性元素在合金中的 含量为；100卵m Ca，50卵m P，20ppm Ag，20卵m Au，10卵m Y，10ppmZ;r，5卵m In。极微细铜丝 的直径为0. 018mm，媒膜层的厚度为150皿。
[0019] 作为一种优选，本实施例一种极微细锻媒铜合金丝的制作方法，包括W下步骤： (1) 铜材提纯；W市售1号纯铜为原料，使用电解-烙炼，再电解-再烙炼的反复提纯工 艺，使铜的S、Ag、Se、Si、Mg、Te等杂质总含量控制在50ppm W下，得到纯度达为99. 9999% 的高纯铜； (2) 制备中间合金体；取步骤（1)得到的高纯铜1000克，加入1000ppmCa、5(K)卵mP、 200ppmAg、200ppmAu、lOOppmY、100ppmZr、50ppmIn的微量改性元素，分别放入烙炼炉中烙炼 成相应的中间合金体； (3) 连铸单晶铜棒；将步骤（1)得到的高纯铜和步骤（2)得到的中间合金体按各种成分 的最终含量计算所需的量一起放置于连铸炉内，经真空烙炼、定向凝固、拉铸成8mm单晶铜 棒，得到的单晶铜棒中包含W下含量的改性元素；100ppm Ca，50卵m P，20ppm Ag，20ppm Au, lOppm Y,lOppmZr,5ppm In ； (4) 拉拔丝材；将步骤（3)得到的8mm单晶铜棒经过粗拉、中拉、细拉、微细拉、极微细拉 拉拔成0. 018mm的极微细铜丝； (5) 清洗退火；将步骤（4)得到的极微细铜丝进行清洗、退火、风干，备锻覆用； (6) 真空锻媒；将退火后的极微细铜丝绕于6英寸铅轴上，每卷20000米，置于真空锻 膜设备的绕线轴上，W 4Pa/15min的速度抽真空至5X l〇-2Pa，启动离子专用电源，按膜厚 150nm，设定5m/min的绕线速度，将极微细铜丝锻覆媒膜层； (7)复绕分卷；根据不同用途复绕分卷，包装。
[0020] 实施例S : 一种极微细锻媒铜合金丝，包括极微细铜丝，极微细铜丝外设有一层媒膜层，极微细铜 丝是W纯度为99. 9999%的高纯铜为主体，添加改性元素烙炼而成。改性元素在合金中的 含量为；95ppm Ca，45卵m P，15卵m Ag，15卵m Au，5卵m Y，5卵m Zr，：3ppm In。极微细铜丝的 直径为0. 017mm，媒膜层的厚度为150皿。
[0021] 本实施例一种极微细锻媒铜合金丝的制作方法，包括W下步骤： (1) 铜材提纯；W市售1号纯铜为原料，使用电解-烙炼，再电解-再烙炼的反复提纯工 艺，使铜的S、Ag、Se、Si、Mg、Te等杂质总含量控制在50ppm W下，得到纯度达为99. 9999% 的高纯铜； (2) 制备中间合金体；取步骤（1)得到的高纯铜1000克，加入1000ppmCa、5(K)卵mP、 200ppmAg、200ppmAu、100ppmY、100ppmZ;r、50ppmIn的微量改性元素，分别放入烙炼炉中烙炼 成相应的中间合金体； (3) 连铸单晶铜棒；将步骤（1)得到的高纯铜和步骤（2)得到的中间合金体按各种成分 的最终含量计算所需的量一起放置于连铸炉内，经真空烙炼、定向凝固、拉铸成8mm单晶铜 棒，得到的单晶铜棒中包含W下含量的改性元素；95ppm Ca，45ppm P，15ppm Ag，15ppm Au, 5ppm Y,5ppm Zr,3ppm In ; (4) 拉拔丝材；将步骤（3)得到的8mm单晶铜棒经过粗拉、中拉、细拉、微细拉、极微细拉 拉拔成0. 017mm的极微细铜丝； (5) 清洗退火；将步骤（4)得到的极微细铜丝进行清洗、退火、风干，备锻覆用； (6) 真空锻媒；将退火后的极微细铜丝绕于6英寸铅轴上，每卷20000米，置于真空锻 膜设备的绕线轴上，W 4Pa/15min的速度抽真空至5X l〇-2Pa，启动离子专用电源，按膜厚 150nm，设定5m/min的绕线速度，将极微细铜丝锻覆媒膜层； (7) 复绕分卷：根据不同用途复绕分卷，包装。
[002引 实施例四： 一种极微细锻媒铜合金丝，包括极微细铜丝，极微细铜丝外设有一层媒膜层，极微细铜 丝是W纯度为99. 9999%的高纯铜为主体，添加改性元素烙炼而成。改性元素在合金中的 含量为；200卵m Ca，50 卵m P，300卵m Ag，300卵m Au，50卵m Y，80卵m Zr，80卵m In。极微 细铜丝的直径为0. 016mm，媒膜层的厚度为130皿。
[0023] 本实施例一种极微细锻媒铜合金丝的制作方法，包括W下步骤： (1) 铜材提纯；W市售1号纯铜为原料，使用电解-烙炼，再电解-再烙炼的反复提纯工 艺，使铜的S、Ag、Se、Si、Mg、Te等杂质总含量控制在50ppm W下，得到纯度达为99. 9999% 的高纯铜； (2) 制备中间合金体；取步骤（1)得到的高纯铜1000克，加入1000ppmCa、50化pmP、 200ppmAg、200ppmAu、lOOppmY、100ppmZr、50ppmIn的微量改性元素，分别放入烙炼炉中烙炼 成相应的中间合金体； (3) 连铸单晶铜棒；将步骤（1)得到的高纯铜和步骤（2)得到的中间合金体按各种成分 的最终含量计算所需的量一起放置于连铸炉内，经真空烙炼、定向凝固、拉铸成8mm单晶铜 棒，得到的单晶铜棒中包含W下含量的改性元素；200ppm Ca，50 ppm P，300ppm Ag，300ppm Au,50ppm Y,80ppm Zr,80ppm In; (4) 拉拔丝材；将步骤（3)得到的8mm单晶铜棒经过粗拉、中拉、细拉、微细拉、极微细拉 拉拔成0. 016mm的极微细铜丝； (5) 清洗退火；将步骤（4)得到的极微细铜丝进行清洗、退火、风干，备锻覆用； (6) 真空锻媒；将退火后的极微细铜丝绕于6英寸铅轴上，每卷20000米，置于真空锻 膜设备的绕线轴上，W 4Pa/15min的速度抽真空至5X l〇-2Pa，启动离子专用电源，按膜厚 130nm，设定5m/min的绕线速度，将极微细铜丝锻覆媒膜层； (7) 复绕分卷：根据不同用途复绕分卷，包装。
[0024] 实施例五： 一种极微细锻媒铜合金丝，包括极微细铜丝，极微细铜丝外设有一层媒膜层，极微细铜 丝是W纯度为99. 9999%的高纯铜为主体，添加改性元素烙炼而成。改性元素在合金中的 含量为；300卵m Ca，100卵m P，500卵m Ag，500卵m Au，100卵m Y，100卵m Zr，100卵m In。极 微细铜丝的直径为0. 018mm，媒膜层的厚度为180皿。
[00巧]本实施例一种极微细锻媒铜合金丝的制作方法，包括W下步骤： (1) 铜材提纯；W市售1号纯铜为原料，使用电解-烙炼，再电解-再烙炼的反复提纯工 艺，使铜的S、Ag、Se、Si、Mg、Te等杂质总含量控制在50ppm W下，得到纯度达为99. 9999% 的高纯铜； (2) 制备中间合金体；取步骤（1)得到的高纯铜1000克，加入1000ppmCa、50化pmP、 200ppmAg、200ppmAu、100ppmY、100ppmZ;r、50ppmIn的微量改性元素，分别放入烙炼炉中烙炼 成相应的中间合金体； (3) 连铸单晶铜棒；将步骤（1)得到的高纯铜和步骤（2)得到的中间合金体按各种成分 的最终含量计算所需的量一起放置于连铸炉内，经真空烙炼、定向凝固、拉铸成8mm单晶铜 棒，得到的单晶铜棒中包含W下含量的改性元素；300ppm Ca，100ppm P，500ppm Ag，500ppm Au,100卵m Y,100卵m Zr,100卵m In ; (4) 拉拔丝材；将步骤（3)得到的8mm单晶铜棒经过粗拉、中拉、细拉、微细拉、极微细拉 拉拔成0. 018mm的极微细铜丝； (5) 清洗退火；将步骤（4)得到的极微细铜丝进行清洗、退火、风干，备锻覆用； (6) 真空锻媒；将退火后的极微细铜丝绕于6英寸铅轴上，每卷20000米，置于真空锻 膜设备的绕线轴上，W 4Pa/15min的速度抽真空至5X l〇-2Pa，启动离子专用电源，按膜厚 180nm，设定5m/min的绕线速度，将极微细铜丝锻覆媒膜层； (7) 复绕分卷；根据不同用途复绕分卷，包装。
[0026] 将上述制造的极细锻媒铜合金丝，取样100mm，W lOmm/min速度在强力测试仪上 测得的丝线断裂负荷和延伸率及在电阻仪上测得的电阻率如下表所示。
【权利要求】
1. 一种极微细锻媒铜合金丝，其特征在于，包括极微细铜丝，所述极微细铜丝外设有一 层媒膜层，所述极微细铜丝是W高纯铜为主体，添加改性元素烙炼而成。
2. 根据权利要求1所述的极微细锻媒铜合金丝，其特征在于，所述高纯铜添加W下 含量的改性兀素：5-300卵m Ca, 10-100卵m P, 10-500卵m Ag, 10-500卵m Au, 5-100卵m Y, 5-lOOppm Zr,10-100ppm In〇
3. 根据权利要求2所述的极微细锻媒铜合金丝，其特征在于，所述高纯铜添加W下含 量的改性元素；1〇〇卵m Ca，50卵m P，20卵m Ag，20卵m Au，10ppm Y，10卵mZr，5ppm In。
4. 根据权利要求1所述的极微细锻媒铜合金丝，其特征在于，所述极微细铜丝的直径 为0. 016mm-0. 018mm，所述媒膜层的厚度为120-180皿。
5. 根据权利要求1所述的极微细锻媒铜合金丝，其特征在于，所述高纯铜的纯度为99. 9999%〇
6. -种权利要求1至5之一所述的极微细锻媒铜合金丝的制作方法，其特征在于，包括 W下步骤： (1) 铜材提纯；W市售1号纯铜为原料，使用电解-烙炼，再电解-再烙炼的反复提纯工 艺，使铜的S、Ag、Se、Si、Mg、Te等杂质总含量控制在50ppm W下，得到纯度达为99. 9999% 的高纯铜； (2) 制备中间合金体；取步骤（1)得到的高纯铜1000克，加入1000ppmCa、5(K)卵mP、 200ppmAg、200ppmAu、lOOppmY、100ppmZr、50ppmIn的改性元素，分别放入烙炼炉中烙炼成相 应的中间合金体； (3) 连铸单晶铜棒；将步骤（1)得到的高纯铜和步骤（2)得到的中间合金体按各种成分 的最终含量计算所需的量一起放置于连铸炉内，经真空烙炼、定向凝固、拉铸成8mm单晶铜 棒； (4) 拉拔丝材；将步骤（3)得到的8mm单晶铜棒经过粗拉、中拉、细拉、微细拉、极微细拉 拉拔成0. 〇16mm-〇. 018mm的极微细铜丝； (5) 清洗退火；将步骤（4)得到的极微细铜丝进行清洗、退火、风干，备锻覆用； (6) 真空锻媒；将退火后的极微细铜丝绕于6英寸铅轴上，每卷20000米，置于真空锻 膜设备的绕线轴上，W 4Pa/15min的速度抽真空至5X l〇-2Pa，启动离子专用电源，按膜厚 120-180nm，设定5m/min的绕线速度，将极微细铜丝锻覆媒膜层。
7. 根据权利要求6所述的极微细锻媒铜合金丝的制作方法，其特征在于，还包括W下 步骤： (7) 复绕分卷；根据不同用途复绕分卷，包装。
【文档编号】H01L21/48GK104465587SQ201410727136
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月4日 优先权日:2014年12月4日
【发明者】程平, 李明, 郑东风 申请人:安徽华晶微电子材料科技有限公司