电子封装用铜键合线及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种大规模集成电路和半导体器件等电子产品封装用的铜引线材料 及铜键合线制备方法，具体来说是一种用于微电子封装技术的铜键合线及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 作为1C芯片和线路板连接桥梁的键合金属线，是电子器件不可或缺的一种电子 材料，它与硅材料、导电浆料、引线框架材料等一起构成了电子技术中的四大基础结构材 料。
[0003] 集成电路的超大规模化、多功能化及电子器件的小型化，使封装技术正朝多引线 化、高密度化、薄型化、多功能化、高散热性化和高可靠性方向发展，要求更细的键合线进行 小间距、长距离的焊接。金线键合技术已经不能完全满足更小、更高可靠性的高性能要求。 高性能的铜线因其优异的机械、电学、热学性能和低的金属间化合物形成速度，使之在小间 距长距离键合方面比金线更具有优势；晶片的金属化材料由铝等改为铜，也使铜与铜键合 的电子产品具有高更高的可靠性。此外，全球金价的不断上涨，也推动了高性能铜键合线的 应用和推广，以降低封装企业的封装成本，提高经济效益。所以，高性能铜线已成为键合线 研发的重要方向。
[0004] 中国专利文献CN102859672A提供一种高纯度铜合金球焊接引线，通过向纯度为 99. 9985质量％以上的高纯度铜中添加微量的磷（P)，使其重结晶温度比纯度为99. 9999质 量％以上的高纯度铜高的重结晶温度还高，并且球焊接的初始焊球的硬度降低。
[0005] 专利文献CN101626006介绍了一种柔性键合铜丝及其制备方法，由以下组分组 成：CeO. 001%-0. 005%，Pd0. 003%-0. 005%，Pt0. 005%-0. 009%，余量为Cu。通过采取多 元掺杂合金，加入其他成分，降低铜的硬度，特别是成球硬度，减少对芯片的冲击力和破坏， 降低键合能量，阻止了界面氧化物和裂纹的产生，保持其结合性能的稳定，从而提高了结合 性能、导电性和抗氧化性；并通过控制熔铸、加工、热处理条件，进一步优化组织结构，保证 得到合适的机械性能，能够满足不同的需要。
[0006] 中国专利文献CN101524721报道了一种单晶铜键合丝的制备方法，所述的单晶铜 键合丝的原材料为铜，其步骤为：采用高真空炉将纯度高于99. 995 %高纯铜熔化，升温到 1100?1180°C，精炼60?120分钟，整个熔炼过程采用高纯氩气保护，并采用定向凝固方 式拉制<P4?98111111单晶铜杆，然后冷加工至90. 95?9〗.102mm，每道次拉拔加工率为 15?25%，然后分为47?70个道次，采用每道次加工率为7. 59?17. 82%将单晶铜杆拉 制0. 020?0. 05mm，拉丝时温度为35?45°C，将单晶铜键合丝表面采用超声波清洗，将清 洗后的单晶铜键合丝进行热处理。
[0007] 上述专利文献所报道的铜键合线力学性能可以满足电子封装的要求，但铜线的硬 度偏高、抗氧化性能较弱，不利于铜线的存储和打线作业。
[0008] 中国专利文献CN1949493A公布了一种铜键合线，该文献中公布的铜键合线的材 料配方为：铈含量0. 0005 % -0. 001 %，锌或锡含量0. 0003-0. 0008 %，余量为铜，其含量不 低于99. 996%。采用该文献公布的铜线作为键合材料，一方面降低了键合线的价格，另一方 面满足了对高的导电性能及键合线强度的要求，但是该方案中用来提高键合线表面抗氧化 性的金属元素锌或者锡的含量较低，因此抗氧化性能差强人意。
[0009] 为更好地提高铜线的抗氧化性能，中国专利文献CN102130067A公布了一种表面 镀钯的铜键合线，该发明镀钯键合铜丝，包括铜为主组分的铜芯材，以及在所述铜芯材上镀 覆形成的钯层，其特征在于：由铜为主组分的铜芯材添加改善延伸性能的微量金属，经过单 晶熔炼拉伸成铜合金芯线并在表面镀钯后再超细拉伸为表面镀钯键合铜丝。
[0010] 铜线的表面涂覆镀层虽然可以保护铜线不被氧化或者是能提高键合强度，但在表 面钯层施镀过程中，难免出线电镀工艺参数和镀液成分的变化而导致钯镀层出线各种问 题，如：钯镀层厚度的均匀性、钯镀层与铜基体牢固结合以及钯镀层的致密性等。镀钯层一 旦出现问题，将会导致后续拉制过程中金属镀层出现厚薄不均匀现象，影响铜线成球的圆 整性和规则性，严重时则会出线局部铜线无镀钯层现象；再者镀钯铜线在烧球时，易于形成 高钯含量铜合金焊球，提高焊球的硬度，不利于施焊。
[0011] 为更好地解决铜键合线硬度高和抗氧化能力低的问题，还需要采用多元微合金化 的思路，通过改变铜合金的表面组织致密性来提高耐腐蚀抗氧化性能，和降低高含量合金 化元素的强化作用导致的高硬度问题，制备出较现有铜键合线断裂强力更低、延伸率更高、 表面致密度和光洁度更高的铜线。
【发明内容】
[0012] 本发明要解决的技术问题是：提供一种刚性较好、较低焊球硬度、力学性能均匀、 抗氧化性能较好的铜键合线用铜合金材料，并且提供一种适用于本发明铜合金材料制作铜 键合线的制备方法。
[0013] 为此本发明提供一种适合于大规模集成电路和半导体器件等电子封装用的铜键 合线材料及利用该材料制备铜键合线的制备方法，技术方案为：
[0014] 一种适用于大规模集成电路和半导体器件封装用的键合线制造的铜合金，其基础 成分组成及范围为：MgO. 0005?0. 02wt%，SrO. 0005?0,01wt%，余者为Cu、附带的元素 和杂质，且 〇? 〇〇15wt%< Mgwt% +Srwt%< 0? 025wt%，同时杂质总量< 0? 0015wt%。
[0015] 本发明的用于键合线制造的铜合金还可以进一步添加选自附带元素B、Ni、Ca、La 和Li中的至少1种，最多至3种，但所述的附带元素B、Ni、Ca、La和Li等的总添加含量 ^ 0. 4X (Mgwt% +Srwt% )〇
[0016] 利用上述成分铜合金制备铜键合线的方法，其制备流程为：
[0017] a.制备中间合金：分别将硼、镁、锶、镧、钙、锂和镍加入熔化的6N铜溶液中，制备 Cu-B、Cu-Mg、Cu-La、Cu-Li、Cu-Ca、Cu-Sr、Cu-Ni中间合金，并将中间合金轧制成合适厚度 的薄板；
[0018] b.由步骤a所制得的中间合金与6N铜熔化成所需成分的铜合金熔体，并制备铜合 金圆杆；
[0019] c.将步骤b所制得的铜合金圆杆进行致密化冷处理；
[0020] d.将经过所述步骤f处理的铜合金圆杆进行拉制，形成所需尺寸的铜丝；
[0021] e.将所述铜丝在保护气体中进行最终退火处理，复绕分装和保护性包装。
[0022] 本发明的铜键合线的制备方法，所述步骤a和所述步骤b均在真空度不低于l(T2Pa 的条件下进行。
[0023]本发明的铜键合线的制备方法，在所述步骤a和b中，制备所述中间合金和所述铜 合金的熔化熔炼温度维持在ll〇〇_1450°C。
[0024]本发明的铜键合线的制备方法，在所述步骤b中，所述铜合金熔体制备直径5_8mm的铜合金圆杆。
[0025]本发明的铜键合线的制备方法，在所述步骤c中，铜合金圆杆进行低温冷处理致 密化，冷处理温度不高于-50°C，致密化时间低于10小时。。
[0026]本发明的铜键合线的制备方法，所述步骤c中，铜合金圆杆的进行致密化处理，冷 处理温度不高于为-50°C，冷处理时间不少于10小时。
[0027]本发明的铜键合线及铜键合线的制备方法存在以下优点：
[0028] 1.本发明的铜键合线在组分中加入了 Mg、Sr以及B、Ca、La、Li、Ni等元素，改善 了合金的综合性能。具体来说：镁（质量百分含量为〇. 0003% -0. 02% )是铜的强脱氧剂， 适量的镁可以避免铜合金中残存CuO和Cu20夹杂，还可以提高铜合金的抗高温氧化性；微 量锶作为晶界活性元素，优先聚集于晶界，提高晶界的完整性和表面的致密性，增强抗氧原 子侵入内部的能力，同时提高铜键合线熔球时稳定性；铜合金含有微量的硼（质量百分含 量为0. 0003% -0. 01% )，作为活性元素，改善界面致密度，提高铜线表面完整性和光洁度， 同时