傳感器半導(dǎo)體芯片用銅合金材料的制作方法
【專利摘要】傳感器半導(dǎo)體芯片用銅合金材料，主要包括銅元素，還包括鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素，所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別為：鎳0.2%~0.6%，鎘0.1%~0.3%，鋅1.1%~2.2%，貴金屬元素0.02%~0.05%，稀土金屬元素0.03%~0.04%。本發(fā)明公開(kāi)的銅合金材料用來(lái)封裝傳感器半導(dǎo)體芯片時(shí)，能夠具有較佳的常溫與高溫抗氧化功效，用本發(fā)明銅合金封裝的傳感器半導(dǎo)體芯片，不僅可降低半導(dǎo)體芯片熱膨脹系數(shù)，有助改善熱疲勞可靠度，減少結(jié)合界面剝離的現(xiàn)象發(fā)生外，亦能降低金屬間化合物層厚度，進(jìn)而提高界面可靠度。
【專利說(shuō)明】傳感器半導(dǎo)體芯片用銅合金材料

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器半導(dǎo)體芯片用銅合金材料，它是一種適用于傳感器中的半導(dǎo)體 芯片的銅合金，屬于合金材料領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 銅合金被廣泛應(yīng)用于汽車部件、家電部件、電氣、電子、光學(xué)部件、配管構(gòu)件、水暖 金屬件或者各種閥門等。且由于近年來(lái)全球變暖，強(qiáng)烈要求制品或者構(gòu)件的小型、輕量化和 薄壁化，在比重比鐵大的銅合金中，需要通過(guò)高強(qiáng)度化來(lái)應(yīng)對(duì)上述要求。
[0003] 尤其在氣象機(jī)械、氣象光學(xué)儀器領(lǐng)域，對(duì)儀器的重量有著較高的要求，以及對(duì)儀器 的精密程度要求較高，就需要使用高強(qiáng)度的且輕質(zhì)的合金材料，很多氣象觀測(cè)站，由于地 域、交通的限制，不能夠滿足較重儀器的搬運(yùn)和安裝，儀器更換也存在很大的難度，這就需 要在儀器的配備上有著較高的要求，儀器的精密度，以及儀器的使用壽命要求高。對(duì)于儀器 制作時(shí)使用的材料，尤其是傳感器，以及數(shù)據(jù)采集芯片使用的銅合金的要求很高，傳統(tǒng)的簡(jiǎn) 單的銅合金材料基本無(wú)法滿足要求。傳統(tǒng)的銅合金不僅在質(zhì)量重、感應(yīng)的靈敏度差以及能 夠被使用的次數(shù)少，不能滿足氣象領(lǐng)域的儀器使用要求。
[0004] 高導(dǎo)高強(qiáng)銅合金是一類有優(yōu)良綜合物理性能和力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)功能材料，廣泛應(yīng) 用于電阻焊、電力、電子、機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域。
[0005] 現(xiàn)有的晶體管、IC等半導(dǎo)體，或集成電路等組件，其連結(jié)電極與外部導(dǎo)線一般是以 高純度4N系（純度> 99. 99mass (質(zhì)量）％ )的黃金與其他微量金屬元素制成的金線作為 電性連接的接合線，然而，由于黃金較高的價(jià)格，以及黃金市場(chǎng)的不穩(wěn)定性，在考慮成本和 行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的情況下，使用黃金存在一定的弊端，不利于工業(yè)化應(yīng)用和大規(guī)模的生產(chǎn)。使用 銅合金替代高價(jià)位的高純度4N系（純度> 99. 99mass (質(zhì)量）％ )的黃金與其他微量金屬 元素制成的金線作為電性連接的接合線成為業(yè)內(nèi)人士考慮的方向。使用銅合金時(shí)，由于封 裝用樹(shù)脂與導(dǎo)線的熱膨脹系數(shù)差異過(guò)大，隨著半導(dǎo)體啟動(dòng)后溫度上升，因熱形成的體積膨 脹對(duì)形成回路的銅接合線產(chǎn)生外部應(yīng)力，特別是對(duì)暴露于嚴(yán)酷的熱循環(huán)條件下的半導(dǎo)體組 件，容易使銅接合線產(chǎn)生短線的問(wèn)題。
[0006] 用于作為載流部件（例如連接件、引流框、繼電器和開(kāi)關(guān)）的電氣和電子部件的材 料具有良好的電導(dǎo)率，以抑制因?yàn)檩d流而產(chǎn)生焦耳熱，要求所使用的材料的高強(qiáng)度能承受 在使用此材料的電氣和電子設(shè)備的組裝和運(yùn)行過(guò)程中向其施加的應(yīng)力。用于電氣和電子部 件的材料還要求具有極佳的可彎曲加工性，而且，為了確保電氣和電子部件之間的接觸可 靠性，要求用于該部件的材料具有極佳的耐應(yīng)力松弛性。尤其近年來(lái)，電氣和電子部件存在 集成化、微型化和輕質(zhì)化的傾向，碎玉材料的性能要求更高，銅合金板的厚度要變薄，強(qiáng)度 以及敏感度要求更高。
[0007] 發(fā)明人通過(guò)檢索得到專利號(hào)為2010800134044,發(fā)明名稱為高度強(qiáng)銅合金專利，該 銅合金中的組分為鋅20%?45%、鐵0. 3?1. 5%、鉻0. 3?1. 5%，余量為銅，且該銅合金 內(nèi)部分散有鐵-鉻系化合物粒子和A12Ca的金屬間化合物粒子，以重量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)所述鐵相對(duì) 于所述鉻的含有比率Fe/Cr為0. 5?2。在具體實(shí)施例中公布了抗拉強(qiáng)度和破斷延伸率的試 驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是對(duì)于這種配比的銅合金材料，只能通過(guò)使用該專利中公開(kāi)的制作方法來(lái)得到， 對(duì)于銅合金材料內(nèi)部的成型結(jié)構(gòu)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)具體控制，且該銅合金材料的抗變形系數(shù)，以及 導(dǎo)電系數(shù)并不能達(dá)到在氣象機(jī)械的傳感器中的要求，無(wú)法應(yīng)用到氣象機(jī)械的傳感器中，無(wú) 法解決減輕氣象機(jī)械的重量和提高氣象機(jī)械的傳感靈敏度的問(wèn)題。
[0008] 發(fā)明人還檢索到申請(qǐng)?zhí)枮?01110228500. 7,發(fā)明名稱為一種銅合金材料的發(fā)明專 利，該發(fā)明公開(kāi)的銅合金材料，由以下以重量百分比計(jì)的原料制成：PbO. 641%?0. 704%， SiL 23 % ?1. 36 %，MnL 94 % ?2. 32 %，Nil. 95 % ?2. 21 %，F(xiàn)eO. 093 % ?0. 153 %， SnO. 025%?0. 048%，Zn35. 3%?35. 76%，Cu余量。該發(fā)明的銅合金材料具有高強(qiáng)度、耐 磨、耐腐蝕、延展性好、易加工、不易拉脫等優(yōu)點(diǎn)，適合于制造高壓柱塞泵的核心零件如滑靴 和配流盤。但是這種銅合金材料的導(dǎo)電性能不好，不適應(yīng)于制作傳感器部件，尤其不適應(yīng)于 制作氣象領(lǐng)域的傳感器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了解決上述存在的問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種傳感器半導(dǎo)體芯片用銅合金材料， 本發(fā)明的具體方案為：
[0010] 傳感器半導(dǎo)體芯片用銅合金材料，主要包括銅元素，還包括鎳、鎘和鋅，其特征是 還包括若干種貴金屬元素和若干種稀土金屬元素，所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬 元素在銅合金中所占的重量百分比分別為：
[0011] 鎳 0.2%?0.6%，鎘 0? 1 %?0.3%，鋅 I. 1 %?2. 2%，貴金屬元素 0.02 %? 0. 05%，稀土金屬元素0. 03%?0. 04%。
[0012] 所述貴金屬元素選自銠、銀或鉑中的一種或者任意種組合。
[0013] 所述稀土金屬元素選自鐠、釹或鈰中的一種或者任意種組合。
[0014] 所述貴金屬元素包括銠、銀和鉑，銠、銀和鉑在貴金屬元素中所占的重量比例為 0. 5:0. 8 :1 ?1. 5。
[0015] 所述稀土金屬元素包括鐠、釹和鈰，鐠、釹和鈰在稀土金屬元素中所占的重量比例 為 1:1:3 ?4。
[0016] 所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別 為：
[0017] 鎳 0? 3%?0? 5%，鎘 0? 15%?0? 25%，鋅 L 5%?L 9%，貴金屬元素 0? 03%? 0. 04%，稀土金屬元素 0. 032%?0. 038%。
[0018] 所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別 為：
[0019] 鎳0? 4%，鎘0? 2%，鋅L 7%，貴金屬元素0? 035%，稀土金屬元素0? 035%。
[0020] 本發(fā)明的有益效果為：
[0021] 本發(fā)明公開(kāi)的銅合金材料用來(lái)封裝傳感器半導(dǎo)體芯片時(shí)，能夠具有較佳的常溫與 高溫抗氧化功效以及良好的焊接成球性與接合性。
[0022] 用本發(fā)明銅合金封裝的傳感器半導(dǎo)體芯片，在常溫?zé)o塵室中，可達(dá)到數(shù)月不被氧 化，避免傳統(tǒng)的接合銅材料在使用時(shí)，表面容易被氧化，形成一層黑色的氧化膜，尤其在封 裝傳感器半導(dǎo)體芯片的應(yīng)用領(lǐng)域，氧化膜不僅影響芯片表面光澤度，也會(huì)影響影響芯片的 導(dǎo)電性能，影響傳感器芯片的靈敏度和使用壽命，不利于要求較高的氣象領(lǐng)域的應(yīng)用。本發(fā) 明具有良好的常溫和高溫抗氧化能力。
[0023] 用本發(fā)明銅合金封裝的傳感器半導(dǎo)體芯片，不僅可降低半導(dǎo)體芯片熱膨脹系數(shù)， 有助改善熱疲勞可靠度，減少結(jié)合界面剝離的現(xiàn)象發(fā)生外，亦能降低金屬間化合物層厚度， 進(jìn)而提高界面可靠度。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。應(yīng)理解下述【具體實(shí)施方式】?jī)H用于說(shuō) 明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。
[0025] 本傳感器半導(dǎo)體芯片用銅合金材料，主要包括銅元素，還包括鎳、鎘和鋅，其特征 是還包括若干種貴金屬元素和若干種稀土金屬元素。
[0026] 實(shí)施例1 :
[0027] 所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別 為：
[0028] 鎳0.2%，鎘0. 1%，鋅I. 1%，貴金屬元素0.02%，稀土金屬元素0.03%。
[0029] 所述貴金屬元素包括銠、銀和鉑，銠、銀和鉑在貴金屬元素中所占的重量比例為 0. 5:0. 8 :1。
[0030] 所述稀土金屬元素包括鐠、釹和鈰，鐠、釹和鈰在稀土金屬元素中所占的重量比例 為 1:1:3〇
[0031] 實(shí)施例2:
[0032] 所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別 為：
[0033] 鎳0. 6 %，鎘0. 3 %，鋅2. 2 %，貴金屬元素0. 05 %，稀土金屬元素0. 04 %。
[0034] 所述貴金屬元素包括銠、銀和鉑，銠、銀和鉑在貴金屬元素中所占的重量比例為 0. 5:0. 8 :1. 5。
[0035] 所述稀土金屬元素包括鐠、釹和鈰，鐠、釹和鈰在稀土金屬元素中所占的重量比例 為 I:1:4〇
[0036] 實(shí)施例3 :
[0037] 所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別 為：
[0038] 鎳0. 3 %，鎘0. 15 %，鋅1. 5 %，貴金屬元素0. 03 %，稀土金屬元素0. 032 %。
[0039] 所述貴金屬元素包括銠、銀和鉑，銠、銀和鉑在貴金屬元素中所占的重量比例為 0. 5:0. 8 :1。
[0040] 所述稀土金屬元素包括鐠、釹和鈰，鐠、釹和鈰在稀土金屬元素中所占的重量比例 為 1:1:3〇
[0041] 實(shí)施例4:
[0042] 所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別 為：
[0043] 鎳0. 5 %，鎘0. 25 %，鋅I. 9 %，貴金屬元素0. 04%，稀土金屬元素0. 038 %。
[0044] 所述貴金屬元素包括銠、銀和鉑，銠、銀和鉑在貴金屬元素中所占的重量比例為 0. 5:0. 8 :1. 5。
[0045] 所述稀土金屬元素包括鐠、釹和鈰，鐠、釹和鈰在稀土金屬元素中所占的重量比例 為 I:1:4〇
[0046] 實(shí)施例5 :
[0047] 所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別 為：
[0048] 鎳0? 4 %，鎘0? 2 %，鋅L 7 %，貴金屬元素0? 035 %，稀土金屬元素0? 035 %。
[0049] 所述貴金屬元素包括銠、銀和鉑，銠、銀和鉑在貴金屬元素中所占的重量比例為 0. 5:0. 8 :1. 25。
[0050] 所述稀土金屬元素包括鐠、釹和鈰，鐠、釹和鈰在稀土金屬元素中所占的重量比例 為 1:1:3. 5〇
[0051] 將上述5個(gè)具體實(shí)施例的不同組分的銅合金材料分別用來(lái)封裝相同厚度的傳感 器芯片，傳感器芯片選用9mm，分別將5個(gè)實(shí)施例封裝成的傳感器芯片用來(lái)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，
[0052] 第一個(gè)實(shí)驗(yàn)為：分別將5個(gè)實(shí)施例封裝成的傳感器芯片置于常溫的無(wú)塵環(huán)境中， 讓其與空氣充分接觸，觀察其第30天被氧化情況；
[0053] 第二個(gè)實(shí)驗(yàn)為：分別將5個(gè)實(shí)施例封裝成的傳感器芯片置于高溫（選用150°C )的 環(huán)境中，讓其與空氣充分接觸，觀察其第15天被氧化情況；
[0054] 第三個(gè)實(shí)驗(yàn)為：分別測(cè)試5個(gè)實(shí)施例封裝成的傳感器芯片的熱脹系數(shù)。
[0055] 得到數(shù)據(jù)如下表：

【權(quán)利要求】
1. 傳感器半導(dǎo)體芯片用銅合金材料，主要包括銅元素，還包括鎳、鎘和鋅，其特征是還 包括若干種貴金屬元素和若干種稀土金屬元素，所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元 素在銅合金中所占的重量百分比分別為： 鎳 0. 2%~0. 6%，鎘 0. 1%~0. 3%，鋅 1. 1%~2. 2%，貴金屬元素 0. 02%~0. 05%，稀土金屬元素 0. 03%~0. 04%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器半導(dǎo)體芯片用銅合金材料，其特征是所述貴金屬元素 選自銠、銀或鉑中的一種或者任意種組合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器半導(dǎo)體芯片用銅合金材料，其特征是所述稀土金屬元 素選自鐠、釹或鈰中的一種或者任意種組合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器半導(dǎo)體芯片用銅合金材料，其特征是所述貴金屬元素 包括銠、銀和鉑，銠、銀和鉑在貴金屬元素中所占的重量比例為0. 5: 0. 8 :1~1. 5。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器半導(dǎo)體芯片用銅合金材料，其特征是所述稀土金屬元 素包括鐠、釹和鋪，鐠、釹和鈰在稀土金屬元素中所占的重量比例為1:1:3~4。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一所述的傳感器半導(dǎo)體芯片用銅合金材料，其特征是所述 鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別為： 鎳 0. 3%~0. 5%，鎘 0. 15%~0. 25%，鋅 1. 5%~1. 9%，貴金屬元素 0. 03%~0. 04%，稀土金屬元素 0. 032%~0, 038%〇
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一所述的傳感器半導(dǎo)體芯片用銅合金材料，其特征是所述 鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別為： 鎳0. 4%，鎘0. 2%，鋅1. 7%，貴金屬元素0. 035%，稀土金屬元素0. 035%。
【文檔編號(hào)】C22C9/04GK104451246SQ201410643345
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月13日
【發(fā)明者】禹勝林 申請(qǐng)人:無(wú)錫信大氣象傳感網(wǎng)科技有限公司