一种ic封装用超软键合丝及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及IC封装的键合丝材料，尤其涉及一种IC封装用超软键合铜丝及其制 造方法。
【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)以及高线轴长度的产品，从化学成分上，主要有铜线（包括裸铜线、镀钯铜 线、闪金镀钯铜线）在半导体领域大幅度取代金线，而银线和银合金线在LED以及部分IC 封装应用上取代金线。
[0003] 相对于金线，铜线主要的优势是：1、产品成本低；2、线材机械强度高，在形成loop 后的灌胶的过程中抗冲击能力强，减少了线材的晃动（wire swe印），更适合于细间距封装； 3、导电性高（电阻率：铜1. 69 ;金2. 2*10_60hm cm) ;4、与Al-Au共晶相比较，Al-Cu共晶相 的生长速率低许多，所以可靠性大幅度提升。
[0004] 但是铜线有以下问题：1、线材容易氧化；2、线材硬度高，在打线时容易对IC造成 损伤；3、焊线工作窗口需要拓宽，其中一个方面的具体表现为产品由于氧化和硫化的原因 导致铜线的车间寿命（floor life)低。
[0005] 对于铜线容易氧化的问题，业界普遍采用Forming gas(5% H2+95% N2)来完成铜 线成球过程，但出于成本原因，更多的企业希望采用纯氮气来生产。
[0006] 对于铜线相对金线硬度高的问题，业界有三种方法：1、采用银及其合金线材的趋 势；2、强化IC Pad下材料的机械性能，从而保护Pad下的电子线路；3、采用软铜线（主要是 高纯度的铜线）。
[0007] 对于焊线工作窗口的拓宽和车间寿命提升，业界普遍采用表面镀钯的铜线。日本 Tanaka公司在中国申请的专利CN200980100723公开了这种方法，然而该方法采用镀Pd工 艺，不仅会增加产品成本，还会使铜线的硬度也进一步增加。
[0008] 此外，铜线在半导体行业中的应用还出现了以下几个问题：
[0009] 1、由于打线速度越来越快，增加了线材与瓷嘴的摩擦，因此使线材表面刮伤情况 有所增加，并造成间接影响产品的可靠性；
[0010] 2、在高线轴长度的产品的开发中如何保证线材优异的放线性能，避免卡线情况的 发生而造成放线不畅影响生产；
[0011] 3、随着封装技术的小型化，大量的采用Mulit-Chip Module(MCM)的封装形式，而 其中的悬空打线（overhang)对线材的软度提出了更高要求，通常采用金线来完成，因为当 采用常规铜线时，由于打线的参数过大容易造成芯片的弯曲，从而变形球真圆度变差，产生 打球不稳定等问题；此外，该悬空打线亦对线材的操作窗口的提升提出了更高的要求。
【发明内容】
[0012] 本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或 者可通过实践本发明而学习。
[0013] 为克服现有技术的问题，本发明提供一种IC封装用超软键合丝及其制造方法，采 用氧含量为0~5ppm，鹤含量为0· 1~2ppm，硫含量为1~lOppm，磷含量为4~200ppm， 余量为高纯铜的线材，从而具有超软、抗氧化、抗刮伤、放线顺畅等特点。
[0014] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
[0015] 根据本发明的一个方面，提供一种IC封装用超软键合丝，其特征在于，线材中的 氧含量为〇~5ppm，鹤含量为0· 1~2ppm，硫含量为1~lOppm，磷含量为4~200ppm，余 量为高纯铜。
[0016] 根据本发明的一个实施例，还包括银，含量为8~250ppm。
[0017] 根据本发明的一个实施例，该银的纯度在99. 99%以上。
[0018] 根据本发明的一个实施例，在该线材外表面还设有有机涂层，该有机涂层的成分 包括：有机胺、阳离子表面活性剂与非离子表面活性剂的复配物。
[0019] 根据本发明的一个实施例，该有机胺选自单乙醇胺、双乙醇胺、三乙醇胺、单甲胺、 双甲胺、三甲胺、咪唑、苯并三氮唑中的至少一种；该阳离子表面活性剂选自氯化十六烷基 三甲基铵、氯化十八烷基三甲基铵、含硫阳离子表面活性剂中的至少一种；该非离子表面活 性剂选自辛基酚聚氧乙烯醚，月桂醇聚氧乙烯醚中的至少一种。
[0020] 根据本发明的一个实施例，该有机涂层的厚度为0. 2~2. 5nm。
[0021] 根据本发明的一个实施例，该高纯铜的纯度为4N以上。
[0022] 根据本发明的另一个方面，提供一种IC封装用超软键合丝的制造方法，其特征在 于，包括：
[0023] S1、将原料按预定的比例进行熔炼，得到氧含量为0~5ppm，钨含量为0. 1~ 2ppm，硫含量为1~lOppm，磷含量为4~200ppm，余量为高纯铜的线材；
[0024] S2、将该线材行多次拉丝，并在多次拉丝过程中对该线材进行退火处理，得到直径 为18~50um的键合丝；
[0025] S3、对该直径为18~50um的键合丝进行最后一次退火处理。
[0026] 根据本发明的一个实施例，在该步骤Sl中得到的线材还包括银，含量为8~ 250ppm〇
[0027] 根据本发明的一个实施例，还包括步骤S4,将完成最后一次退火处理的键合丝浸 入并通过盛有机涂层溶液的槽，在该键合丝外表面形成厚度为0. 2~2. 5nm的有机涂层。
[0028] 根据本发明的一个实施例，在该步骤S2或S3中，进行该退火处理时，退火温度 450~600°C，退火炉有效长度为600mm，退火速度为50~100m/min。
[0029] 根据本发明的一个实施例，该有机涂层溶液的组份按重量百分比计包括：有机溶 剂15~30%，水60~70%，有机胺5~18%，阳离子表面活性剂与非离子表面活性剂的复 配物 0· 005 ~0· 2%。
[0030] 根据本发明的一个实施例，该有机溶剂为选自乙醇、异丙醇中的至少一种；该有机 胺选自单乙醇胺、双乙醇胺、三乙醇胺、单甲胺、双甲胺、三甲胺、咪挫、苯并三氮唑中的至少 一种；该阳离子表面活性剂选自氯化十六烷基三甲基铵、氯化十八烷基三甲基铵、含硫阳离 子表面活性剂中的至少一种；该非离子表面活性剂选自辛基酚聚氧乙烯醚，月桂醇聚氧乙 烯醚中的至少一种。
[0031] 通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内 容。
【附图说明】
[0032] 下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会 更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义 上的限制，在附图中：
[0033] 图1为本发明实施例的IC封装用超软键合丝制造方法的流程示意图。
[0034] 图2为本发明实施例的FAB Vicker Hardness压痕图片。
[0035] 图3为本发明键合丝与标准4N铜线在第一焊点工作窗口的比较
【具体实施方式】
[0036] 本发明提供一种IC封装用超软键合丝，其特征在于，线材中的氧含量为0~5ppm， 钨含量为〇· 1~2ppm，硫含量为1~lOppm，磷含量为4~200ppm，余量为高纯铜，其中高纯 铜的纯度为4N以上。
[0037] 上述线材中氧含量要小于5ppm，这是因为：线材中氧的含量越小，则相应的线材 越软（根据第二焊点的表现）；同样地在保护气体下得到的变形球（Free air ball，FAB) 的硬度也越低。这可能是因为氧在铜中的存在会增加其硬度。对于第一焊点，即使是在 forming gas的保护下打线，其中的氢气能够还原部分铜中的氧，但FAB仍然含有相当的氧 含量，而FAB中的残留氧是造成球硬度增加的主要原因；在本发明中，铜中的氧包含铜材初 始氧A和在火花放电形成FAB过程中源于大气中的氧B，该氧B可能以氧化铜的形式存在。
[0038] 当线材中的磷含量为4~200ppm时，在第一焊形成过程中，磷能和铜线中的氧A 以及大气中的氧B (虽然有保护气体，但仍然存在大气中的氧扩散到FAB表面氧化FAB的可 能）反应消耗掉氧从而保护铜FAB不被氧化，降低FAB的硬度。当P的含量大于40ppm时， 第一焊点的打线可以在纯氮的气氛下进行。但当P的含量高于200ppm时，线材变得太硬， 第二焊点需要很大参数才行，会造成工艺窗口过窄。
[0039] 线材中包含0. 1~2ppm钨，这是由于钨和硫（铜线中的杂质）所生成的W2S有催 化H2S氧化的作用（其中H 2S源自Forming gas中的!12与铜线中CuS杂质的反应），请参见 以下的两个化学反应方程式，W2S作为催化剂，能催化H 2S转变成单原子S，因此会进一步降 低FAB中氧和硫的含量，降低FAB的硬度而优化打线性能。
[0040] H2S+3/202- SO 2+H20 反应 I
[0041] 2H2S+S02-3/xS x〇+2H20 反应 2
[0042] 显然为了发挥鹤的催化功能，线材中硫的含量也需要调节到I-IOppm之间，当硫 含量小于Ippm时，钨的作用无从发挥，而大于IOppm时，则线材会变脆，对拉线和打线都不 利。当硫的含量在1~IOppm时，以Cu 2S和CuS形式存在的S，首先被转化为H2S，然后根据 反应1、2在W2S的作用下变为单质S，随气流带走，从而极大地降低了 FAB中硫和氧的含量， 降低了 FAB的硬度。
[0043] 在本实施例中，还包括银，含量为8~250ppm;且该银的纯度在99. 99 %以上。银 的引入可以使线材变软，这主要体现