专利名称：防氧化铜基键合丝的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及键合丝技术，特别是一种防氧化铜基键合丝。
背景技术：
随着科技的进步，电子行业快速发展。上至宇宙探索，下至人们的日常生活，都离不开电子产品。电子行业高速发展的基础，是集成电路的产生。而生产集成电路的过程，称为半导体封装。世界半导体封装的四大基础材料为芯片、键合丝、框架、塑封料。目前，全球半导体产品的年产值已超过3000亿美元，其中键合丝的产值仅次于芯片；键合丝(bonding wire，又称球焊丝或引线丝)作为封装用内引线，是集成电路和半导体分立器件的制造过程中必不可少的基础材料之一。键合丝行业产值以平均每年9 21%的速度高速发展，具有广阔的发展前景。而且，这个产品领域的技术创新层出不穷。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(键合合金线、键合合金丝)、金键合丝、铝键合丝、铜键合丝等。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。这些现有产品的优点和技术缺陷如下一、键合合金线键合合金线(又称键合合金丝、合金丝、合金线)的主要材料为银，纯度彡99. 9%, 是新兴的键合丝，是一种具备优异电气、导热、机械性能以及化学稳定性极好的内引线材料。键合合金线出现的目的，就是为了替代传统的键合金丝，同时可阻止键合铜丝的扩张。键合合金线具有如下优点键合合金线的材料成本低，可相对于键合金丝大大降低单位封装成本，提高半导体产品的竞争优势；键合合金线的导电性好，金焊线为4.5510E7/0hm，相比之下，合金焊线为 6.2810E7/0hm ；键合合金线的微间距封装效果好，为了提高电路密度，键合合金线在微间距封装中可采用更细的焊线，微间距应用性能更加优异，焊垫尺寸较小；相对于键合金丝，键合合金线能提高功率调节器件(T0220、T092、DPAK等等)的电流容量和性能；键合合金线的导热性好，传热效率更高，键合金丝为31. lkW/m2K，键合合金线为 42. 3kff/m2K ；键合合金线的机械性质高，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；键合合金线的金属间(IMC)生长速度慢，能提高机械稳定性、降低电阻增加量； IMC生长较为温和，从而提高了键合强度；键合合金线的的焊点效果好，与键合金丝的焊点相比，键合合金线焊点中的金属间生长速度显著减小。这显著地降低了电阻、减小了产热，并最终提高了焊接可靠性和器件性能；由于键合合金线中的金属间生长速度、电阻和产热均低于键合金丝，其电阻随时间的增加量和老化速度同时得到减小。目前，键合合金线已广泛应用在LED制造，IC封装等行业，部分替代了键合金丝。 但是，键合合金线容易氧化，只能部分地替代键合金丝；因此，键合金丝仍占键合丝市场约 70 %的市场份额，键合合金线约占30 %。除了上述缺点，现有的键合合金线还存在很多不足之处，主要是1、键合合金线烧球后瞬间氧化，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；2、键合合金线很容易氧化，在储存时，环境条件受限更大。现有的键合合金线采用真空包装，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，合金线就会因氧化而失效。同时，在设备上开始使用时，键合合金线就已开始氧化，单轴长度只能使用最长 200m的键合合金线，若超过200m，后面部份的键合合金线就会因氧化而失效。因为键合合金线的用时线短，所以必须增加换线次数，这大大降低了半导体封装过程中的键合生产效率。二、键合金丝键合金丝的主要材料为黄金，纯度在99% -99. 99%之间，是传统的键合线，目前在键合丝的使用中占有主导地位。键合金丝的主要优点是拥有良好的导电性及抗氧化性； 具有卓越的成弧稳定性及显著的键合性能。在现有键合丝应用技术中，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，这个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。 随着黄金价格的高抬，键合金丝价格继续走高。由于世界经济的影响，企业产品利润空间降低，生存空间压力增大，致使企业必须挖掘潜力，降低生产成本，寻找新的键合线，替代键合金丝。此外，键合金丝强度偏低，这也降低了其应用价值。键合金丝容易产生有害的金属间化合物。这些金属间化合物晶格常数不同，力学性能和热性能也不同，反应时会产生物质迁移，从而在交界层形成可见的柯肯德尔空洞，使键合处产生空腔，电阻急剧增大，破坏了集成电路的欧姆联结，导电性严重破坏或产生裂缝，易在此引起器件焊点脱开而失效。键合金丝的耐热性差，金的再结晶温度较低，导致高温强度较低。球焊时，焊球附近的金丝由于受热而形成再结晶组织，若金丝过硬会造成球颈部折曲；焊球加热时，金丝晶粒粗大化会造成球颈部断裂。键合金丝还容易造成塌丝现象和拖尾现象，这会严重影响键合的质量。三、铝键合丝铝键合丝是一种低成本的键合丝。国内外很多科研单位都在通过改变生产工艺来
4生产各种替代金丝的铝键合丝。现有的铝键合丝往往包含分布均勻的Si，99.99%的高纯度铝，机械特性稳定，没有卷曲，污染，表面缺陷等；键合时环的形状良好，颈部断丝现象少，沾接强度高。但是，现有的铝键合丝在球焊时加热易氧化，生成一层很硬的氧化膜，这个膜会阻碍球的形成，而球形的稳定性是铝键合丝键合强度的主要特性。实验证明，键合金丝球焊在空气中焊点圆度高；铝键合丝球焊由于表面氧化的影响，空气中焊点圆度低。铝键合丝的拉伸强度和耐热性不如金丝，容易发生引线下垂和塌丝；同轴铝键合丝的性能不稳定，特别是伸长率波动大，同批次产品的性能相差大 ’产品成材率低，表面清洁度差，较易在键合处产生疲劳断裂。四、键合铜丝国内外对铜引线键合丝(键合铜丝)的研究已持续多年，研究目标主要是用它替代键合金丝。这种替换最主要的驱动力来自于当今半导体行业的一些显著变化直接影响到IC互连技术，其中有3大因素推动着互连技术的发展。第1是器件出现了芯片基板由铝金属化向铜金属化的转变；第2是芯片基板的铜金属化可以使电路密度更高，器件的密度增大、功能增强。这就需要焊区焊点极小的细间距、高引出端数的封装来满足上述要求。第 3是成本，目前金丝键合长度超过5mm，引线数达到400以上，封装成本超过0. 20美元。采用铜丝键合新工艺不但能降低器件制造成本，而且其互连强度比金丝还要好。 它推动了低成本、细间距、高引出端数器件封装的发展。键合丝对于高速器件的新型封装设计来说，在封装市场上选择短铜丝键合且间距小于50 μ m的铜焊区将成为倒装焊接工艺强有力的竞争对手。随着微电子行业新工艺和新技术的出现及应用，对封装尺寸和型式都有更高、更新的要求。首先是要求键合丝更细，封装密度更高而成本更低。一般在细间距的高级封装中，引出端达500个，金丝键合长度大于5mm，其封装成本在0. 2美元以上。与以前相比，丝焊的价格成为封装中的重要问题。由此，在经过新工艺如新型EFO (电子灭火)、0P2(抗氧化工艺)及MRP(降低模量工艺)的改进后，使铜丝键合比金丝键合更牢固、更稳定。尤其是在大批量的高引出数、细间距、小焊区的IC封装工艺中，成为替代金丝的键合材料之一。早在20世纪末，铜丝球焊工艺就作为一种降低成本的方法应用于晶片上的铝焊区金属化。但在当时行业的标准封装形式为18 40个引线的塑料双列直插式封装(塑料 DIP)，其焊区间距为150 200 μ m，焊球尺为100 125 μ m，丝焊的长度很难超过3mm。所以在大批量、高可靠的产品中，金丝球焊工艺要比铜丝球焊工艺更稳定更可靠。然而，随着微电子行业新工艺和新技术的出现及应用，当今对封装尺寸和型式都有更高、更新的要求。 首先是要求键合丝更细，封装密度更高而成本更低。因此，铜键合丝又引起了人们的重视。有些企业发明了用单晶铜制作键合铜丝的工艺，其键合铜丝产品部分地解决了线径太小，容易氧化的问题。这些产品具有良好的力学性能，较高的破断力，较好的伸长率，以及较好的键合力。现有的铜键合丝还具有较好的电学性能，封装材料的电学性能直接决定了芯片的性能指标，随着芯片频率不断提高，对封装中的导体材料的电性能提出了更高的要求。铜的电导率比金高出近40%，比铝高出近2倍。现有的铜键合丝还具有较好的热学性能，键合铜丝的热学性能显著优于金和铝，因此能够以更细的焊丝直径达到更好的散热性能及更高的额定功率。随着芯片密度的提高和体积的缩小，芯片制造过程中的散热是设计和工艺考虑的一个重要内容。在常用封装材料中，铜比金和铝的传热性能都要好，被广泛地用于电子元器件的生产制造中。在对散热要求越来越高的高密度芯片封装工艺中，选取铜线来代替金线和铝线非常有价值。而且，铜的热膨胀系数比铝低，因而其焊点的热应力也较低，大大提高了器件的可靠性。现有的铜键合丝还具有较稳定的性能，铜键合丝金属间化合物生长速度慢。与金丝焊点相比，键合铜线焊点中的金属间化合物生长速度显著减小。这可降低电阻增加量，减小产热，提高器件可靠性。键合铜丝的价格优势较键合金丝非常明显，抗拉强度也有所提升，但是键合铜丝还存在很多不足之处，主要问题为采用铜丝键合，企业必须在真空或有保护气氛的环境下进行，以防止铜球、铜丝氧化。这需要企业购置新型焊机或对原有设备实行大规模的改造实现。此外，铜的硬度、屈服强度等物理参数比金和铝更高，键合时需要施加更大的超声能量和键合压力，容易对半导体芯片造成损伤，甚至造成不可挽回的破坏。因此，键合铜丝对键合设备、工艺的要求更高。这影响了键合铜丝的推广。现有技术还具有如下缺陷其一、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、健合铜线很容易氧化，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。如何克服现有键合铜丝的技术缺陷，提高其抗氧化能力、键合强度，这是本领域没有克服的技术难题。
发明内容本实用新型针对现有技术在实际应用中存在的技术瑕疵，提供一种铜键合丝的新型产品。本实用新型所采取的技术方案是，一种铜键合丝，由铜丝和包裹于铜丝外部的金层组成，铜丝直径为0. 02毫米一0. 075毫米，电镀金层厚度为0. 1微米至0. 5微米，所述金层被电镀到所述铜丝的外部。键合铜丝材料中各成分重量组分为铜>=99%;金<=1%。所述铜基键合丝直径优选为0. 03毫米一0. 06毫米，再优选为0. 03毫米一0. 04毫米。所述金层厚度优选为 0. 1微米至0. 4微米，在优选为0. 1微米至0. 3微米，更优选为0. 1微米至0. 2微米。所述铜基键合丝的制备步骤如下步骤一，熔炼、拉制8毫米铜棒。采用高真空度熔炉，真空度达到10_2--10_4Mpa，将高纯度铜融化，铜的纯度高于99. 99%,升温至1100°C精炼50分钟以上，熔炉过程采用高纯度氩气保护，最后采用凝固方式拉制直径为8毫米的铜棒。步骤二，拉制微细丝。即对铜棒进行拉丝加工，先将高纯度的8毫米铜棒进行冷加
6工，加工至直径0. 9毫米至1. 1毫米铜丝，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45米/分钟至60米/分钟内；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. 02毫米一0. 075毫米，拉制速度控制在400 米/分钟至600米/分钟。步骤三，清洗微细丝。采用无水酒精介质，利用超声波技术进行微细丝表面清洗， 超声波频率为25KHz—40KHz。步骤四，镀金处理。采用专用的线式设备对微细丝进行电镀处理，将金镀于铜丝表面，调节电流控制电镀速度，以及镀层厚度，金层的厚度为0. 1微米至0. 5微米。步骤五，退火处理。将镀金处理的键合丝在退火设备上进行热处理，热处理在氮气保护环境下进行，热处理温度为410°C -425°C，处理时间控制在0. 7S-2. 1S，控制退火时张力大小2.5g以内。
步骤六，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。长度可为50米、200米、300米、500米、1000米不等。步骤七，包装。因上述铜基键合丝具有防氧化镀层，所以采用普通包装，不必真空包装即可进行常温保存。本实用新型的有益效果是第一，价格优势。本实用新型的重要材质是铜，较键合金丝的成本大大降低，为企业创造了利润空间，提高了企业的竞争力。第二，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，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，而本实用新型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，本实用新型键合丝不需要无空气保护。第三，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。
图1为本实用新型的产品构造图。
具体实施方式
实施例一一种防氧化的铜基键合丝，由铜丝和包裹于铜丝外部的金层组成，铜丝直径为 0.035毫米，电镀的外部金层厚度为0. 15微米。材料中各成分重量组分为铜为99%;金为1%。其制备过程为a、在真空度达到ICT2--IO-4Mpa的高真空度熔炉内，将纯度高于99. 99%的高纯度铜融化，升温至1150°C精炼60分钟，熔炉过程采用高纯度氩气保护，最后采用凝固方式拉制直径为8毫米的铜棒。b、对铜棒进行拉丝加工，先将上述高纯度的8毫米铜棒进行冷加工，加工至直径 1. 0毫米铜丝，然后进行拉拔处理，每次加工率为15%，每次拉拔速度控制在45米/分钟至 60米/分钟内；然后经过以下相似过程多次处理，采用每次加工率为10%，将前述铜丝加工至直径0. 04毫米，拉制速度控制在400米/分钟至600米/分钟。C、采用无水酒精介质，利用超声波技术进行微细丝表面清洗，超声波频率为 25KHZ—40KHzod、采用专用的线式设备对微细丝进行电镀处理，将金镀于铜丝表面，调节电流控制电镀速度，以及镀层厚度，金层的厚度为0. 2微米。e、将镀金处理的键合丝在退火设备上进行热处理，热处理在氮气保护环境下进行，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. 5g以内。f、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，长度为500米。g、采用普通包装，常温保存。实施例二如附图1所示，本实施例公开了一种防氧化的铜基键合丝，由铜丝(101)和包裹于铜丝外部的金层(10 组成，铜丝直径为0. 07毫米，电镀的外部金层厚度为0. 2微米。材料中各成分重量组分为铜为99. 2% ；金为0. 8%。其制备过程为a、在真空度达到KT2--IO-4Mpa的高真空度熔炉内，将纯度高于99. 99%的高纯度铜融化，升温至1160°C精炼60分钟，熔炉过程采用高纯度氩气保护，最后采用凝固方式拉制直径为8毫米的铜棒。b、对铜棒进行拉丝加工，先将上述高纯度的8毫米铜棒进行冷加工，加工至直径 0. 8毫米铜丝，然后进行拉拔处理，每次加工率为15%，每次拉拔速度控制在45米/分钟至 60米/分钟内；然后经过以下相似过程多次处理，采用每次加工率为10%，将前述铜丝加工至直径0. 05毫米，拉制速度控制在400米/分钟至600米/分钟。C、采用无水酒精介质，利用超声波技术进行微细丝表面清洗，超声波频率为 25KHZ—40KHzod、采用专用的线式设备对微细丝进行电镀处理，将金镀于铜丝表面，调节电流控制电镀速度，以及镀层厚度，金层的厚度为0. 2微米。e、将镀金处理的键合丝在退火设备上进行热处理，热处理在氮气保护环境下进行，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. 5g以内。f、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，长度为500米。g、采用普通包装，常温保存。实施例三一种防氧化的铜基键合丝，由铜丝和包裹于铜丝外部的金层组成，铜丝直径为 0. 05毫米，电镀的外部金层厚度为0. 3微米。如附图1至3及表1所示检测报告，其中，各图的图(a)为传统键合铜丝，图(b)为新键合铜丝。与传统键合铜丝比较，新的铜基键合丝抗氧化性能强，焊接成弧好，对焊接要求低，成球小，焊接后无氧化现象。[0087]表1焊线设备调整参数及接力检测结果
权利要求1.一种防氧化铜基键合丝，由铜丝和包裹于铜丝外部的金层组成，铜丝直径为0. 02毫米一0. 075毫米，电镀的外部金层厚度为0. 1微米至0. 5微米，所述金层被电镀到所述铜丝的外层。
2.根据权利要求1所述的防氧化铜基键合丝，其特征在于，所述铜基键合丝直径为 0. 03毫米—0. 06毫米。
3.根据权利要求1所述的防氧化铜基键合丝，其特征在于，所述铜基键合丝直径为 0. 03毫米一0. 04毫米。
4.根据权利要求所述的防氧化铜基键合丝，其特征在于，所述金层厚度为0.1微米至 0.4微米。
5.根据权利要求1所述的防氧化铜基键合丝，其特征在于，所述金层厚度为0.1微米至 0. 3微米。
6.根据权利要求1所述的防氧化铜基键合丝，其特征在于，所述金层厚度为0.1微米至 0.2微米。
7.根据权利要求1至6的任一项所述的防氧化铜基键合丝，其特征在于，所述铜基键合丝定长绕制在线轴上，所述铜基键合丝长度为50米至1000米。
8.根据权利要求7所述的防氧化铜基键合丝，其特征在于，所述铜基键合丝定长为50米。
9.根据权利要求7所述的防氧化铜基键合丝，其特征在于，所述铜基键合丝定长为200米。
10.根据权利要求7所述的防氧化铜基键合丝，其特征在于，所述铜基键合丝定长为 300 米。
专利摘要本实用新型提供一种防氧化铜基键合丝，该键合丝由铜丝和包裹于铜丝外部的金层组成，铜丝直径为0.02毫米--0.075毫米，电镀金层厚度为0.1微米至0.5微米，所述金层被电镀到所述铜丝的外部。所述产品的制备过程主要包括熔炼、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，铜丝采用普通包装，在常温下可以长期保存，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H01L23/49GK201975388SQ20102068132
公开日2011年9月14日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者周钢, 薛子夜, 赵碎孟 申请人:广州佳博金丝科技有限公司, 浙江佳博科技股份有限公司