专利名称:绝缘铝线的制作方法
本发明涉及用阳极氧化膜来电气绝缘的铝线。这种导线在微电子技术领域：
内具有许多不同的用途。例如，非常细的铝和金基导线通常用于将集成电路的端子与引线架连接。连接或用楔-楔焊接或是用球-楔焊接来完成。目前在焊接中使用的金线或铝线，都不是绝缘的。然而，对于绝缘的焊接线有着特别的需要，尤其是对于超大规模集成电路，需要用绝缘的焊接线将许多芯片与引线架连接起来。
这种需要的存在是因为裸焊接线从芯片连接至引线架时必须在某种程度上避免导线与导线接触和导线与电路接触。因为导线必须间隔得很大和小心地连成回路，以便将它们与它们的周围隔离，这个要求严格地限制了芯片的可能引线数目。适当地绝缘的焊接线实际上可放宽连成回路和导线间隔的严格几何要求，因为导线与导线和导线与电路接触将不导致电路发生故障。
绝缘导线因为二个原因在焊接中现在不使用。第一，已经知道导线表面上的绝缘材料与导线表面上的灰尘一样严重地损害导线粘合程度。第二，用普通的导线绝缘材料例如塑料，要满意地绝缘非常细的导线已经证明是非常困难的。
联邦德国专利申请DE3335848A公开了一种将绝缘铝线连接到电子电路的接点的方法，该方法涉及使用超声波振动。绝缘铝线简称作阳极化铝线，它包括一条有30至60微米直径的铝芯和一层厚0.1至1微米的氧化铝膜。“氧化铝膜”层理解为密封多孔阳极氧化膜。在我们的处理中，由这种层提供的绝缘层应用于微电子技术已经普遍地证明是不足的。
为了说明构成本发明的改进设计，首先需要简短地讨论阳极氧化的性质。当一个铝质衬底被放置在电解液中而作为阳极时，在表面上形成一氧化膜，藉在金属/氧化物界面上金属转换成氧化物而增加其厚度。根据不同环境，可以形成二种不同的阳极氧化膜ⅰ)当电解液对氧化铝有显著的溶解作用时，形成多孔阳极氧化膜。这包括邻近金属/氧化物界面的一层薄的阻挡层，和一层厚得多的多孔层，在多孔层中有细孔从氧化物/电解液界面扩散到阻挡层。氧化膜的连续生长涉及输送物质上下细孔，而膜的最终厚度主要是取决于阳极氧化的时间。
ⅱ)当使用的电解液对氧化物没有显著的溶解作用时，形成一层非多孔或阳挡层阳极氧化膜。这层膜的厚度主要是取决于阳极氧化电压，而一般是每伏1.0至1.4毫微米。
几乎所有工业的阳极氧化是在得出多孔阳极氧化膜的条件下，使用铬酸、硫酸或草酸进行的。对于大多数用途来说，这些膜中的细孔需要密封，而这通常用膜暴露在沸水里的方法完成，沸水水合表面氧化铝，使其隆起，以便在它们的外端堵塞细孔。氧化铝膜是一个应用于这种密封多孔阳极氧化膜的技术术语。
阻挡层薄膜作为绝缘体被广泛地使用在电解电容器中。本发明建立在发现下列事实上，即非多孔或阻挡层阳极氧化膜能形成在铝线上，这不仅提供良好的绝缘也提供其他有益的特性。一个方面，本发明提供包括阻挡层阳极氧化膜绝缘的绝缘铝线。在合适的环境下，这种绝缘铝线能满足微电子技术工业的需要。然而，借助将部分阻挡层转换为水化氧化铝，能使绝缘性能得到进一步的改善。因此在另一个方面，本发明提供包括一层内部阻挡层阳极氧化膜和一层水合氧化铝外层的二层绝缘的绝缘铝线。这种产品在干燥的环境中显示出绝缘性能的改善，而在潮湿的环境中的性能有较少的不利的影响。
铝线通常的直径范围是从10至1000微米。目前在微电子技术工业中使用的导线，一般的直径是25至30或100至400微米。直径在10微米以下的线不容易制造。在1000微米以上直径的线，可以证明用其他方法绝缘更具吸引力。
导线可以用纯铝或铝合金制造。纯铝可以用在导线的强度不是最重要的地方，而具有能在其上面形成平坦无疵的阳极氧化膜的优点。铝-1%-硅线通常是使用在微电子技术工业中，而能用来制成本发明的绝缘线。但是，它包含硅相粒子，这种粒子在阳极氧化的过程中会在导线的表面上形成缺陷。在多数情况，这种缺陷是无关紧要的。当缺陷有关紧要时，最好采用单相铝合金，例如铝-1%-镁，它较纯铝强度高，而且是用于本发明的最好合金。铝镁合金的附加优点是形成的阳极氧化膜比较脆，可以如下面叙述的帮助焊接。
要达到显著的电气绝缘，阻挡层阳极氧化膜应当至少是0.01微米厚。制造超过约0.3微米厚的阻挡层膜是有困难的，因为在要求的高阳极氧化电压下，电介质会击穿。阻挡层膜的最佳厚度的范围一般是0.1至0.25微米。
如上所指出的，当阻挡层阳极氧化膜被暴露在热或沸水中时，外表面成为水合的且受到相当的膨胀。化学变化是复杂的，但可近似的概括为伽马-Al2O3+H2O→Al2O3·H2O。
所得到的膜有一个二层结构，包括一内阻挡层阳极氧化膜，该膜最好应是从0.01至0.15微米厚，虽然厚度上没有严格的下限;以及一水合氧化铝的外层，该层一般可以从0.01至0.8微米，更一般是从0.1至0.5微米厚。非常薄的水合氧化铝层并不能显著地改善阻挡层膜的绝缘性能。由于有伴生的散裂危险，制造超过0.8微米厚的水合氧化铝层而不完全水合内阻挡层是有困难的。
绝缘线可以在适当的条件下藉阳极氧化铝线形成。电解液在所选阳极氧化条件下是一种对氧化铝并不具有显著溶解作用的电解液。我们发现，可方便地使用一种弱的(以重量计高达5%)酒石酸溶液，以氢氧化铵缓冲至一个从5至7的pH值，但是众所周知，也可以使用其他的酸诸如草酸、柠檬酸和硼酸，而对于这些酸，也有合适的其他的缓冲剂、其他的浓度和其他的pH值范围。阻挡层阳极氧化的技术在例如S.韦尼克(S.Wernick)和R.平纳(R.Pinner)所著的“铝的表面处理”一文中有介绍。
电解液适于放置在大气温度下。施加的电压应当高到足以保证膜迅速生长，而不是高得使膜的介质击穿。电解时间应当足以使阳极膜厚度能接近理论的最大值，而一般可以在15至60秒的范围内。在这些条件下阳极氧化是容易地在连续生产的基础上进行，使导线通过一槽电解液时在导槽上经过，导槽之一还充当电流载体。
阳极氧化以后，导线被冲洗，然后可放在热水里，以便使氧化铝阻挡层的外表面水合。水温一般是至少80℃，但为了避免由于水泡而可能损伤阳极氧化层，水最好不要沸腾。在密封多孔阳极氧化膜的技术中，众所周知，水中可以加添加剂以促进水合作用。氧化铝水合作用的程度尤其取决于其暴露在热水中的持续时间。暴露时间从5或最好从10至120秒，可能得到满意的水合氧化铝层，而完全不破坏内阻挡层阳极氧化膜。
例如，具有0.17微米厚度初生氧化膜的导线，被浸入沸水中约40秒，在余下的0.08微米初生氧化物的上面形成约为0.5微米厚的第二层水合氧化层。
用附图来说明本发明，其中图1 是放大比例的通过本发明部分绝缘铝线的理想剖面图;以及图2 是其端子用细线连结至引线架的微电路的顶视图。
参阅图1，细金属线10是由铝-1%-镁合金制成，在其表面附有包含二层的绝缘。内阻挡层阳极氧化膜12是由大约为内层四倍厚的水合氧化铝外层14覆盖。在阳极氧化过程中，金属变换成氧化物是在金属/氧化物界面16处进行。氧化铝的水合作用是由氧化物/空气或氧化物/液体界面18开始进行。
图2表示一包含由一系列小接点24围着的微电路22的芯片20，各小接点是用细铝线26连接至引线架30上的焊接点28。诸导线大部分是相互平行的，但图中有二对在32交叉，且彼此接触，为此它们需要进行绝缘，以避免发生故障。
线26至相应的接点24、28的焊接是常规地使用楔形头进行，线穿过楔形头在接点上被压下，然后振动以铺开金属线使其粘附于接点上。在线上有绝缘就不能可靠地实现粘附。所以要求绝缘的形式是足够脆，当需要时就能脱落，以便留下裸金属端，该裸金属端能藉楔形接合器铺开而使其粘附于接点。在此叙述的绝缘膜被发现对这用途是足够脆的。的确，在铝镁合金上形成的阳极氧化膜已公知是比较脆。
微电子工业的电阻要求能描绘成如图2中所示在32处以X图样重叠的二线，以致顶线是以足够的力和底线接触且下压底线，使底线弯曲。这样接触的二条线在20伏时导电不应超过10-12安，而绝缘击穿电压应当是在最低数值例如20伏以上，但它取决于指定的用途。
现用下面的例子来说明本发明。
如图的35微米直径铝-1%-镁线是在高氯溶液中用电化学方法洗净和变细(电解抛光)直到其直径为30微米为止。这线的阳极氧化是在室温中以105伏下在具有pH值为6的3%(以重量计)酒石酸/氢氧化铵溶液中进行，以形成大约0.13微米厚的阳挡层阳极氧化膜。在这连续阳极氧化工序期间，在进入溶液之前，将导线拉过一带电滑轮。导线是以40秒的停留时间拉过溶液。
在离开溶液时，导线是在水中冲洗。然后，导线还以35秒的停留时间连续地在98℃的水中拉过。就这样冲洗和水合阻挡层阳极氧化膜。一组样品没有被水合。
这些线的样品，用一些焊接机在厚膜金上被楔焊。楔-楔焊强度大约是15克-优于12克下限以上，该下限是微电子技术工业为高质量器件提出的要求。取决于用途的较低的楔焊强度可低至8克，甚至.25克也可以合格。对水合的和未水合的阻挡层阳极氧化膜两者的接触线间漏电流都是在40伏的条件下测试的。
对于水合的样品，在干燥的氮气中经60秒以后，线对线的漏电流是7×10-13安。对于未水合的样品，在干燥的氮气中经60秒以后，线对线的漏电流是2×10-12安。
权利要求
1.绝缘铝线，其特征在于，绝缘层包括一阻挡层阳极氧化膜。
2.权利要求
1所述的绝缘铝线，其特征在于，阻挡层膜的平均厚度是从0.1至0.25微米。
3.绝缘铝线，其特征在于，绝缘层包括二层，一内阻挡层阳极氧化膜和一水合的氧化铝外层。
4.权利要求
3所述的绝缘铝线，其特征在于，内阻挡层至少是0.01微米，而水合的氧化铝外层是从0.001至0.8微米。
5.权利要求
1至4的任一权利要求
所述的绝缘铝线，其特征在于，导线是由纯铝或一种单相富铝合金制成。
6.权利要求
5所述的绝缘铝线，其特征在于，导线是由一种单相铝/镁合金制成。
7.一种包括至少一个集成电路和至少一个引线架的微电子器件，其特征在于，用权利要求
1至6的任一权利要求
所述的绝缘铝线来进行集成电路和引线架彼此间的连接。
8.一种制造绝缘铝线的方法，其特征在于该方法包括铝线在电解液中经受阳极氧化，该电解液对氧化铝不具有显著的溶解能力，结果是在其上形成一阻挡层阳极氧化膜，然后将阳极氧化的线暴露在热水中，以部分地水合该膜而在其上形成一水合的氧化铝外层。
9.权利要求
8所述的方法，其特征在于，导线是连续地依次通过装有阳极氧化电解液的槽，然后通过热水槽。
专利摘要
本发明提供的绝缘铝线，其绝缘包括或是单层的阳极氧化铝阻挡层(非多孔的)，或是二层，即，一内阻挡层阳极氧化膜和一水合的氧化铝外层。绝缘线可以藉连续地在例如酒石酸的阻挡层电解液中将铝或铝/镁合金进行阳极氧化，然后将阳极氧化的导线暴露在热水中以部分地水合阳极氧化膜而制成。
文档编号H01B7/00GK87100618SQ87100618
公开日1987年8月19日 申请日期1987年2月5日
发明者亚利山大·约瑟夫·奥托, 哈里·商 申请人:艾尔坎国际有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan