專利名稱:絕緣鋁線的制作方法
本發(fā)明涉及用陽極氧化膜來電氣絕緣的鋁線。這種導線在微電子技術領域：
內具有許多不同的用途。例如，非常細的鋁和金基導線通常用于將集成電路的端子與引線架連接。連接或用楔-楔焊接或是用球-楔焊接來完成。目前在焊接中使用的金線或鋁線，都不是絕緣的。然而，對于絕緣的焊接線有著特別的需要，尤其是對于超大規(guī)模集成電路，需要用絕緣的焊接線將許多芯片與引線架連接起來。
這種需要的存在是因為裸焊接線從芯片連接至引線架時必須在某種程度上避免導線與導線接觸和導線與電路接觸。因為導線必須間隔得很大和小心地連成回路，以便將它們與它們的周圍隔離，這個要求嚴格地限制了芯片的可能引線數(shù)目。適當?shù)亟^緣的焊接線實際上可放寬連成回路和導線間隔的嚴格幾何要求，因為導線與導線和導線與電路接觸將不導致電路發(fā)生故障。
絕緣導線因為二個原因在焊接中現(xiàn)在不使用。第一，已經(jīng)知道導線表面上的絕緣材料與導線表面上的灰塵一樣嚴重地損害導線粘合程度。第二，用普通的導線絕緣材料例如塑料，要滿意地絕緣非常細的導線已經(jīng)證明是非常困難的。
聯(lián)邦德國專利申請DE3335848A公開了一種將絕緣鋁線連接到電子電路的接點的方法，該方法涉及使用超聲波振動。絕緣鋁線簡稱作陽極化鋁線，它包括一條有30至60微米直徑的鋁芯和一層厚0.1至1微米的氧化鋁膜?！把趸X膜”層理解為密封多孔陽極氧化膜。在我們的處理中，由這種層提供的絕緣層應用于微電子技術已經(jīng)普遍地證明是不足的。
為了說明構成本發(fā)明的改進設計，首先需要簡短地討論陽極氧化的性質。當一個鋁質襯底被放置在電解液中而作為陽極時，在表面上形成一氧化膜，藉在金屬/氧化物界面上金屬轉換成氧化物而增加其厚度。根據(jù)不同環(huán)境，可以形成二種不同的陽極氧化膜ⅰ)當電解液對氧化鋁有顯著的溶解作用時，形成多孔陽極氧化膜。這包括鄰近金屬/氧化物界面的一層薄的阻擋層，和一層厚得多的多孔層，在多孔層中有細孔從氧化物/電解液界面擴散到阻擋層。氧化膜的連續(xù)生長涉及輸送物質上下細孔，而膜的最終厚度主要是取決于陽極氧化的時間。
ⅱ)當使用的電解液對氧化物沒有顯著的溶解作用時，形成一層非多孔或陽擋層陽極氧化膜。這層膜的厚度主要是取決于陽極氧化電壓，而一般是每伏1.0至1.4毫微米。
幾乎所有工業(yè)的陽極氧化是在得出多孔陽極氧化膜的條件下，使用鉻酸、硫酸或草酸進行的。對于大多數(shù)用途來說，這些膜中的細孔需要密封，而這通常用膜暴露在沸水里的方法完成，沸水水合表面氧化鋁，使其隆起，以便在它們的外端堵塞細孔。氧化鋁膜是一個應用于這種密封多孔陽極氧化膜的技術術語。
阻擋層薄膜作為絕緣體被廣泛地使用在電解電容器中。本發(fā)明建立在發(fā)現(xiàn)下列事實上，即非多孔或阻擋層陽極氧化膜能形成在鋁線上，這不僅提供良好的絕緣也提供其他有益的特性。一個方面，本發(fā)明提供包括阻擋層陽極氧化膜絕緣的絕緣鋁線。在合適的環(huán)境下，這種絕緣鋁線能滿足微電子技術工業(yè)的需要。然而，借助將部分阻擋層轉換為水化氧化鋁，能使絕緣性能得到進一步的改善。因此在另一個方面，本發(fā)明提供包括一層內部阻擋層陽極氧化膜和一層水合氧化鋁外層的二層絕緣的絕緣鋁線。這種產(chǎn)品在干燥的環(huán)境中顯示出絕緣性能的改善，而在潮濕的環(huán)境中的性能有較少的不利的影響。
鋁線通常的直徑范圍是從10至1000微米。目前在微電子技術工業(yè)中使用的導線，一般的直徑是25至30或100至400微米。直徑在10微米以下的線不容易制造。在1000微米以上直徑的線，可以證明用其他方法絕緣更具吸引力。
導線可以用純鋁或鋁合金制造。純鋁可以用在導線的強度不是最重要的地方，而具有能在其上面形成平坦無疵的陽極氧化膜的優(yōu)點。鋁-1%-硅線通常是使用在微電子技術工業(yè)中，而能用來制成本發(fā)明的絕緣線。但是，它包含硅相粒子，這種粒子在陽極氧化的過程中會在導線的表面上形成缺陷。在多數(shù)情況，這種缺陷是無關緊要的。當缺陷有關緊要時，最好采用單相鋁合金，例如鋁-1%-鎂，它較純鋁強度高，而且是用于本發(fā)明的最好合金。鋁鎂合金的附加優(yōu)點是形成的陽極氧化膜比較脆，可以如下面敘述的幫助焊接。
要達到顯著的電氣絕緣，阻擋層陽極氧化膜應當至少是0.01微米厚。制造超過約0.3微米厚的阻擋層膜是有困難的，因為在要求的高陽極氧化電壓下，電介質會擊穿。阻擋層膜的最佳厚度的范圍一般是0.1至0.25微米。
如上所指出的，當阻擋層陽極氧化膜被暴露在熱或沸水中時，外表面成為水合的且受到相當?shù)呐蛎洝；瘜W變化是復雜的，但可近似的概括為伽馬-Al2O3+H2O→Al2O3·H2O。
所得到的膜有一個二層結構，包括一內阻擋層陽極氧化膜，該膜最好應是從0.01至0.15微米厚，雖然厚度上沒有嚴格的下限;以及一水合氧化鋁的外層，該層一般可以從0.01至0.8微米，更一般是從0.1至0.5微米厚。非常薄的水合氧化鋁層并不能顯著地改善阻擋層膜的絕緣性能。由于有伴生的散裂危險，制造超過0.8微米厚的水合氧化鋁層而不完全水合內阻擋層是有困難的。
絕緣線可以在適當?shù)臈l件下藉陽極氧化鋁線形成。電解液在所選陽極氧化條件下是一種對氧化鋁并不具有顯著溶解作用的電解液。我們發(fā)現(xiàn)，可方便地使用一種弱的(以重量計高達5%)酒石酸溶液，以氫氧化銨緩沖至一個從5至7的pH值，但是眾所周知，也可以使用其他的酸諸如草酸、檸檬酸和硼酸，而對于這些酸，也有合適的其他的緩沖劑、其他的濃度和其他的pH值范圍。阻擋層陽極氧化的技術在例如S.韋尼克(S.Wernick)和R.平納(R.Pinner)所著的“鋁的表面處理”一文中有介紹。
電解液適于放置在大氣溫度下。施加的電壓應當高到足以保證膜迅速生長，而不是高得使膜的介質擊穿。電解時間應當足以使陽極膜厚度能接近理論的最大值，而一般可以在15至60秒的范圍內。在這些條件下陽極氧化是容易地在連續(xù)生產(chǎn)的基礎上進行，使導線通過一槽電解液時在導槽上經(jīng)過，導槽之一還充當電流載體。
陽極氧化以后，導線被沖洗，然后可放在熱水里，以便使氧化鋁阻擋層的外表面水合。水溫一般是至少80℃，但為了避免由于水泡而可能損傷陽極氧化層，水最好不要沸騰。在密封多孔陽極氧化膜的技術中，眾所周知，水中可以加添加劑以促進水合作用。氧化鋁水合作用的程度尤其取決于其暴露在熱水中的持續(xù)時間。暴露時間從5或最好從10至120秒，可能得到滿意的水合氧化鋁層，而完全不破壞內阻擋層陽極氧化膜。
例如，具有0.17微米厚度初生氧化膜的導線，被浸入沸水中約40秒，在余下的0.08微米初生氧化物的上面形成約為0.5微米厚的第二層水合氧化層。
用附圖來說明本發(fā)明，其中圖1 是放大比例的通過本發(fā)明部分絕緣鋁線的理想剖面圖;以及圖2 是其端子用細線連結至引線架的微電路的頂視圖。
參閱圖1，細金屬線10是由鋁-1%-鎂合金制成，在其表面附有包含二層的絕緣。內阻擋層陽極氧化膜12是由大約為內層四倍厚的水合氧化鋁外層14覆蓋。在陽極氧化過程中，金屬變換成氧化物是在金屬/氧化物界面16處進行。氧化鋁的水合作用是由氧化物/空氣或氧化物/液體界面18開始進行。
圖2表示一包含由一系列小接點24圍著的微電路22的芯片20，各小接點是用細鋁線26連接至引線架30上的焊接點28。諸導線大部分是相互平行的，但圖中有二對在32交叉，且彼此接觸，為此它們需要進行絕緣，以避免發(fā)生故障。
線26至相應的接點24、28的焊接是常規(guī)地使用楔形頭進行，線穿過楔形頭在接點上被壓下，然后振動以鋪開金屬線使其粘附于接點上。在線上有絕緣就不能可靠地實現(xiàn)粘附。所以要求絕緣的形式是足夠脆，當需要時就能脫落，以便留下裸金屬端，該裸金屬端能藉楔形接合器鋪開而使其粘附于接點。在此敘述的絕緣膜被發(fā)現(xiàn)對這用途是足夠脆的。的確，在鋁鎂合金上形成的陽極氧化膜已公知是比較脆。
微電子工業(yè)的電阻要求能描繪成如圖2中所示在32處以X圖樣重疊的二線，以致頂線是以足夠的力和底線接觸且下壓底線，使底線彎曲。這樣接觸的二條線在20伏時導電不應超過10-12安，而絕緣擊穿電壓應當是在最低數(shù)值例如20伏以上，但它取決于指定的用途。
現(xiàn)用下面的例子來說明本發(fā)明。
如圖的35微米直徑鋁-1%-鎂線是在高氯溶液中用電化學方法洗凈和變細(電解拋光)直到其直徑為30微米為止。這線的陽極氧化是在室溫中以105伏下在具有pH值為6的3%(以重量計)酒石酸/氫氧化銨溶液中進行，以形成大約0.13微米厚的陽擋層陽極氧化膜。在這連續(xù)陽極氧化工序期間，在進入溶液之前，將導線拉過一帶電滑輪。導線是以40秒的停留時間拉過溶液。
在離開溶液時，導線是在水中沖洗。然后，導線還以35秒的停留時間連續(xù)地在98℃的水中拉過。就這樣沖洗和水合阻擋層陽極氧化膜。一組樣品沒有被水合。
這些線的樣品，用一些焊接機在厚膜金上被楔焊。楔-楔焊強度大約是15克-優(yōu)于12克下限以上，該下限是微電子技術工業(yè)為高質量器件提出的要求。取決于用途的較低的楔焊強度可低至8克，甚至.25克也可以合格。對水合的和未水合的阻擋層陽極氧化膜兩者的接觸線間漏電流都是在40伏的條件下測試的。
對于水合的樣品，在干燥的氮氣中經(jīng)60秒以后，線對線的漏電流是7×10-13安。對于未水合的樣品，在干燥的氮氣中經(jīng)60秒以后，線對線的漏電流是2×10-12安。
權利要求
1.絕緣鋁線，其特征在于，絕緣層包括一阻擋層陽極氧化膜。
2.權利要求
1所述的絕緣鋁線，其特征在于，阻擋層膜的平均厚度是從0.1至0.25微米。
3.絕緣鋁線，其特征在于，絕緣層包括二層，一內阻擋層陽極氧化膜和一水合的氧化鋁外層。
4.權利要求
3所述的絕緣鋁線，其特征在于，內阻擋層至少是0.01微米，而水合的氧化鋁外層是從0.001至0.8微米。
5.權利要求
1至4的任一權利要求
所述的絕緣鋁線，其特征在于，導線是由純鋁或一種單相富鋁合金制成。
6.權利要求
5所述的絕緣鋁線，其特征在于，導線是由一種單相鋁/鎂合金制成。
7.一種包括至少一個集成電路和至少一個引線架的微電子器件，其特征在于，用權利要求
1至6的任一權利要求
所述的絕緣鋁線來進行集成電路和引線架彼此間的連接。
8.一種制造絕緣鋁線的方法，其特征在于該方法包括鋁線在電解液中經(jīng)受陽極氧化，該電解液對氧化鋁不具有顯著的溶解能力，結果是在其上形成一阻擋層陽極氧化膜，然后將陽極氧化的線暴露在熱水中，以部分地水合該膜而在其上形成一水合的氧化鋁外層。
9.權利要求
8所述的方法，其特征在于，導線是連續(xù)地依次通過裝有陽極氧化電解液的槽，然后通過熱水槽。
專利摘要
本發(fā)明提供的絕緣鋁線，其絕緣包括或是單層的陽極氧化鋁阻擋層(非多孔的)，或是二層，即，一內阻擋層陽極氧化膜和一水合的氧化鋁外層。絕緣線可以藉連續(xù)地在例如酒石酸的阻擋層電解液中將鋁或鋁/鎂合金進行陽極氧化，然后將陽極氧化的導線暴露在熱水中以部分地水合陽極氧化膜而制成。
文檔編號H01B7/00GK87100618SQ87100618
公開日1987年8月19日 申請日期1987年2月5日
發(fā)明者亞利山大·約瑟夫·奧托, 哈里·商 申請人:艾爾坎國際有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan