一種封裝用鍍金鈀鍵合銅線的生產(chǎn)工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于半導(dǎo)體集成電路封裝領(lǐng)域的鍍金鈀鍵合銅線的生產(chǎn)工藝,其工藝過(guò)程是將添加了微量元素的經(jīng)過(guò)連續(xù)鑄造技術(shù)的中心銅棒再經(jīng)粗拉拔、退火、電鍍鈀層、精拉拔、退火、電鍍金層和清洗而制成理化性能優(yōu)良的鍍金鈀鍵合銅線。本工藝過(guò)程的特征是只經(jīng)過(guò)一次粗拉拔和一次精拉拔工藝,并且在精拉拔到目標(biāo)線徑后再進(jìn)行鍍金工藝。經(jīng)本發(fā)明的工藝生產(chǎn)的鍍金鈀鍵合銅線在拉制過(guò)程中斷線率極低,鍍鈀層和鍍金層結(jié)合性好,極大的提高了鍵合線的鍵合可靠性及穩(wěn)定性。
【專利說(shuō)明】
一種封裝用鍍金鈀鍵合銅線的生產(chǎn)工藝
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路封裝領(lǐng)域,具體而言,涉及一種半導(dǎo)體集成電路封裝用鍍金鈀鍵合銅線的生產(chǎn)工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]封裝是指將芯片在框架或基板上布局、粘貼固定及連接,引出接線端子并通過(guò)塑封固定,構(gòu)成整體立體結(jié)構(gòu)的工藝,既有安放、固定、密封、增強(qiáng)散熱和保護(hù)芯片的作用,又有連接芯片內(nèi)部電路和外部電路的作用,而芯片內(nèi)部焊盤與外部引線框架之間的連接是通過(guò)鍵合線實(shí)現(xiàn)的,因此對(duì)鍵合線的導(dǎo)電性有很高的要求;為使鍵合線能夠被拉伸到所需直徑,所用金屬須有足夠的延伸率;為避免芯片被破壞,鍵合線需能在足夠低的溫度下進(jìn)行熱壓焊接和超聲焊接,鍵合線的化學(xué)性能、耐腐蝕性能和冶金特性必須與它所焊接的材料相熔合,不會(huì)對(duì)芯片造成影響。
[0003]在傳統(tǒng)的封裝鍵合工藝中,常用金含量為99.99%以上的純金線,鍵合金線具有電導(dǎo)率大、耐腐蝕、韌性好和易焊接等優(yōu)點(diǎn)。由于金價(jià)的不斷上升,封裝金線的成本占比就越來(lái)越高,所以目前多采用銅線、鍍鈀銅線、鍍金銅線、純銀線或者銀合金線來(lái)替代昂貴的金線產(chǎn)品。鍵合銅線價(jià)格低廉,且在導(dǎo)電率、拉伸強(qiáng)度、延展率和剪切強(qiáng)度等方面表現(xiàn)優(yōu)于金絲,已經(jīng)成功的用于如DIP、S0P和功率器件等產(chǎn)品的封裝生產(chǎn),但是,隨著半導(dǎo)體集成電路行業(yè)日益、快速向小型化、多引腳高密度方向發(fā)展,對(duì)于鍵合銅絲的性能要求也越來(lái)越苛亥IJ,鍵合銅線的易氧化、易腐蝕、硬度大、焊接性差和拉拔斷線的問(wèn)題日益凸顯,直接造成產(chǎn)品合格率下降。鍍鈀鍵合銅線采用相對(duì)低廉的鈀作為鍍層,控制成本的同時(shí),也可解決銅線易氧化和耐腐蝕的問(wèn)題,但由于鈀的導(dǎo)電性能仍存在不足導(dǎo)致其在體積非常小的芯片封裝中產(chǎn)生的熱量無(wú)法忽視,并且鈀的硬度略大,易對(duì)芯片造成損傷。鍍金銅線雖然客服了鍍鈀銅線硬度大和電阻大的缺陷,但是由于金與銅的結(jié)合力沒(méi)有鈀與銅的結(jié)合力強(qiáng),這種線材本身的穩(wěn)定性就不高。而銀合金鍵合線或純銀線在使用過(guò)程中自身易被氧化或者被硫化,且在高溫高濕環(huán)境下會(huì)發(fā)生銀離子漂移問(wèn)題。
[0004]目前,業(yè)內(nèi)開(kāi)始用鍍金鍍鈀鍵合線來(lái)解決上述問(wèn)題。金屬鈀鍍?cè)谥行你~線表層可耐氧化耐腐蝕,金屬金鍍?cè)诮饘兮Z外層可減輕鍵合時(shí)線的硬度過(guò)大對(duì)芯片的損傷。現(xiàn)有技術(shù)中,中國(guó)授權(quán)專利CN103219249A公開(kāi)了一種鍍鈀鍍金的雙鍍層鍵合銅線的制造方法,從其金屬的含量(銅:92.6-93.8%,鈀:2.7-5.4%,金:1.0-2.5%,錫:0.5%,鎂:0.3%,鋁:0.2%)可看出成本比銅線要高出很多,并且鈀層和金層的厚度過(guò)大會(huì)不利于鈀層和銅線的結(jié)合與金層和鈀層的結(jié)合;在鍍金工藝中采用先鍍金后拉絲的順序,很容易出現(xiàn)表面分層、表面破皮和鍍層不均現(xiàn)象,鍵合時(shí)會(huì)堵塞劈到等工具,燒球不均勻,從而影響鍵合效果?,F(xiàn)有技術(shù)在理化性能上尚有不足,不能滿足更高的技術(shù)要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的在于發(fā)明一種封裝用鍍金鈀鍵合銅線的生產(chǎn)工藝,以克服現(xiàn)有鍵合線鍵表面易氧化、高溫穩(wěn)定性差和拉拔斷線的問(wèn)題,以及鍍金鈀鍵合銅線電鍍層不穩(wěn)定、不耐摩擦的問(wèn)題,解決鍍金鈀鍵合銅線在使用上的高要求并克服已有技術(shù)中存在的技術(shù)和成本問(wèn)題。
[0006]本發(fā)明提出的鍍金鈀鍵合銅線具有三層結(jié)構(gòu),最內(nèi)層是在單晶銅中添加了微量金屬元素的中心銅線,所含微量元素為銀、硅、鈣、鋁、鐵和鎳;在中心銅線的表面電鍍鈀層;在鈀層的表面電鍍金層。
[0007]其中,所述高純單晶銅的純度大于99.999%,所述鈀的純度大于99.99%,所述金的純度大于99.99 %。
[0008]其中,所述鍍金鈀鍵合銅線的質(zhì)量百分比為:銅的質(zhì)量百分比為95.5-96.0%;鈀的質(zhì)量百分比為3.0-3.5%;金的質(zhì)量百分比為0.8-1.0%;微量金屬元素總的質(zhì)量百分比<0.01%,其中銀的質(zhì)量百分比彡0.002%,硅的質(zhì)量百分比彡0.002%,鈣的質(zhì)量百分比彡
0.002%,鋁的質(zhì)量百分比彡0.002%,鐵的質(zhì)量百分比彡0.001 %,鎳的質(zhì)量百分比彡
0.0005%。
[0009]其中,所述中心銅線的直徑在15微米-76微米之間,所述電鍍鈀層的厚度在0.06微米-0.08微米之間,所述電鍍金層的厚度在0.01微米-0.03微米之間。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比的有益效果是:本發(fā)明的鍍金鈀鍵合銅線在所含金屬成分的比例分配上更加合理,選取的微量元素添加在銅線中使制成的鍵合線具有較強(qiáng)的延展性和耐拉伸性能,并最大限度的控制成本;采用一次粗拉拔和一次精拉拔以避免銅線被拉斷,鍍鈀層在拉拔過(guò)程中變形一致,表面均勻,致密完整;采用先細(xì)拉拔再鍍金的工藝順序,使鍍金層鍍層均勻,無(wú)分層破皮現(xiàn)象。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明提出的鍍金鈀鍵合銅線的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面通過(guò)【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明提出的鍍金鈀鍵合銅絲的制造方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0013]本發(fā)明實(shí)施例中提出的鍍金鈀鍵合銅線,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括中心銅線1、電鍍鈀層2、電鍍金層3。其中,中心銅線I的原材料為純度大于99.999%的單晶銅,再通過(guò)添加銀、硅、鈣、鋁、鐵和鎳微量元素高溫環(huán)境鑄造而成;電鍍鈀層2為純度大于99.99%的金屬鈀通過(guò)電鍍工藝將其鍍?cè)谥行你~線的表面,鈀層能夠減輕中心銅線的氧化問(wèn)題和中心銅線中銀漂移的問(wèn)題,并且鈀與銅的結(jié)合力強(qiáng);電鍍金層3為純度大于99.99%的金屬金通過(guò)電鍍工藝將其鍍?cè)陔婂冣Z層2的表面,鍍鈀后再鍍金能夠進(jìn)一步緩解氧化,提高耐腐蝕性,改善鍵合過(guò)程中鍵合線與芯片接觸時(shí)的硬度,且金的電阻率較金屬鈀相當(dāng),使所述鍍金鍍鈀鍵合線具有相對(duì)穩(wěn)定的導(dǎo)電性能。
[0014]最終制得的鍍金鈀鍵合銅線的質(zhì)量百分比為:銅的質(zhì)量百分比為95.5-96.0%;鈀的質(zhì)量百分比為3.0-3.5%;金的質(zhì)量百分比為0.8-1.0%;微量金屬元素總的質(zhì)量百分比<0.01%,其中銀的質(zhì)量百分比彡0.002%,硅的質(zhì)量百分比彡0.002%,鈣的質(zhì)量百分比彡
0.002%,鋁的質(zhì)量百分比彡0.002%,鐵的質(zhì)量百分比彡0.001 %,鎳的質(zhì)量百分比彡0.0005%ο
[0015]最終制得的鍍金鍍鈀鍵合銅線的中心銅線的直徑在15微米一76微米之間,電鍍鈀層的厚度在0.06微米一0.08微米之間,電鍍金層的厚度在0.01微米-0.03微米之間。原則上,鈀和金的質(zhì)量百分比越低,鍍層厚度越薄,成本越低。但鍍層厚度小于0.01微米后實(shí)際使用時(shí)抗氧化效果不好。
[0016]下面以介紹本發(fā)明提出的鍍金鈀鍵合銅線的具體生產(chǎn)工藝:
[0017](I)提取高純銅:提取純度大于99.999%的高純銅,清洗、烘干備用;
[0018](2)制備單晶銅合金棒:以最終制得的鍍金鈀鍵合銅線為1 O w t %計(jì),將9 5.5 -96.0wt %的高純銅內(nèi)部加入小于0.002wt %的高純銀、小于0.002wt %的高純娃、小于0.002¥七%的高純鈣、小于0.002¥七%的高純鋁、小于0.001¥七%的高純鐵和小于0.0005¥七%的高純鎳,并置于煉熔爐熔化,采用中頻加熱的加熱方式和真空連鑄的連鑄方式,并控制鑄熔條件為:鑄熔溫度為1150-1300°C,真空度為1.0\10—^0^,精煉時(shí)間為30-451^11,連鑄速度為150-300mm/min,拉絲速度為7-120m/min,連鑄得到直徑為3000微米、縱向和橫向晶粒數(shù)均為一個(gè)的單晶銅合金棒。
[0019](3)粗拉拔:將前述直徑為3000微米的單晶銅合金棒拉拔成直徑小于1000微米的銅線。
[0020](4)退火:將前述直徑小于1000微米的銅線進(jìn)行退火處理,退火溫度為400-500°C,退火時(shí)間為30-60min,退火后進(jìn)行水冷。
[0021](5)表面鍍鈀:對(duì)前述銅線電鍍3.0-3.5wt%的純鈀,電鍍用鈀的純度要求大于99.99%,電鍍的工藝參數(shù)控制在:電鍍液pH值為7-9,電鍍液溫度為20-50 °C,電流密度控制在0.2-1.5A/dm2,通過(guò)控制電鍍時(shí)間影響鍍層厚度,鍍鈀層的厚度控制在4-6微米。
[0022](6)精拉拔:將前述表面鍍鈀的銅線精密拉拔成直徑為15-76微米的鍍鈀銅線,拉拔后鈀層厚度在0.06-0.08微米。
[0023](7)退火:將前述拉拔后的鍍鈀銅線進(jìn)行退火處理,退火溫度為400-500 V,退火時(shí)間為 30-60min。
[0024](8)表面鍍金:將上述鍍鈀銅線電鍍0.8-1.0wt%的純金,電鍍用金的純度要求大于99.99%,電鍍的工藝參數(shù)控制在:電鍍液pH值為7-9,電鍍液溫度為20-50 °C,電流密度控制在0.1-1.0A/dm2,通過(guò)控制電鍍時(shí)間影響鍍層厚度,鍍金層的厚度控制在0.01-0.03微米。
[0025](9)清洗:對(duì)上述鍍金鈀鍵合銅線進(jìn)行表面清洗,先用酸液酸洗,然后經(jīng)超聲波清洗,再用高純水清洗、烘干。
[0026]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的情況,采用本方案能體現(xiàn)如下優(yōu)越性:
[0027]I)中心銅線中所含微量元素(銀、硅、鈣、鋁、鐵、鎳)可改善銅的抗氧化性,并可增強(qiáng)中心銅線的延展性和抗拉伸性能,改善中心銅線的熔化熱,使中心銅線、鈀層、金層熔化熱相差最小,在鍵合形成球時(shí)最接近正球形;
[0028]2)工藝(2)制成3000微米中心銅棒、工藝(3)粗拉拔成小于1000微米的銅線、工藝
(6)精拉拔成15-76微米的銅線,通過(guò)一次粗拉拔、一次精拉拔使銅線在拉拔的過(guò)程中逐步變細(xì),避免了常規(guī)一次拉拔工藝使得銅線被拉斷的問(wèn)題和兩次精拉拔工藝的復(fù)雜性問(wèn)題,因此可以減少生產(chǎn)過(guò)程中不必要的損耗和拉拔模具成本的有效控制;
[0029]3)粗拉拔后設(shè)有退火工藝(4)、細(xì)拉拔后設(shè)有退火工藝(7),使拉拔后的銅線重結(jié)晶,以保證其良好的延伸率和斷裂負(fù)荷;
[0030]4)本方案采用先精拉拔至目標(biāo)線徑后再進(jìn)行表面鍍金工藝,避免了常規(guī)工藝中使用先鍍金再精拉拔出現(xiàn)的表面分層和破皮問(wèn)題。
[0031]以上實(shí)施方式已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,但并不限制本發(fā)明,對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō),本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種封裝用鍍金鈀鍵合銅線的生產(chǎn)工藝,其特征是該工藝以先后次序依次包括如下步驟: (1)提取高純銅:提取純度大于99.999%的高純銅,清洗、烘干備用; (2)制備單晶銅合金棒:以最終制得的鍍金鈀鍵合銅線為10wt%計(jì),將95.5-96.0wt %的高純銅內(nèi)部加入小于0.002wt%的高純銀、小于0.002wt%的高純娃、小于0.002wt %的高純鈣、小于0.002wt %的高純鋁、小于0.0Olwt %的高純鐵和小于0.0005wt %的高純鎳,并置于煉熔爐熔化,采用中頻加熱的加熱方式和真空連鑄的連鑄方式,并控制鑄熔條件為:鑄熔溫度為1150-1300 0C,真空度為1.0 X 10—5MPa,精煉時(shí)間為30_45min,連鑄速度為150-300mm/min,拉絲速度為7-120m/min,連鑄得到直徑為3000微米、縱向和橫向晶粒數(shù)均為一個(gè)的單晶銅合金棒。 (3)粗拉拔:將前述直徑為3000微米的單晶銅合金棒拉拔成直徑小于1000微米的銅線。 (4)退火:將前述直徑小于1000微米的銅線進(jìn)行退火處理,退火溫度為400-50(TC,退火時(shí)間為30-60min,退火后進(jìn)行水冷。 (5)表面鍍鈀:對(duì)前述銅線電鍍3.0-3.5wt%的純鈀,電鍍用鈀的純度要求大于.99.99%,電鍍的工藝參數(shù)控制在:電鍍液pH值為7-9,電鍍液溫度為20-50 °C,電流密度控制在0.2-1.5A/dm2,通過(guò)控制電鍍時(shí)間影響鍍層厚度,鍍鈀層的厚度控制在4-6微米。 (6)精拉拔:將前述表面鍍鈀的銅線精密拉拔成直徑為15-76微米的鍍鈀銅線,拉拔后鈀層厚度在0.06-0.08微米。 (7)退火:將前述拉拔后的鍍鈀銅線進(jìn)行退火處理,退火溫度為400-5000C,退火時(shí)間為.30-60min. (8)表面鍍金:將上述鍍鈀銅線電鍍0.8-1.0wt %的純金,電鍍用金的純度要求大于.99.99%,電鍍的工藝參數(shù)控制在:電鍍液pH值為7-9,電鍍液溫度為20-50 °C,電流密度控制在0.1-1.0A/dm2,通過(guò)控制電鍍時(shí)間影響鍍層厚度,鍍金層的厚度控制在0.01-0.03微米。 (9)清洗:對(duì)上述鍍金鈀鍵合銅線進(jìn)行表面清洗,先用酸液酸洗,然后經(jīng)超聲波清洗,再用高純水清洗、烘干。2.如權(quán)利要求1所述的鍍金鈀鍵合銅線,其特征在于:所用高純銅原材料純度大于.99.999%,所用金屬鈀原材料純度大于99.99%,所用金屬金原材料純度大于99.99 %。3.如權(quán)利要求1所述的鍍金鈀鍵合銅線,其特征在于所含金屬占成品的質(zhì)量百分比為:銅的質(zhì)量百分比為95.5-96.0%;鈀的質(zhì)量百分比為3.0-3.5% ;金的質(zhì)量百分比為0.8-.1.0% ;微量金屬元素總的質(zhì)量百分比<0.01%,其中銀的質(zhì)量百分比<0.002%,娃的質(zhì)量百分比≤0.002%,鈣的質(zhì)量百分比≤0.002%,鋁的質(zhì)量百分比≤0.002%,鐵的質(zhì)量百分比≤0.001%,鎳的質(zhì)量百分比≤0.0005%。
【文檔編號(hào)】C25D3/50GK106086962SQ201610435499
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月6日
【發(fā)明人】張志強(qiáng), 楊飛, 馬婷婷
【申請(qǐng)人】上海銘灃半導(dǎo)體科技有限公司