[发明专利]一种微电子封装用超细铜合金键合丝及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及封装用的键合丝，具体涉及一种微电子封装用超细铜合金键合丝及其制备方法。

背景技术

键合丝作为将半导体元件上的电极与外部端子之间进行接合的电性连接线，主要采用线径为20－50μm左右的4N系(纯度>99.99％(重量))黄金及其它微量元素合金化制成的金线，然而由于黄金价格昂贵且近年来价格持续上涨，寻找替代金线的材料一直是电子封装领域的研究热点。

铜以其优异的热学、电学性能以及较低的价格，被认为是取代金的合适键合丝材料，然而铜线相比金线具有一些列的缺点：线材表面易氧化导致键合强度降低，在进行树脂封装时易引起线材表面腐蚀，较高的硬度易造成打线时对基板造成损伤，等等。为了解决上述问题，铜线的研发思路主要有两种：表面涂层和合金化。

表面涂层，目前较多采用的是铜线表面镀钯。中国专利文献CN102130067B公布了一种表面镀钯键合铜丝，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。该表面镀钯键合铜丝在后续的超细拉伸过程中不必进行中间退火就具有较好的最终塑性变形能力，镀钯层表面均匀，致密完整，有利于焊接键合时充分变形，提高拉断力和可靠性。但是，该表面镀钯键合铜丝的芯材为99.9999％铜，镀钯工艺为真空镀膜，铸造工艺为单晶连铸，整个流程加起来一方面成本过于高昂，另一方面单晶连铸的连铸速度非常慢，无法大规模量产。

合金化，即通过添加合金元素改善铜线性能。中国专利CN104299954A公开了一种用于半导体焊接的铜线，其合金成分及重量百分比为：Ag0－0.002％，Fe0－0.001％，Pb0－0.0005％，Ni0－0.0005％，Mg0－0.0005％，Si0－0.002％，其余为铜。采用这种合金成分的铜线，不仅克服了纯铜线硬度高、焊接性能差的问题，而且导电性和延伸率高，焊接性好，成本低，但是仍存在以下两个问题：(1)未有控制O和S的含量，O含量如果过高易造成铜线的塑性和韧性变差，同时会氧化添加的元素使合金化效果不明显；(2)铸造过程采用浇铸的方式，铸锭内部存在铸造应力，未进行相关热处理就直接进行拉拔，以致产品力学性能、成分分布不均匀，这将影响产品的品质和寿命。

近年来随着微电子技术的发展，铜线的细线径化已经发展成为一种趋势，一来更细的线径可以带来成本的降低，二来晶元越做越小也对铜线的直径提出了更高的要求。中国专利CN102886390公开了一种超微细铜丝的生产工艺，包括上引无氧铜杆、连续挤压、拉拔等步骤，具有工艺流程短、生产效率高，断线率低等特点。该工艺在拉拔前加了一道连续挤压，使得上引铜杆粗大的铸造组织转变为细小均匀、致密的组织。然而，该工艺存在以下一些问题：(1)连续挤压过程金属与工具间的外摩擦大，挤压工具磨损快，使用寿命短，成本高，且挤压速度慢，生产效率低；(2)未加入晶粒细化剂，易造成中间退火过程中晶粒异常长大，造成材料组织不均匀。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种微电子封装用超细铜合金键合丝及其制备方法，这种铜合金键合丝具有良好的抗氧化性能、良好的导电导热性、可焊性、较高的单丝长度等优良性能，其制备方法操作简便。采用的技术方案如下：

一种微电子封装用超细铜合金键合丝，其特征在于其各成分及含量为：Ti10－50wt.ppm，Li10－50wt.ppm，Zr10－50wt.ppm，Fe10－50wt.ppm，Ag10－50wt.ppm，B10－50wt.ppm，稀土元素10－50wt.ppm，余量为铜及不可避免的杂质，且杂质中的O和S在整个铜合金键合丝中的含量≤5wt.ppm；所述稀土元素是Eu、Y和Dy中的一种或其中多种的组合。

本发明还提供上述微电子封装用超细铜合金键合丝的一种制备方法，其特征在于依次包括下述步骤：

(1)制备中间合金：配备所需的Ti、Li、Zr、Fe、Ag、B、Eu、Y、Dy，分别用纯度为99.9999％以上的铜为原料熔制中间合金；

(2)真空熔炼与铸造：根据所要制备的铜合金键合丝各成分的含量比例，计算出纯度为99.99％以上的铜和各中间合金的加入量，然后将铜和各中间合金混合并进行真空熔炼，再连铸成直径为6－10mm的铜合金棒材；

(3)对铜合金棒材进行均匀化退火；均匀化退火在真空条件下进行，退火温度为800－1000℃，退火时间为6－48小时；

(4)对经过均匀化退火的铜合金棒材进行拉拔，得到线径为0.5－1.0mm的铜合金丝；