專利名稱：包覆有貴金屬的復(fù)合金屬線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電的復(fù)合貴金屬線，其中，非貴金屬芯部由貴金屬環(huán)形部分所包覆。具體的是，本發(fā)明涉及一種由非貴金屬芯部材料和貴金屬復(fù)合擠壓而成的復(fù)合金屬線。本發(fā)明還涉及一種制造復(fù)合金屬線的方法，該復(fù)合金屬線的芯部包含非貴金屬，并通過非貴金屬芯部材料與貴金屬的復(fù)合擠壓而包覆有貴金屬環(huán)形部分。
未來的連接金屬線需要以約20微米直徑的金屬線在大約5000微米的跨距上滿足大約50微米間距的要求。連接金屬線的彎曲和傾斜會影響這種結(jié)構(gòu)。一條金屬線相對于另一條金屬線的偏移量應(yīng)限制在大約30微米范圍內(nèi)。使相鄰金屬線之間產(chǎn)生短路的相對變形應(yīng)小于0.005％，而且這是一種彈性變形。4N金合金比純銅具有較高的彈性模量，但銅基連接金屬線合金并沒有滿足未來這種對足夠彈性模量的需求。
在彈性模量、電阻率、密度和成本方面，銅是一種理想的連接金屬線。但是，氧化影響和較高的連接成本妨礙了銅成為一種通用的連接金屬線材料。
US5097100公開了一種鍍有貴金屬的銅金屬線。直徑約為44-56微米的拉制銅金屬線電鍍有金，其表面可經(jīng)冷拉來硬化其鍍金層。
但是，卻不可能在合理的價(jià)格范圍內(nèi)均勻地電鍍具有足夠純度的鍍金層。US5097100所公開的技術(shù)不能使金充分地鍍覆在銅制芯部。該發(fā)明所公開的其它的金屬鍍覆技術(shù)包括無電敷鍍、汽相淀積、濺鍍、浸鍍等，也存在同樣的問題。另外，這些技術(shù)都不能將4N金合金連接金屬線包皮包覆在銅金屬線芯部。
US5097100公開了銅和金可共同進(jìn)行拉制，但并沒有給出怎樣來制得微米尺寸的金屬線，更不用說給出一個(gè)實(shí)際生產(chǎn)的例子了。因此，仍然需要提供一種復(fù)合包金銅金屬線以合理的價(jià)格來滿足半導(dǎo)體工業(yè)未來的性能要求。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，復(fù)合金屬線的特征在于貴金屬環(huán)形部分焊接到包含導(dǎo)電非貴金屬的金屬線芯部上。
銅是一種優(yōu)選的非貴金屬，最好，金屬線芯部主要由銅構(gòu)成。貴金屬優(yōu)選為金，最好，金的純度大于90％。純度優(yōu)選大于99％，更好是大于99.99％。最好，金是一種金合金，其中，對金進(jìn)行摻雜，以使金/銅復(fù)合材料在拉制時(shí)可較好地變形并使復(fù)合金屬線具有良好的連接性能，例如，金摻雜有小于30ppm的鈣、小于20ppm的鈹和小于50ppm的其它元素。特別優(yōu)選的金合金是4N金。
本發(fā)明提供一種生產(chǎn)復(fù)合金屬線的方法，其中，首先將非貴金屬的金屬線包敷貴金屬，然后將其拉制成微米尺寸，而不是在微米尺寸金屬線上形成貴金屬層。因此，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種制造微米尺寸復(fù)合金屬線的方法，該復(fù)合金屬線主要由包含非貴金屬的導(dǎo)電金屬線芯部和附著在芯部上的貴金屬環(huán)形部分構(gòu)成，其中，所述方法包括提供直徑大約為0.5-5mm的第一復(fù)合金屬線，其中，第一復(fù)合金屬線的特征是貴金屬環(huán)形部分焊接到包含導(dǎo)電非貴金屬的金屬線芯部上；以及將第一復(fù)合金屬線拉拔成直徑約為15-75微米的第二復(fù)合金屬線，第二復(fù)合金屬線芯部所占橫截面面積的比例基本上與第一復(fù)合金屬線的芯部比例相同。
第一復(fù)合金屬線由復(fù)合棒材拉制而成，復(fù)合棒材通過具有與貴金屬環(huán)形部分焊接在一起的非貴金屬芯部材料的貴金屬坯料復(fù)合擠壓而成。直徑為20微米的復(fù)合金屬線由毫米尺寸的復(fù)合金屬線拉制而成，毫米尺寸的復(fù)合金屬線由復(fù)合圓柱體棒材形成，復(fù)合圓柱體棒材則由復(fù)合坯料擠壓而成，在從坯料變到棒材再變到金屬線的過程中，復(fù)合體芯部與貴金屬層的相對橫截面面積保持不變。這就可直接將標(biāo)稱直徑為20微米的復(fù)合金屬線芯部比例控制到一個(gè)迄今聞所未聞的程度。因此，根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供一種通過本發(fā)明方法生產(chǎn)的具有微米尺寸直徑的復(fù)合金屬線。
換句話說，對于所需要的芯部比例，例如直徑為20微米的復(fù)合金屬線，可通過具有相同的芯部材料相對比例的復(fù)合坯料來進(jìn)行生產(chǎn)。通過生產(chǎn)一種具有復(fù)合金屬線成品所需芯部材料比例的坯料，就可制造出具有所需芯部材料比例的微米尺寸復(fù)合金屬線。
本發(fā)明的復(fù)合金屬線具有半導(dǎo)體封裝組件所需的彈性模量、強(qiáng)度和導(dǎo)電性，且具有價(jià)格優(yōu)勢。因此，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種半導(dǎo)體封裝組件，其具有至少一個(gè)與本發(fā)明第二復(fù)合金屬線相連的導(dǎo)線。直徑為25微米的復(fù)合金屬線在不破壞貴金屬外層連續(xù)性的情況下進(jìn)行楔入連接，為了避免非貴金屬芯部的氧化，這是必須的。
本發(fā)明的復(fù)合金屬線可用于其它需要使用細(xì)小連接金屬線的場合。這種應(yīng)用包括但不限于用于珠寶和陰極保護(hù)或者用于惡劣環(huán)境的金屬線或金屬纜線。本發(fā)明上述的和其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)可通過結(jié)合附圖
對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所進(jìn)行的描述中清楚地看出。
連接通過加熱加壓而成，通常是通過焊接。所施加的熱量和壓力根據(jù)所用的非貴金屬或金屬合金芯部材料和貴金屬或金屬合金環(huán)形部分材料而定，冶金領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可在進(jìn)行適當(dāng)試驗(yàn)的情況下很容易地進(jìn)行確定。例如，對于銅或銅合金芯部和金或金合金環(huán)形部分，所采用的溫度約大于200℃，壓力約大于50kg/mm2。
金屬線由通過圖2所示的復(fù)合坯料20擠壓而成的復(fù)合棒材拉制而成。例如，含銅的芯部金屬圓柱體22包覆在套筒狀的金中或形成中間層24的包覆層中。將形成的組件放置于帶有端蓋28和30的銅制擠壓套26中，對所形成的坯料20進(jìn)行焊接、抽空和密封處理。將坯料預(yù)熱到大約200-700℃，最好是大約400-500℃，并在單位面積力約為50-200kg/mm2、最好約為100-150kg/mm2的情況下進(jìn)行直接擠壓來形成直徑適合于拉制金屬線的擠壓復(fù)合圓柱棒材。
擠壓棒材經(jīng)切頭、清理并通過普通簡單模進(jìn)行拉拔而制成直徑約為0.5-5mm、最好小于約3mm的復(fù)合金屬線。最好通過腐蝕的方法去掉由擠壓套形成的外表層，從而制成一卷帶有銅芯的包金復(fù)合金屬線，通過標(biāo)準(zhǔn)接合線工藝將其進(jìn)一步拉制成直徑小于100微米，最好是約15-75微米。芯部橫截面面積比相對原先的復(fù)合坯料未發(fā)生變化，因此，金屬線產(chǎn)品的芯部比例是由坯料結(jié)構(gòu)決定的。
坯料的直徑最好是25-100mm，這樣進(jìn)行擠壓就較為經(jīng)濟(jì)。芯部、貴金屬層和外表層的相對尺寸與坯料的尺寸成比例，也就是，通過選定尺寸來獲得制造復(fù)合金屬線所需的芯部比例。擠壓套大約占整個(gè)坯料橫截面的10-20％。套內(nèi)由非貴金屬芯部和中間貴金屬層所限定的圓柱體的芯部橫截面面積比大約為25-95％，最好大約是50-90％。
擠壓壓縮比(坯料橫截面面積除以擠壓棒材的橫截面面積)最好約為10-100，更好是約為15-50。由坯料擠壓而成的圓柱形棒材的直徑大約為2-25mm。圓柱形棒材最好擠壓成直徑約為4-20mm。棒材與其擠壓坯料具有相同的芯部比例。
為滿足將來半導(dǎo)體工業(yè)的模量要求，非貴金屬12或由坯料20的芯部圓柱體22制成的金屬線10最好其彈性模量大于約95Gpa。適當(dāng)?shù)男静坎牧习ń饘巽~、鎳和類似金屬及其合金。芯部材料最好是具有高導(dǎo)電率和高拉延性的金屬或金屬合金。因此，芯部材料最好是銅或銅合金，它們還具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢。
楔形接合的芯部材料最好是無氧高純銅(OFHC)。對于球形接合，芯部材料的熔點(diǎn)最好不超過環(huán)形部分金屬熔點(diǎn)5℃。對于金或金合金環(huán)形部分，芯部材料最好是具有該熔點(diǎn)的銅合金。更為有利的是，銅合金比純銅的抗氧化性要高。最好，包金的銅芯復(fù)合金屬線的電阻率大約為1.70-2.00μOhm-cm，彈性模量大約為95-120Gpa，復(fù)合密度大約為9.0-15.0g/cc。每種特性都超過了4N金線。
如上所述，構(gòu)成連接于非貴金屬芯部12的環(huán)形部分14的貴金屬最好是純度至少為90％的金，純度優(yōu)選至少為99％，更優(yōu)選為至少99.99％。金最好是一種摻雜合金，以使復(fù)合材料可較好地變形并使復(fù)合金屬線具有良好的連接性能。金合金最好摻雜有小于30ppm的鈣、小于20ppm的鈹和小于50ppm的其它元素。金合金最好是包含小于10ppm的鈣和小于10ppm的鈹。特別優(yōu)選的金合金是4N金，最好是標(biāo)稱含有7.5ppm的鈹、6.5ppm的鈣和小于30ppm其它元素的4N金。
本發(fā)明的復(fù)合金屬線通過普通的技術(shù)與半導(dǎo)體封裝組件的導(dǎo)線相連。圖3示出了半導(dǎo)體封裝組件40，其中，導(dǎo)線42a、42b、42c等通過楔入接頭44a、44b、44c等與金屬線10a、10b、10c等相連。金屬線10b的局部剖視圖示出了由環(huán)形部分14b所包圍的芯部12b。
本發(fā)明提供了一種比標(biāo)準(zhǔn)4N金合金連接金屬線具有較高彈性模量、較高強(qiáng)度和較高導(dǎo)電率的復(fù)合連接金屬線。復(fù)合連接金屬線的貴金屬含量名義上是普通金屬線的一半，因此，復(fù)合金屬線比等尺寸的4N金合金金屬線便宜，而且復(fù)合金屬線還保持了標(biāo)準(zhǔn)4N金合金的連接特性。
下面非限制性的例子可展示出本發(fā)明的某些特定方面。除非特別指出，所有的的比例和百分比都是重量百分比，所有的溫度都是攝氏溫度。工業(yè)適用性由本發(fā)明方法制成的復(fù)合金屬線可用于半導(dǎo)體封裝組件。例子將800gAW-14(American Fine Wire,Ltd.,Willow Grove,Pa.)，含小于10ppm的Ca和Be以及小于20ppm的In和小于20ppm的Ge的4N金合金澆鑄到直徑為28mm的模中。澆鑄過程是普通的分批澆鑄，其包括在石墨坩堝中熔化合金并將熔融物澆鑄到圓筒形的石墨模中。
對成品金錠進(jìn)行鉆孔，形成內(nèi)徑(ID)為18mm的中心孔，并將其外徑(OD)加工到25mm。對成品管進(jìn)行加工，使其長度為76mm。將OFHC級銅圓柱體加工成外徑為18mm、長度為76mm的圓柱體。將銅圓柱體以小于1.0mm的誤差裝入金合金管中。
0FHC銅套的內(nèi)徑為25mm、外徑為28mm、長度約為85mm。對坯料端蓋進(jìn)行加工以使其可裝到銅套的端部。
然后，對坯料端蓋進(jìn)行電子束焊接來密封坯料。將坯料在450℃下預(yù)熱1小時(shí)。將預(yù)熱的坯料放置到也預(yù)熱到450℃的50噸擠壓機(jī)中。將坯料在48噸的標(biāo)稱工作擠壓力下擠壓到6.4mm的直徑。
用研磨片對擠壓物進(jìn)行清理，并用水進(jìn)行沖洗。切去坯料的頭尾，并取得試樣。通過普通的簡單模拉制將所得的棒材拉制成1mm直徑。將成品金屬線放置到50％硝酸溶液中，通過化學(xué)的方法將擠壓套產(chǎn)生的銅皮除去。腐蝕過的金屬線用水進(jìn)行沖洗，然后再用酒精進(jìn)行沖洗。
再將金屬線在王水(1份硝酸、3份鹽酸和4份水)中酸洗大約10秒鐘，以除去金屬線表面上的金銅混合物。利用8-12％的標(biāo)準(zhǔn)壓模工藝在標(biāo)準(zhǔn)多模拔絲機(jī)上并采用含油的水乳膠潤滑劑將成品金屬線拉拔到標(biāo)稱直徑為25微米。金屬線的拉延性是很好的，拉延長度超過5千米都不會斷裂。
測量復(fù)合金屬線的延伸率和破壞-載荷性能。如圖5所示，在延伸率高于2％的情況下，直徑為24.8微米的復(fù)合金屬線比AW-14金合金的破壞載荷大約高20％(在大多數(shù)情況下，連接金屬線的延伸率都大于2％)，在延伸率為4％時(shí)，其破壞載荷大約為14g。沿金屬線的軸線銅制芯部是非常均勻的。在金屬線最終直徑為24.8微米時(shí)，銅制芯部的橫截面的標(biāo)準(zhǔn)偏差僅有0.26％。
退火后，復(fù)合金屬線的彈性模量約為108Gpa，比AW-14約高26％。復(fù)合金屬線的電阻率是2.0微歐姆·厘米，比AW-14大約低12％。復(fù)合金屬線的測量電阻率與時(shí)間和溫度的關(guān)系曲線表明在溫度小于或等于200℃、時(shí)間高達(dá)500小時(shí)內(nèi)電阻率增加很小。
在24.8微米的復(fù)合金屬線上開始的楔入連接試驗(yàn)顯示出較高的連接強(qiáng)度。圖4示出了楔入連接復(fù)合金屬線的半導(dǎo)體封裝組件橫截面的SEM顯微圖。楔形接頭內(nèi)的金皮保持連續(xù)。
本發(fā)明提供了一種適宜于用作連接金屬線的高強(qiáng)度、柔性復(fù)合金屬線，其具有一個(gè)包在均勻的貴金屬環(huán)形部分內(nèi)并與其相連的非貴金屬芯部。通過采用銅或銅合金作為芯部材料，復(fù)合金屬線就具有優(yōu)選的彈性模量、強(qiáng)度和導(dǎo)電性，并且大大降低了成本。
上述的例子和對優(yōu)選實(shí)施例的描述僅僅是示意性的，而不是限制性的，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書進(jìn)行限定。在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍內(nèi)，可作出多種變型和組合。不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為這些變型背離了本發(fā)明的宗旨和范圍，而應(yīng)當(dāng)認(rèn)為它們都包含在本發(fā)明的權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1．一種復(fù)合金屬線，其特征在于一個(gè)貴金屬環(huán)形部分焊接到包含導(dǎo)電非貴金屬的金屬線芯部上。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合金屬線，其特征在于所述芯部金屬是銅。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合金屬線，其特征在于它是通過對將所述貴金屬焊接在所述芯部金屬上而構(gòu)成的復(fù)合擠壓型材進(jìn)行拉制而成的。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合金屬線，其特征在于芯部占整個(gè)橫截面面積的比例大約是25-95％。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合金屬線，其特征在于其直徑大約為15-75微米。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合金屬線，其特征在于所述貴金屬環(huán)形部分包括金。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的復(fù)合金屬線，其特征在于所述貴金屬是含金至少99％的金合金。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)合金屬線，其特征在于所述金合金包括摻雜有小于30ppm的鈣、小于20ppm的鈹和小于50ppm的其它元素的金。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述的復(fù)合金屬線，其特征在于所述金合金包括小于10ppm的鈹和小于10ppm的鈣。
10．根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)合金屬線，其特征在于所述芯部金屬和所述金合金的熔融溫度在5℃以內(nèi)。
11．根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合金屬線，其特征在于所述金屬線的彈性模量約大于95Gpa。
12．一種制造微米尺寸復(fù)合金屬線的方法，該復(fù)合金屬線主要由包含非貴金屬的導(dǎo)電金屬線芯部和附著在芯部上的貴金屬環(huán)形部分構(gòu)成，其特征在于，所述方法包括以下步驟(A)提供直徑大約為0.5-5mm的第一復(fù)合金屬線，其中，第一復(fù)合金屬線主要由焊接到包含非貴金屬的金屬線芯部上的貴金屬環(huán)形部分構(gòu)成；以及(B)將第一復(fù)合金屬線拉拔成直徑約為15-75微米的第二復(fù)合金屬線，其中，第二復(fù)合金屬線芯部所占橫截面面積的比例基本上與第一復(fù)合金屬線的芯部比例相同。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述芯部金屬是銅。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于所述貴金屬包括金。
15．根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述貴金屬是含金至少99％的金合金。
16．根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述金合金包括摻雜有小于30ppm的鈣、小于20ppm的鈹和小于50ppm的其它元素的金。
17．根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于所述金合金包括摻雜有小于10ppm的鈹和小于10ppm的鈣的金。
18．根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述芯部金屬和所述金合金的熔融溫度在5℃以內(nèi)。
19．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述第一復(fù)合金屬線的芯部占整個(gè)橫截面面積的比例約為25-95％。
20．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于第一復(fù)合金屬線由復(fù)合棒材拉制而成，其中復(fù)合棒材主要由包含所述非貴金屬的芯部、所述貴金屬中間層和外部金屬層構(gòu)成，然后除去掉所述外部金屬層，其中，由所述棒材的芯部和中間層限定的圓柱體芯部比例基本上與所述第一和第二復(fù)合金屬線的芯部比例相同。
21．根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所述棒材通過用力擠壓復(fù)合坯料而成，其中，所述復(fù)合坯料主要由所述非貴金屬芯部、所述貴金屬中間層和與所述棒材外部金屬層相對應(yīng)的外部金屬層構(gòu)成，由所述坯料的芯部和中間層限定的圓柱體芯部比例基本上與所述棒材的芯部比例和所述第一、第二復(fù)合金屬線的芯部比例相同。
22．根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于在擠壓之前，將所述坯料預(yù)熱到大約200-700℃。
23．根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于所述坯料以大約50-200kg/mm2的力進(jìn)行擠壓。
24．一種具有微米尺寸直徑的復(fù)合金屬線，其特征在于其由權(quán)利要求12所述的方法制成。
25．一種半導(dǎo)體封裝組件，其特征在于至少一個(gè)導(dǎo)線與權(quán)利要求1所述的復(fù)合金屬線相連。
26．根據(jù)權(quán)利要求25所述的半導(dǎo)體封裝組件，其特征在于所述導(dǎo)線楔入連接到所述復(fù)合金屬線中。
27．根據(jù)權(quán)利要求26所述的半導(dǎo)體封裝組件，其特征在于所述復(fù)合金屬線的芯部主要由銅構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)合金屬線，其特征在于一個(gè)貴金屬環(huán)形部分焊接到包含導(dǎo)電非貴金屬的金屬線芯部上。本發(fā)明還公開了一種制造復(fù)合金屬線的方法和一種具有至少一個(gè)與復(fù)合金屬線相連的導(dǎo)線的半導(dǎo)體封裝組件。
文檔編號H01B1/02GK1318011SQ99810940
公開日2001年10月17日 申請日期1999年9月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月16日
發(fā)明者J·M·佐伊恩蒂恩斯 申請人:庫利克及索發(fā)投資有限公司