電子封裝用銅鍵合線及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種大規(guī)模集成電路和半導體器件等電子產(chǎn)品封裝用的銅引線材料 及銅鍵合線制備方法，具體來說是一種用于微電子封裝技術(shù)的銅鍵合線及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為1C芯片和線路板連接橋梁的鍵合金屬線，是電子器件不可或缺的一種電子 材料，它與硅材料、導電漿料、引線框架材料等一起構(gòu)成了電子技術(shù)中的四大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材 料。
[0003] 集成電路的超大規(guī)模化、多功能化及電子器件的小型化，使封裝技術(shù)正朝多引線 化、高密度化、薄型化、多功能化、高散熱性化和高可靠性方向發(fā)展，要求更細的鍵合線進行 小間距、長距離的焊接。金線鍵合技術(shù)已經(jīng)不能完全滿足更小、更高可靠性的高性能要求。 高性能的銅線因其優(yōu)異的機械、電學、熱學性能和低的金屬間化合物形成速度，使之在小間 距長距離鍵合方面比金線更具有優(yōu)勢；晶片的金屬化材料由鋁等改為銅，也使銅與銅鍵合 的電子產(chǎn)品具有高更高的可靠性。此外，全球金價的不斷上漲，也推動了高性能銅鍵合線的 應用和推廣，以降低封裝企業(yè)的封裝成本，提高經(jīng)濟效益。所以，高性能銅線已成為鍵合線 研發(fā)的重要方向。
[0004] 中國專利文獻CN102859672A提供一種高純度銅合金球焊接引線，通過向純度為 99. 9985質(zhì)量％以上的高純度銅中添加微量的磷（P)，使其重結(jié)晶溫度比純度為99. 9999質(zhì) 量％以上的高純度銅高的重結(jié)晶溫度還高，并且球焊接的初始焊球的硬度降低。
[0005] 專利文獻CN101626006介紹了一種柔性鍵合銅絲及其制備方法，由以下組分組 成：CeO. 001%-0. 005%，Pd0. 003%-0. 005%，Pt0. 005%-0. 009%，余量為Cu。通過采取多 元摻雜合金，加入其他成分，降低銅的硬度，特別是成球硬度，減少對芯片的沖擊力和破壞， 降低鍵合能量，阻止了界面氧化物和裂紋的產(chǎn)生，保持其結(jié)合性能的穩(wěn)定，從而提高了結(jié)合 性能、導電性和抗氧化性；并通過控制熔鑄、加工、熱處理條件，進一步優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)，保證 得到合適的機械性能，能夠滿足不同的需要。
[0006] 中國專利文獻CN101524721報道了一種單晶銅鍵合絲的制備方法，所述的單晶銅 鍵合絲的原材料為銅，其步驟為：采用高真空爐將純度高于99. 995 %高純銅熔化，升溫到 1100?1180°C，精煉60?120分鐘，整個熔煉過程采用高純氬氣保護，并采用定向凝固方 式拉制<P4?98111111單晶銅桿，然后冷加工至90. 95?9〗.102mm，每道次拉拔加工率為 15?25%，然后分為47?70個道次，采用每道次加工率為7. 59?17. 82%將單晶銅桿拉 制0. 020?0. 05mm，拉絲時溫度為35?45°C，將單晶銅鍵合絲表面采用超聲波清洗，將清 洗后的單晶銅鍵合絲進行熱處理。
[0007] 上述專利文獻所報道的銅鍵合線力學性能可以滿足電子封裝的要求，但銅線的硬 度偏高、抗氧化性能較弱，不利于銅線的存儲和打線作業(yè)。
[0008] 中國專利文獻CN1949493A公布了一種銅鍵合線，該文獻中公布的銅鍵合線的材 料配方為：鈰含量0. 0005 % -0. 001 %，鋅或錫含量0. 0003-0. 0008 %，余量為銅，其含量不 低于99. 996%。采用該文獻公布的銅線作為鍵合材料，一方面降低了鍵合線的價格，另一方 面滿足了對高的導電性能及鍵合線強度的要求，但是該方案中用來提高鍵合線表面抗氧化 性的金屬元素鋅或者錫的含量較低，因此抗氧化性能差強人意。
[0009] 為更好地提高銅線的抗氧化性能，中國專利文獻CN102130067A公布了一種表面 鍍鈀的銅鍵合線，該發(fā)明鍍鈀鍵合銅絲，包括銅為主組分的銅芯材，以及在所述銅芯材上鍍 覆形成的鈀層，其特征在于：由銅為主組分的銅芯材添加改善延伸性能的微量金屬，經(jīng)過單 晶熔煉拉伸成銅合金芯線并在表面鍍鈀后再超細拉伸為表面鍍鈀鍵合銅絲。
[0010] 銅線的表面涂覆鍍層雖然可以保護銅線不被氧化或者是能提高鍵合強度，但在表 面鈀層施鍍過程中，難免出線電鍍工藝參數(shù)和鍍液成分的變化而導致鈀鍍層出線各種問 題，如：鈀鍍層厚度的均勻性、鈀鍍層與銅基體牢固結(jié)合以及鈀鍍層的致密性等。鍍鈀層一 旦出現(xiàn)問題，將會導致后續(xù)拉制過程中金屬鍍層出現(xiàn)厚薄不均勻現(xiàn)象，影響銅線成球的圓 整性和規(guī)則性，嚴重時則會出線局部銅線無鍍鈀層現(xiàn)象；再者鍍鈀銅線在燒球時，易于形成 高鈀含量銅合金焊球，提高焊球的硬度，不利于施焊。
[0011] 為更好地解決銅鍵合線硬度高和抗氧化能力低的問題，還需要采用多元微合金化 的思路，通過改變銅合金的表面組織致密性來提高耐腐蝕抗氧化性能，和降低高含量合金 化元素的強化作用導致的高硬度問題，制備出較現(xiàn)有銅鍵合線斷裂強力更低、延伸率更高、 表面致密度和光潔度更高的銅線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種剛性較好、較低焊球硬度、力學性能均勻、 抗氧化性能較好的銅鍵合線用銅合金材料，并且提供一種適用于本發(fā)明銅合金材料制作銅 鍵合線的制備方法。
[0013] 為此本發(fā)明提供一種適合于大規(guī)模集成電路和半導體器件等電子封裝用的銅鍵 合線材料及利用該材料制備銅鍵合線的制備方法，技術(shù)方案為：
[0014] 一種適用于大規(guī)模集成電路和半導體器件封裝用的鍵合線制造的銅合金，其基礎(chǔ) 成分組成及范圍為：MgO. 0005?0. 02wt%，SrO. 0005?0,01wt%，余者為Cu、附帶的元素 和雜質(zhì)，且 〇? 〇〇15wt%< Mgwt% +Srwt%< 0? 025wt%，同時雜質(zhì)總量< 0? 0015wt%。
[0015] 本發(fā)明的用于鍵合線制造的銅合金還可以進一步添加選自附帶元素B、Ni、Ca、La 和Li中的至少1種，最多至3種，但所述的附帶元素B、Ni、Ca、La和Li等的總添加含量 ^ 0. 4X (Mgwt% +Srwt% )〇
[0016] 利用上述成分銅合金制備銅鍵合線的方法，其制備流程為：
[0017] a.制備中間合金：分別將硼、鎂、鍶、鑭、鈣、鋰和鎳加入熔化的6N銅溶液中，制備 Cu-B、Cu-Mg、Cu-La、Cu-Li、Cu-Ca、Cu-Sr、Cu-Ni中間合金，并將中間合金軋制成合適厚度 的薄板；
[0018] b.由步驟a所制得的中間合金與6N銅熔化成所需成分的銅合金熔體，并制備銅合 金圓桿；
[0019] c.將步驟b所制得的銅合金圓桿進行致密化冷處理；
[0020] d.將經(jīng)過所述步驟f處理的銅合金圓桿進行拉制，形成所需尺寸的銅絲；
[0021] e.將所述銅絲在保護氣體中進行最終退火處理，復繞分裝和保護性包裝。
[0022] 本發(fā)明的銅鍵合線的制備方法，所述步驟a和所述步驟b均在真空度不低于l(T2Pa 的條件下進行。
[0023]本發(fā)明的銅鍵合線的制備方法，在所述步驟a和b中，制備所述中間合金和所述銅 合金的熔化熔煉溫度維持在ll〇〇_1450°C。
[0024]本發(fā)明的銅鍵合線的制備方法，在所述步驟b中，所述銅合金熔體制備直徑5_8mm的銅合金圓桿。
[0025]本發(fā)明的銅鍵合線的制備方法，在所述步驟c中，銅合金圓桿進行低溫冷處理致 密化，冷處理溫度不高于-50°C，致密化時間低于10小時。。
[0026]本發(fā)明的銅鍵合線的制備方法，所述步驟c中，銅合金圓桿的進行致密化處理，冷 處理溫度不高于為-50°C，冷處理時間不少于10小時。
[0027]本發(fā)明的銅鍵合線及銅鍵合線的制備方法存在以下優(yōu)點：
[0028] 1.本發(fā)明的銅鍵合線在組分中加入了 Mg、Sr以及B、Ca、La、Li、Ni等元素，改善 了合金的綜合性能。具體來說：鎂（質(zhì)量百分含量為〇. 0003% -0. 02% )是銅的強脫氧劑， 適量的鎂可以避免銅合金中殘存CuO和Cu20夾雜，還可以提高銅合金的抗高溫氧化性；微 量鍶作為晶界活性元素，優(yōu)先聚集于晶界，提高晶界的完整性和表面的致密性，增強抗氧原 子侵入內(nèi)部的能力，同時提高銅鍵合線熔球時穩(wěn)定性；銅合金含有微量的硼（質(zhì)量百分含 量為0. 0003% -0. 01% )，作為活性元素，改善界面致密度，提高銅線表面完整性和光潔度， 同時