一種耐腐蝕鍵合銅絲及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種耐腐蝕鍵合銅絲及其制備方法，該鍵合銅絲具有良好的耐腐蝕性（抗氧化性）和短熱影響區長度，熱影響區長度較普通鍵合銅絲降低了22%，能夠滿足高密度、多層封裝及LED封裝的要求，可以廣泛應用于多引腳、高密度的集成電路封裝。該鍵合銅絲各成分重量百分含量為：Li0.008～1.0wt%，Ce0.3～0.5wt%，Cu余量。其制備方法為：a.銅Li中間合金制作，在銅液熔化并清澈后加入采用銅箔包裹的Li；b.鍵合銅絲原材料制作；c.鍵合銅絲制備，并在熱處理之前對鍵合銅絲表面進行清洗。
【專利說明】一種耐腐蝕鍵合銅絲及其制備方法
[0001]

【技術領域】 本發明屬于半導體材料【技術領域】，主要涉及一種耐腐蝕性能好、熱影響區長度短的高 性能鍵合銅絲及其制備方法。
[0002]

【背景技術】 鍵合銅線以其優良的力學性能、電學性能和低成本因素，在微電子封裝上被逐步采用， 但現有銅線的應用上由于其本身容易腐蝕(鍵合銅絲氧化直接導致焊點連接強度不夠或者 虛焊)、熱影響區過大不能適應低弧度及多層封裝技術的需要，提高銅線耐腐蝕(抗氧化）性 能、減小焊接過程中的熱影響區長度能夠加快銅線在微電子封裝中的應用。
[0003]現有的鍵合銅絲以高純單晶銅為原材料，由于高純單晶銅的氧化具有明顯的取向 性，非密排的（100)晶面上界面能高、晶面原子堆垛相對疏松和原子尺度上粗糙，且氧化膜 生長連續，氧化速率高于密排的（111)晶面，單晶銅非密排的（100)晶面氧化膜的致密性和 附著性都較差，氧化速率大，耐腐蝕性差，不能滿足高端微電子封裝的要求。此外，單晶銅鍵 合絲在拉制過程中，由于拉絲受力不均勻造成拉絲過程中銅晶粒破碎，形成不規則的半連 續柱狀晶，受熱后其晶界容易遷移，致使再結晶溫度較低，熱影響區長度較長，不適合高密 度、低弧度及多層封裝。因此，開發耐腐蝕性好、熱影響區短的鍵合銅線原材料及制備方法 對于加快鍵合銅絲在高端微電子封裝中的應用具有重要意義。
[0004]


【發明內容】
為了解決上述問題，本發明的目的在于提供了一種耐腐蝕性好、熱影響區長度短的鍵 合銅絲，該鍵合銅絲以高純銅為母料，并加入微量Li和Ce。高純銅加入微量Li,使鍵合銅 線的晶粒尺寸均勻，晶粒細化使得鍵合銅絲中的密排的（111)晶面的面積相對原來未細化 時的面積增加，即能量較小的晶面原子所占的面積增大，氧化速率減小。同時由于Li原子 與氧原子的親和力大于銅原子與氧原子的親和力，所生成的氧化Li與氧化銅之間互不固 溶，銅Li合金在形成的氧化膜與銅基體的界面間和氧化亞銅之間生成了保護氧化層，提高 了高純銅的氧化性。此外，位錯周圍的彈性應力場的交互作用使Li原子在位錯周圍形成氣 團，對再結晶過程中的位錯運動與重排起阻礙作用，抑制再結晶過程的形核，Li和Ce原子 與銅原子間的化學交互作用與彈性交互作用，引起高純銅的晶格畸變，阻礙了再結晶過程 中銅的晶界遷移，減少了純銅的再結晶形核率和晶粒長大兩個過程，從而抑制再結晶，提高 了再結晶溫度，減少了銅球的熱影響區，熱影響區長度由高純單晶鍵合銅絲的152μm減少 到該發明鍵合銅絲的126μπι，熱影響區長度降低了 22%。該鍵合銅絲具有良好的抗氧化性 能、短的熱影響區長度，可以增加焊接結合強度并滿足〇. 〇5_弧高要求，適應了高密度封 裝及LED封裝中鍵合連接的要求。該鍵合銅絲原材料各成分重量百分含量是：Li0.008? I.Owt%，Ce0· 3 ?0· 5wt%，Cu余量。
[0005]本發明的另一個目的在于提供一種鍵合銅絲的制備方法，該鍵合銅絲原材料由純 度不低于99. 9995%的高純銅、純度不低于99. 9%的純Li及純度不低于99. 0%的Ce組成， 其中各成分重量百分含量是=Li0. 008?I.Owt%，Ce0. 3?0. 5wt%，Cu余量；該鍵合銅絲 的制備方法如下： (1) 制備該鍵合銅絲原材料，制備該鍵合銅絲原材料時采用真空中頻爐，其中所使用的 坩堝采用氧化鋯或氧化鎂或氧化鋁；該鍵合銅絲原材料制備流程為： 1) 稱量所使用高純銅總量10-80%的高純銅，并采用占高純銅總量的0. 1-5%的高純銅 箔將所述純Li包裹嚴實； 2) 對爐膛抽真空，真空度高于6XKT2Pa,并進行兩次高純Ar2清洗后，充入高純Ar2 至0. 01-20.OMpa后，加熱熔化高純銅，等銅熔化且銅液變清澈后加入高純銅箔包裹好的純 Li，并攪拌均勻； 3) 合金靜置20-60分鐘后，冷卻得到銅Li中間合金； 4) 根據權利要求1所述成分,取一定高純銅和銅Li中間合金，對爐膛抽真空，真空度高 于6XKT2Pa,并進行兩次高純Ar2清洗后，充入高純Ar2至0. 01-1.OMpa后，加熱熔化銅合 金，合金完全熔化后添加所述Ce,并攪拌均勻，靜置20-60分鐘，然后采用定向凝固連鑄機 獲得直徑6-10mm鍵合絲原料； (2) 對鍵合銅絲原材料進行加工，并在熱處理之前采用純水對鍵合銅絲進行表面清洗。 [0006]

【具體實施方式】 實施例一： 一種鍵合銅絲的具體制備方法。其中該鍵合銅絲原材料由純度不低于99. 9995%的高 純銅、純度不低于99. 9%的純Li及純度不低于99. 0%的Ce組成，所述制備方法為： (1) 制備該鍵合銅絲原材料，制備該鍵合銅絲原材料時采用真空中頻爐，其中所使用的 坩堝采用氧化鋯或氧化鎂或氧化鋁；該鍵合銅絲原材料制備流程為： 1) 稱量970g高純銅（占高純銅總量的49. 4%)，并采用IOg(占高純銅總量的0. 5%)高 純銅箔將20g純Li包裹嚴實； 2) 對爐膛抽真空，真空度高于6XKT2Pa,并進行兩次高純Ar2清洗后，充入高純Ar2至 0. 06Mpa后，加熱熔化高純銅，等銅熔化且銅液變清澈后加入高純銅箔包裹好的純Li,并攪 拌均勻； 3) 合金靜置30分鐘后，冷卻得到銅Li中間合金； 4) 取993g高純銅和4g銅Li中間合金，對爐膛抽真空，真空度高于6X10_2Pa，并進 行兩次高純Ar2清洗后，充入高純Ar2至0. 05Mpa后，加熱熔化銅合金，合金完全熔化后添 加3gCe，并攪拌均勻，靜置20分鐘，然后采用定向凝固連鑄機獲得Li和Ce含量分別為 0. 008wt%和0. 3wt%，直徑6mm鍵合絲原料； (2) 對鍵合銅絲原材料進行加工至0. 050mm，并在熱處理之前采用純水對鍵合銅絲進行 表面清洗。
[0007] 實施例二： 一種銅鍵合絲的制備方法。其中該鍵合銅絲原材料由純度不低于99. 9995%的高純銅、 純度不低于99. 9%的純Li及純度不低于99. 0%的Ce組成，所述制備方法為： (1)制備該鍵合銅絲原材料，制備該鍵合銅絲原材料時采用真空中頻爐，其中所使用的 坩堝采用氧化鋯或氧化鎂或氧化鋁；該鍵合銅絲原材料制備流程為： 1) 稱量970g高純銅（占高純銅總量的66. 2%)，并采用IOg(占高純銅總量的0. 6%)高 純銅箔將20g純Li包裹嚴實； 2) 對爐膛抽真空，真空度高于6XKT2Pa,并進行兩次高純Ar2清洗后，充入高純Ar2至 0. 06Mpa后，加熱熔化高純銅，等銅熔化且銅液變清澈后加入高純銅箔包裹好的純Li,并攪 拌均勻； 3) 合金靜置30分鐘后，冷卻得到銅Li中間合金； 4) 取495g高純銅和500g銅Li中間合金，對爐膛抽真空，真空度高于6X10_2Pa，并進 行兩次高純Ar2清洗后，充入高純Ar2至0. 07Mpa后，加熱熔化銅合金，合金完全熔化后添加 5gCe，并攪拌均勻，靜置30分鐘，然后采用定向凝固連鑄機獲得Li和Ce含量分別為I.Owt% 和0. 5wt%，直徑8mm鍵合絲原料； (2)對鍵合銅絲原材料進行加工至0. 020mm，并在熱處理之前采用純水對鍵合銅絲進行 表面清洗。
[0008] 實施例三： 一種銅鍵合絲的具體制備方法。
[0009] 其中該鍵合銅絲原材料由純度不低于99. 9995%的高純銅、純度不低于99. 9%的純 Li及純度不低于99. 0%的Ce組成，所述制備方法為： (1) 制備該鍵合銅絲原材料，制備該鍵合銅絲原材料時采用真空中頻爐，其中所使用的 坩堝采用氧化鋯或氧化鎂或氧化鋁；該鍵合銅絲原材料制備流程為： 1) 稱量970g高純銅（占高純銅總量的56. 5%)，并采用IOg(占高純銅總量的0. 58%)高 純銅箔將20g純Li包裹嚴實； 2) 對爐膛抽真空，真空度高于6XKT2Pa,并進行兩次高純Ar2清洗后，充入高純Ar2至 0. 06Mpa后，加熱熔化高純銅，等銅熔化且銅液變清澈后加入高純銅箔包裹好的純Li,并攪 拌均勻； 3) 合金靜置30分鐘后，冷卻得到銅Li中間合金； 4) 取747g高純銅和250g銅Li中間合金，對爐膛抽真空，真空度高于6X10_2Pa，并進 行兩次高純Ar2清洗后，充入高純Ar2至0. 04Mpa后，加熱熔化銅合金，合金完全熔化后添加 3gCe，并攪拌均勻，靜置40分鐘，然后采用定向凝固連鑄機獲得Li和Ce含量分別為0. 5wt% 和0. 3wt%，直徑IOmm鍵合絲原料； (2) 對鍵合銅絲原材料進行加工至0. 018mm，并在熱處理之前采用純水對鍵合銅絲進行 表面清洗。
[0010] 通過試驗發現，本發明的鍵合銅絲與現有銅絲相比，能顯著提高抗氧化性并顯著 減少熱影響區長度，下表是通過實驗得到的本發明的鍵合銅絲與現有技術的銅絲的性能數 據：

【權利要求】
1. 一種具有良好耐腐蝕和短熱影響區長度的銅鍵合絲，其特征在于：銅鍵合絲材料的 各成分重量百分含量是：Li 0· 008?L Owt%，Ce 0· 3?0· 5wt%，Cu余量。
2. 根據權利要求1所述的銅鍵合絲，其特征在于：該鍵合銅絲具有高的再結晶溫度， 在焊接過程中能夠得到短的熱影響區，熱影響區小于0. 13mm，比單晶鍵合銅絲熱影響區降 低了 22% ;能形成超低弧度，最小弧度達到0. 050mm，適用于器件多層封裝及LED封裝。
3. 根據權利要求1或2所述鍵合銅絲的制備方法，該鍵合銅絲的原材料由純度不低于 99. 9995%的高純銅、純度不低于99. 9%的純Li及純度不低于99. 0%的Ce組成，其中各成分 重量百分含量是：Li 0. 008?1. Owt%，Ce 0. 3?0. 5wt%，Cu余量；該鍵合銅絲的制備方法 如下： (1) 制備鍵合銅絲的原材料，制備該鍵合銅絲的原材料時采用真空中頻爐，其中所使用 的坩堝采用氧化鋯或氧化鎂或氧化鋁；該鍵合銅絲原材料制備流程為： 1) 稱量所使用高純銅總量10-80%的高純銅，并采用占高純銅總量的0. 1-5%的高純銅 箔將所述純Li包裹嚴實； 2) 對爐膛抽真空，真空度高于6X l(T2Pa，并進行兩次高純Ar2清洗后，充入高純Ar2 至0. 01-20. OMpa后，加熱熔化高純銅，等銅熔化且銅液變清澈后加入高純銅箔包裹好的純 Li，并攪拌均勻； 3) 合金靜置20-60分鐘后，冷卻得到銅Li中間合金； 4) 根據權利要求1所述成分，取一定高純銅和銅Li中間合金，對爐膛抽真空，真空度高 于6 X l(T2Pa，并進行兩次高純Ar2清洗后，充入高純Ar2至0. 01-1. OMpa后，加熱熔化銅合 金，合金完全熔化后添加所述Ce，并攪拌均勻，靜置20-60分鐘，然后采用定向凝固連鑄機 獲得直徑6-10mm鍵合絲原料； (2) 對鍵合銅絲原材料進行加工。
4. 根據權利要求3所述的銅鍵合絲制備方法，其特征在于：鍵合銅絲加工過程中，在熱 處理之前對鍵合銅絲進行表面清洗。
【文檔編號】C22C9/00GK104278169SQ201310293330
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月12日 優先權日:2013年7月12日
【發明者】曹軍, 范俊玲, 李艷梅, 吳雪峰 申請人:河南理工大學