一種單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲的制備方法，該方法包括以下步驟：①單晶銅線的制備：將銅錠經(jīng)熔化后進(jìn)行定向凝固，然后對單晶銅桿進(jìn)行拉拔，得到銅線；②單晶銅線表面鍍金預(yù)處理；③對單晶銅線表面進(jìn)行鍍金；④對鍍金后的單晶銅復(fù)合鍵合線進(jìn)行拉拔。一種該方法所得的單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲，所述單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲包括：單晶銅基體和單晶銅基體外的鍍金層，所得的單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲的直徑為8～25μm，電阻率小于1.72×10-8Ωm，延伸率大于2%。本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)：①解決了普通銅絲延伸率低的問題，能夠制備低弧度超細(xì)單晶銅絲；②確保了鍵合絲的抗氧化性和耐腐蝕性；③設(shè)備投資低；④成本遠(yuǎn)低于金鍵合絲，能夠大面積推廣應(yīng)用。
【專利說明】一種單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電子電氣【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲及其制備方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鍵合絲主要用于集成電路芯片（Integrated Circuit, IC)封裝和LED封裝。集成 電路封裝是指安裝半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼，既有安放、固定、密封、增強(qiáng)散熱和保護(hù) 芯片的作用，又有連接集成電路芯片內(nèi)鍵合點(diǎn)與外部電氣的作用；芯片內(nèi)鍵合點(diǎn)與外部引 線框架之間的連接是通過鍵合絲實(shí)現(xiàn)的，鍵合絲是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁， 具有重要的作用。因此，對鍵合絲的導(dǎo)電性能有很高的要求，在元素周期表過渡金屬中，銀、 銅、金和鋁四種金屬元素具有較高的導(dǎo)電性能，為便于鍵合絲能夠被拉伸到所需的直徑，所 選的金屬必須具有足夠的延伸率；為避免被破壞芯片，該金屬必須能夠在足夠低的溫度下 進(jìn)行熱壓焊接和超聲焊接，它的化學(xué)性能、抗腐蝕性能和冶金特性必須與它所焊接的材料 相熔合，不會對集成電路造成嚴(yán)重影響。因此，在集成電路的鍵合絲中，主要應(yīng)用的鍵合絲 有鍵合金絲和硅鋁絲等。
[0003] 目前，鍵合金絲是最常用的鍵合絲材料，以體積計算黃金幾乎占全球鍵合絲的 90%，鍵合金絲具有電導(dǎo)率大、耐腐蝕、韌性好和易焊接等優(yōu)點(diǎn)，它是生產(chǎn)中使用起來最為簡 單、快速的焊線。但，由于其價格昂貴，隨著金價的不斷上升，電子工業(yè)商正在尋求鍵合金絲 的替代材料。
[0004] 在所有金屬中，銅的電阻率僅大于銀，在室溫下，國際退火工業(yè)純銅的電阻率為 1.7124X 10 8 Ωπι，純銀的電阻率為L 59 XlO 8 Ωπι，純金的電阻率為2. 44 XlO 8 Ωπι，純銅 的電阻率僅比純銀大8%，而比純金小29. 3%，因此，在相同的電流強(qiáng)度情況下，采用鍵合銅 絲替代鍵合金絲，鍵合絲截面積可減小，即可采用更細(xì)的鍵合絲。鍵合銅絲散熱性能高，有 利于芯片散熱，與金相比，銅的熔點(diǎn)為1083°C，接近于金的熔點(diǎn)（1064. 4°C )，這意味著鍵合 銅絲的鍵合溫度與鍵合金絲相近，原來鍵合金絲的設(shè)備只需要做很小的改動即可用于鍵合 銅絲，但是，鍵合銅絲延伸率低、活性大、表面易被氧化和腐蝕。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中鍵合金絲的價格昂貴、鍵合銅絲延伸率低、活性大、表面易被氧化 和腐蝕的問題，本發(fā)明提供一種成本低、延伸率高、抗氧化和耐腐蝕性強(qiáng)的單晶銅鍍金復(fù)合 鍵合絲及其制備方法。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲的制備方法，該 方法包括以下步驟：①單晶銅線的制備：將純度為99. 99%的銅錠經(jīng)熔化后進(jìn)行定向凝固， 得到直徑為〇3mm?Φ12πιπι單晶銅桿，然后對單晶銅桿進(jìn)行拉拔，得到直徑為Φ0. Imm? Φ2πιπι的銅線；②單晶銅線表面鍍金預(yù)處理：將獲得的單晶銅線依次經(jīng)過第一次水洗-堿 洗-第二次水洗-酸洗-第三次水洗后進(jìn)入電鍍槽；③對單晶銅線表面進(jìn)行鍍金；④對鍍金 后的單晶銅復(fù)合鍵合線進(jìn)行拉拔。
[0007] 所述步驟①單晶銅線的制備方法為：采用半連續(xù)熱型定向凝固方法，將純度為 99. 99%的銅錠在石墨坩堝內(nèi)熔煉，石墨坩堝置于無磁鋼爐體內(nèi)，封閉爐室，開循環(huán)水后對所 述的無磁鋼爐體內(nèi)進(jìn)行抽真空，并充入高純氬氣保護(hù)，高純氬氣的壓力為微正壓，采用電磁 感應(yīng)方式進(jìn)行加熱，銅錠熔化后，在水冷卻的作用下，銅熔體定向凝固，得到單晶銅桿，然后 拉拔得到單晶銅線。
[0008] 所述石墨坩堝的熔煉溫度為1180°C?1300°C，定向凝固抽拉速度為0.01 mm/ min?200mm/min，制備獲得直徑為Φ 3mm?Φ 12mm的單晶銅桿，并進(jìn)一步拉拔為銅線。
[0009] 所述步驟②中第一次水洗溫度為55°C?60°C，且堿洗槽、酸洗槽和第三次水洗槽 內(nèi)均設(shè)有超聲波清洗裝置。
[0010] 所述電鍍槽密封設(shè)置，且在電鍍槽的進(jìn)氣口采用濾網(wǎng)過濾灰塵，并采用抽風(fēng)機(jī)換 氣。 所述步驟③單晶銅線表面鍍金的方法為：采用無氰鍍金工藝一亞硫酸鹽鍍金工藝，以 K3Au(SO3)2的形式將金加入電鍍液，采用亞硫酸鈉或亞硫酸銨作為絡(luò)合劑，采用酒石酸梯鉀 作為輔助絡(luò)合劑，以金板作為陽極，采用氨水調(diào)節(jié)PH值，電鍍槽內(nèi)設(shè)有超聲振動裝置；其 中，電鍍液由以下組分組成：亞硫酸金鈉10?28g/L，一水合亞硫酸鈉80?140g/L，酒石酸 梯鉀0. 1?0. 5g/L ;其電鍍液的pH為8?13,陰極電流密度：0. 1?0. 4A/dm2,電鍍溫度： 25?40°C，電鍍速度為10?100m/min。
[0011] 所述電鍍液由以下組分組成：亞硫酸金鈉15?27g/L，一水合亞硫酸鈉90? 120g/L，酒石酸梯鉀0· 1?0· 4g/L ;其電鍍液的pH為8?10,陰極電流密度：0· 1?0· 3A/ dm2,電鍍溫度：25?40°C，電鍍速度為30m?70m/min。
[0012] 所述步驟④單晶銅鍍金復(fù)合鍵合線拉拔的方法為：對單晶銅鍍金復(fù)合線進(jìn)行連續(xù) 冷拉，得到單晶銅金復(fù)合鍵合絲。
[0013] 一種單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲，所述單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲包括：單晶銅基體和 單晶銅基體外的鍍金層，所得的單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲的直徑為8?25 μ m，電阻率小于 1.72X 10 8 Ωπι，延伸率大于2%。
[0014] 本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)：①單晶銅絲作為鍵合絲基體，采用定向凝固的方法制備單晶 銅桿，經(jīng)拉拔制備獲得單晶銅線，解決了普通銅絲延伸率低的問題，能夠制備低弧度超細(xì)單 晶銅絲；②在單晶銅表面鍍金，確保了鍵合絲的抗氧化性和耐腐蝕性；③銅絲具有與金絲 相近的鍵合溫度，現(xiàn)有的鍵合金絲設(shè)備只需做很小改動即可直接應(yīng)用于本發(fā)明的單晶銅鍍 金復(fù)合鍵合絲，設(shè)備投資低；④本發(fā)明的復(fù)合鍵合絲，成本遠(yuǎn)低于金鍵合絲，能夠大面積推 廣應(yīng)用。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 一種單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲的制備方法，該方法包括以下步驟：①單晶銅線的制 備：將純度為99. 99%的銅錠經(jīng)熔化后進(jìn)行定向凝固，得到直徑為Φ3mm?Φ 12mm單晶銅 桿，然后對單晶銅桿進(jìn)行拉拔，得到直徑為Φ0. Imm?〇2mm的銅線；②單晶銅線表面鍍金 預(yù)處理：將獲得的單晶銅線依次經(jīng)過第一次水洗-堿洗-第二次水洗-酸洗-第三次水洗 后進(jìn)入電鍍槽；③對單晶銅線表面進(jìn)行鍍金；④對鍍金后的單晶銅復(fù)合鍵合線進(jìn)行拉拔。
[0016] 進(jìn)一步限制，將鍍金后的單晶銅復(fù)合鍵合線進(jìn)行拉拔為直徑8?25 μ m的單晶銅 鍍金復(fù)合鍵合線。
[0017] 步驟①中單晶銅線的制備方法為：采用半連續(xù)熱型定向凝固方法，將純度為 99. 99%的銅錠在石墨坩堝內(nèi)熔煉，石墨坩堝置于無磁鋼爐體內(nèi)，封閉爐室，開循環(huán)水后對所 述的無磁鋼爐體內(nèi)進(jìn)行抽真空，并充入高純氬氣保護(hù)，高純氬氣的壓力為微正壓，控制氬氣 流量大于真空泵抽速，采用電磁感應(yīng)方式進(jìn)行加熱，熔煉溫度為1180°C?1300°C，銅錠熔 化后，在水冷卻的作用下，銅熔體進(jìn)行定向凝固，得到單晶銅桿，抽拉速度為0. Olmm/min? 200mm/min〇
[0018] 進(jìn)一步，真空度小于I. OX KT2Pa后，停止抽真空。
[0019] 本發(fā)明中不同的抽拉速度可得到具有不同組織、不同的電阻率和延伸率的單晶銅 線。當(dāng)抽拉速度為0. Ol mm/min?0. lmm/min時，可制備整個橫截面只有一個晶粒的單晶 銅，由于完全消除了晶界，減弱了電子散射效應(yīng)，其電阻率可達(dá)1. 65X 10 8 Ωm，可直接冷拉 拔為直徑為8 μ m的銅線，延伸率為4?7%，同時由于抽拉速度慢，生產(chǎn)效率低，因而成本高， 適用于部分高端用戶；當(dāng)抽拉速度為〇. lmm/min?100mm/min時，可制備整個橫截面有2? 10個柱狀晶的單晶銅桿，其電阻率可達(dá)I. 7 X 10 8 Ωπι，可直接冷拉拔為直徑為8 μ m的銅 線，延伸率為3?5%，可滿足大部分客戶的需求。針對導(dǎo)電率和延伸率有不同需求的用戶， 采用以上方法可制備直徑Imm?5mm的單晶銅線。當(dāng)抽拉速度為100mm/min?200mm/min 時，可制備整個橫截面有8?20個柱狀晶的單晶銅桿，其電阻率可達(dá)1. 71 X 10 8 Ω m，可直 接冷拉拔為直徑為15 μ m的銅線，延伸率為2?4%。針對導(dǎo)電率和延伸率有不同需求的用 戶，可采用不同的抽拉速度。
[0020] 步驟②單晶銅線表面鍍金預(yù)處理為：將獲得的單晶銅線依次經(jīng)過第一次水洗-堿 洗-第二次水洗-酸洗-第三次水洗后進(jìn)入電鍍槽；所述第一次水洗溫度為55°C?60°C， 堿洗槽、酸洗槽和第三次水洗槽內(nèi)均設(shè)有超聲波清洗裝置，堿洗槽內(nèi)設(shè)有超聲波清洗裝置 以加強(qiáng)清洗效果、酸洗槽內(nèi)設(shè)有超聲波清洗裝置以更好的清除表面氧化物，第三次水洗槽 內(nèi)配備超聲波清洗裝置，以徹底清除鍍金層表面殘留的微量金鹽，使鍍層表面光滑。同時， 為了避免灰塵落入電鍍槽，整個電鍍槽全部密封，并采用抽風(fēng)機(jī)換氣，進(jìn)氣口采用濾網(wǎng)過濾 灰塵。
[0021] 步驟③單晶銅線表面鍍金的方法為：采用無氰鍍金工藝一亞硫酸鹽鍍金工藝，以 K3Au(SO3)2的形式將金加入電鍍液，采用亞硫酸鈉或亞硫酸銨作為絡(luò)合劑，采用酒石酸梯鉀 作為輔助絡(luò)合劑，以穩(wěn)定鍍液，以金板作為陽極，采用氨水調(diào)節(jié)PH值，使pH值維持在8以 上，保持鍍液穩(wěn)定，鍍槽內(nèi)安裝超聲振動裝置，消除鍍槽內(nèi)的濃度極化，維持鍍液穩(wěn)定，并可 擴(kuò)大電流密度范圍，提高沉積速度。其中，電鍍液由以下組分組成：亞硫酸金鈉10?28g/ L，一水合亞硫酸鈉80?140g/L，酒石酸梯鉀0. 1?0. 5g/L ;所述電鍍液的pH為8?13， 陰極電流密度：〇. 1?〇. 4A/dm2,電鍍溫度：25?40°C，電鍍速度為10?100m/min。
[0022] 進(jìn)一步限制，所述電鍍液由以下組分組成：亞硫酸金鈉15?27g/L，一水合亞硫 酸鈉90?120g/L，酒石酸梯鉀0. 1?0. 4g/L ;所述電鍍液的pH為8?10,陰極電流密度： 0· 1?0· 3A/dm2,電鍍溫度：25?40°C，電鍍速度為30m?70m/min。
[0023] 步驟④單晶銅鍍金復(fù)合鍵合線拉拔的方法為：在獲得單晶銅鍍金復(fù)合鍵合線后， 進(jìn)一步對單晶銅鍍金復(fù)合線材進(jìn)行連續(xù)冷拉拔，對單晶銅鍍金復(fù)合線進(jìn)行連續(xù)冷拉，獲得 所需直徑為8?25 μ m的單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲，所得單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲的電阻率小 于1.73X10 8 Ωπι，延伸率大于3%。拉至所需直徑后，覆膜包裝，存儲在干燥、溫度較低的 環(huán)境下，并避開光線。
[0024] 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，本發(fā)明還可以通過以下具體實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)。如表1所示： 為實(shí)施例1~8的【具體實(shí)施方式】；如表2所:為實(shí)施例9~16的【具體實(shí)施方式】。
[0025] 表 1

【權(quán)利要求】
1. 一種單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲的制備方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：① 單晶銅線的制備：將純度為99. 99%的銅錠經(jīng)熔化后進(jìn)行定向凝固，得到直徑為Φ3πιπι? Φ 12mm單晶銅桿，然后對單晶銅桿進(jìn)行拉拔，得到直徑為Φ0. 1mm?Φ 2mm的銅線；②單 晶銅線表面鍍金預(yù)處理：將獲得的單晶銅線依次經(jīng)過第一次水洗-堿洗-第二次水洗-酸 洗-第三次水洗后進(jìn)入電鍍槽；③對單晶銅線表面進(jìn)行鍍金；④對鍍金后的單晶銅復(fù)合鍵 合線進(jìn)行拉拔。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲的制備方法，其特征在于：所述步驟 ① 單晶銅線的制備方法為：采用半連續(xù)熱型定向凝固方法，將純度為99. 99%的銅錠在石 墨坩堝內(nèi)熔煉，石墨坩堝置于無磁鋼爐體內(nèi)，封閉爐室，開循環(huán)水后對所述的無磁鋼爐體內(nèi) 進(jìn)行抽真空，并充入高純氬氣保護(hù)，高純氬氣的壓力為微正壓，采用電磁感應(yīng)方式進(jìn)行加 熱，銅錠熔化后，在水冷卻的作用下，銅熔體定向凝固，得到單晶銅桿，然后拉拔得到直徑為 Φ0. 1mm?Φ 2mm的單晶銅線。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲的制備方法，其特征在于：所述石墨 坩堝的熔煉溫度為1180°C?1300°C，定向凝固抽拉速度為0. 01 mm/min?200mm/min，制備 獲得直徑為〇3mm?Φ 12mm的單晶銅桿，并進(jìn)一步拉拔為銅線。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲的制備方法，其特征在于：所述步驟 ② 中第一次水洗溫度為55°C?60°C，且堿洗槽、酸洗槽和第三次水洗槽內(nèi)均設(shè)有超聲波清 洗裝置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲的制備方法，其特征在于：所述電鍍 槽密封設(shè)置，且在電鍍槽的進(jìn)氣口采用濾網(wǎng)過濾灰塵，并采用抽風(fēng)機(jī)換氣。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲的制備方法，其特征在于：所述步驟 ③ 單晶銅線表面鍍金的方法為：采用無氰鍍金工藝一亞硫酸鹽鍍金工藝，以K3Au(S03) 2的 形式將金加入電鍍液，采用亞硫酸鈉或亞硫酸銨作為絡(luò)合劑，采用酒石酸梯鉀作為輔助絡(luò) 合劑，以金板作為陽極，采用氨水調(diào)節(jié)pH值，電鍍槽內(nèi)設(shè)有超聲振動裝置；其中，電鍍液由 以下組分組成：亞硫酸金鈉10?28g/L, -水合亞硫酸鈉80?140g/L，酒石酸梯鉀0. 1? 〇· 5g/L ;其電鍍液的pH為8?13,陰極電流密度：0· 1?0· 4A/dm2,電鍍溫度：25?40°C， 電鍍速度為10?l〇〇m/min。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲的制備方法，其特征在于：所述電鍍 液由以下組分組成：亞硫酸金鈉15?27g/L，一水合亞硫酸鈉90?120g/L，酒石酸梯鉀 0. 1?0. 4g/L ;其電鍍液的pH為8?10,陰極電流密度：0. 1?0. 3A/dm2,電鍍溫度：25? 40°C，電鍛速度為30m?70m/min。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1~7任一所述的單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲的制備方法，其特征在于：所 述步驟④單晶銅鍍金復(fù)合鍵合線拉拔的方法為：對單晶銅鍍金復(fù)合線進(jìn)行連續(xù)冷拉，得到 單晶銅金復(fù)合鍵合絲。
9. 一種根據(jù)權(quán)利要求8的單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲的制備方法所得的單晶銅鍍金復(fù)合 鍵合絲，其特征在于：所述單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲包括：單晶銅基體和單晶銅基體外的鍍 金層，所得的單晶銅鍍金復(fù)合鍵合絲的直徑為8?25 μ m，電阻率小于1. 72 X 10 8 Ωπι，延伸 率大于2%。
【文檔編號】C25D7/06GK104294359SQ201310298683
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月17日
【發(fā)明者】李雷, 常富鼎, 趙擁軍, 宋茂斌, 江波, 王付裝, 石磊 申請人:河南九發(fā)高導(dǎo)銅材股份有限公司