电子封装用高可靠性铜键合线及其制备方法与流程

1.本发明涉及微电子封装技术领域，具体的，涉及电子封装用高可靠性铜键合线及其制备方法。


背景技术：

2.进入21世纪以来，微电子技术快速发展，半导体工业由于四个关键领域技术的快速进步而有望以更快速度增长，这四个领域是：互联网、通信网、移动通信和消费类电子产品。
3.除此之外，集成电路以及微处理器正应用于各个领域，从面包烤炉到汽车以至由电力驱动的各种设备，并且需求势头逐年上升。半导体工业的技术进步将使芯片朝线宽更小、功能更全的方向发展。经济的快速发展使半导体市场产生了巨大的活力。
4.而在半导体的生产加工过程中，引线键合是关键工序之一，键合线是不可或缺的核心材料，是连接引脚和硅片、传达电信号的零件。随着半导体芯片的发展，对键合材料的性能要求也越来越高。
5.目前市面上常用的键合线有键合金线、键合银线、键合铝线以及键合铜线，而铜键合线由于具备较高的性价比，备受关注。但是铜也存在一定的缺点，强度低，加工难度大以及抗氧化性能较差，因此，目前需要解决这一问题。


技术实现要素：

6.本发明提出电子封装用高可靠性铜键合线及其制备方法，解决了相关技术中的铜键合线的强度低，加工难度大，抗氧化性差的问题。
7.本发明的技术方案如下：
8.电子封装用高可靠性铜键合线，其特征在于，包括以下重量百分比的材料制备而成，铜99.60％-99.95％、铌0.001％-0.2％、钽0.001％-0.2％、铋0.001-0.2％、锆0.01％-0.3％、银0.002％-0.2％、铱0.001％-0.2％及不可避免杂质。
9.作为进一步的技术方案，所述铌、钽、铋、锆的含量满足如下关系式：铌 钽 铋≤锆。
10.当铌 钽 铋≤锆时，得到的铜键合线的各方面性能都比较优异，而增大铌、钽、铋的量或者减小锆的量，可能会导致较多晶界的出现或者晶粒缺陷，导致铜键合线的致密性和抗氧化性降低。
11.作为进一步的技术方案，所述的电子封装用高可靠性铜键合线包括以下重量百分比的材料制备而成，铜99.92％-99.94％、铌0.005％-0.01％、钽0.005％-0.01％、铋0.008％-0.01％、锆0.025％-0.03％、银0.002％-0.008％、铱0.008％-0.01％及不可避免杂质。
12.作为进一步的技术方案，所述的电子封装用高可靠性铜键合线，由以下重量百分比的材料制备而成，铌0.008％、钽0.008％、锆0.03％、银0.006％、铱0.009％、铋0.009％，
余量为铜和不可避免杂质。
13.作为进一步的技术方案，原料中铌、钽、锆、银、铱、铋、铜中的任意一种的纯度都≥99.99％。
14.本发明还提出所述的电子封装用高可靠性铜键合线的制备方法，包括如下步骤：
15.s1、将原料铜和所需添加的金属在真空炉中加热熔炼，分别制成含量1％～5％的二元中间合金；
16.s2、将所述二元中间合金在真空炉中加热并熔铸为铜合金棒材；
17.s3、将铜合金棒材在惰性气体中升温至600-900℃保温2-5h后降温至300-400℃保温6-12h后冷却至室温；
18.s4、将铜合金棒材粗拉拔成铜合金线材；
19.s5、在惰性气体中对铜合金进行退火后进行细拉拔，得到铜合金细丝；
20.s6、将铜合金细丝退火处理得到铜键合线。
21.作为进一步的技术方案，所述步骤s2中铜合金棒材的直径为4-10mm。
22.作为进一步的技术方案，所述步骤s3中升温速率为8-10℃/min，降温速率为15-20℃/min，冷却速率为20-30℃/min。
23.通过加入铌、钽、铋、锆、铱等元素，能够实现低速升温，中速降温，快速冷却，通过控制合适的升温速度，能够保证铜键合线的可加工性和力学性能。
24.作为进一步的技术方案，所述步骤s5中退火时温度为500-600℃，退火速率3m/s。
25.作为进一步的技术方案，所述步骤s6中退火处理时，温度为400-500℃，退火速率5m/s。
26.通过多次拉伸、退火，能够消除合金内部缺陷，细化晶粒，降低硬度，而通过优选的退火速率能够针对本发明的元素组成，将组织缺陷最小程度的降低，提高铜键合线的性能。
27.作为进一步的技术方案，所述铜合金线材的直径为0.5-1mm，所述铜合金细丝的直径为10-50μm。
28.本发明的工作原理及有益效果为：
29.1、本发明的铜键合线中，以铜为主要成分，加入铌提高其柔韧性和延展性，加入钽和铱提高抗氧化性，加入铋细化晶粒提高强度，锆的加入能够促进铌、钽、铋的可加工性能，减少晶界，还能提高铜合金的致密化程度，降低氧化程度。通过控制各元素的加入量，协同作用提高铜键合线的力学性能和抗氧化性能，得到的铜键合线的断裂强力大于7cn，延伸率大于12％，抗氧化性优异。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。
31.实施例1
32.s1、备料：铌0.008％、钽0.008％、锆0.03％、银0.006％、铱0.009％、铋0.009％，余量为铜，将原料在真空炉中加热熔炼制成二元中间合金；
33.s2、将所述二元中间合金在真空炉中加热并熔铸为5mm铜合金棒材；
34.s3、将铜合金棒材在惰性气体中以10℃/min升温至800℃保温3.5h后，以15℃/min降温至350℃保温9h后，30℃/min冷却至室温；
35.s4、将铜合金棒材粗拉拔成1mm铜合金线材；
36.s5、在惰性气体中对铜合金进行退火后进行细拉拔，得到铜合金细丝20μm，退火时温度为550℃，退火速率3m/s；
37.s6、将铜合金细丝退火处理得到铜键合线，退火处理时温度为450℃，退火速率5m/s。
38.实施例2
39.s1、备料：铌0.005％、钽0.01％、锆0.025％、银0.008％、铱0.008％、铋0.008％，余量为铜，将原料在真空炉中加热熔炼制成二元中间合金；
40.s2、将所述二元中间合金在真空炉中加热并熔铸为5mm铜合金棒材；
41.s3、将铜合金棒材在惰性气体中以9℃/min升温至800℃保温3.5h后，以20℃/min降温至300℃保温12h后，20℃/min冷却至室温；
42.s4、将铜合金棒材粗拉拔成1mm铜合金线材；
43.s5、在惰性气体中对铜合金进行退火后进行细拉拔，得到铜合金细丝30μm，退火时温度为560℃，退火速率3m/s；
44.s6、将铜合金细丝退火处理得到铜键合线，退火处理时温度为480℃，退火速率5m/s。
45.实施例3
46.s1、备料：铌0.01％、钽0.005％、锆0.03％、银0.002％、铱0.01％、铋0.01％，余量为铜，将原料在真空炉中加热熔炼制成二元中间合金；
47.s2、将所述二元中间合金在真空炉中加热并熔铸为4mm铜合金棒材；
48.s3、将铜合金棒材在惰性气体中以9℃/min升温至800℃保温3.5h后，以20℃/min降温至300℃保温12h后，20℃/min冷却至室温；
49.s4、将铜合金棒材粗拉拔成0.5mm铜合金线材；
50.s5、在惰性气体中对铜合金进行退火后进行细拉拔，得到铜合金细丝10μm，退火时温度为560℃，退火速率3m/s；
51.s6、将铜合金细丝退火处理得到铜键合线，退火处理时温度为480℃，退火速率5m/s。
52.实施例4
53.s1、备料：铌0.01％、钽0.005％、铋0.01％、锆0.02％、银0.002％、铱0.01％，余量为铜，将原料在真空炉中加热熔炼制成二元中间合金；
54.s2、将所述二元中间合金在真空炉中加热并熔铸为4mm铜合金棒材；
55.s3、将铜合金棒材在惰性气体中以9℃/min升温至800℃保温3.5h后，以20℃/min降温至300℃保温12h后，20℃/min冷却至室温；
56.s4、将铜合金棒材粗拉拔成0.5mm铜合金线材；
57.s5、在惰性气体中对铜合金进行退火后进行细拉拔，得到铜合金细丝10μm，退火时温度为560℃，退火速率3m/s；
58.s6、将铜合金细丝退火处理得到铜键合线，退火处理时温度为480℃，退火速率5m/s。
59.实施例5
60.s1、备料：铌0.01％、钽0.005％、铋0.01％、锆0.03％、银0.002％、铱0.01％，余量为铜，将原料在真空炉中加热熔炼制成二元中间合金；
61.s2、将所述二元中间合金在真空炉中加热并熔铸为4mm铜合金棒材；
62.s3、将铜合金棒材在惰性气体中以15℃/min升温至800℃保温3.5h后，以25℃/min降温至300℃保温12h后，20℃/min冷却至室温；
63.s4、将铜合金棒材粗拉拔成0.5mm铜合金线材；
64.s5、在惰性气体中对铜合金进行退火后进行细拉拔，得到铜合金细丝10μm，退火时温度为560℃，退火速率3m/s；
65.s6、将铜合金细丝退火处理得到铜键合线，退火处理时温度为480℃，退火速率5m/s。
66.实施例6
67.s1、备料：铌0.008％、钽0.008％、锆0.03％、银0.006％、铱0.009％、铋0.009％，余量为铜，将原料在真空炉中加热熔炼制成二元中间合金；
68.s2、将所述二元中间合金在真空炉中加热并熔铸为5mm铜合金棒材；
69.s3、将铜合金棒材在惰性气体中以10℃/min升温至800℃保温3.5h后，以15℃/min降温至350℃保温9h后，30℃/min冷却至室温；
70.s4、将铜合金棒材粗拉拔成1mm铜合金线材；
71.s5、在惰性气体中对铜合金进行退火后进行细拉拔，得到铜合金细丝20μm，退火时温度为550℃，退火速率5m/s；
72.s6、将铜合金细丝退火处理得到铜键合线，退火处理时温度为450℃，退火速率5m/s。
73.对比例1
74.按照实施例1的工艺，按照如下原料备料：铌0.015％、钽0.008％、锆0.03％、银0.006％、铱0.009％、铋0.015％，余量为铜。
75.对比例2
76.按照实施例1的工艺，按照如下原料备料：铌0.008％、钽0.008％、锆0.03％、银0.006％、铋0.009％，余量为铜。
77.将实施例和对比例得到的铜键合线利用电子单纤维强力机进行测试；
78.抗氧化性：0.1mpa纯氧气氛围，973k，氧化24h，用丙酮清洗待测样品后，称重，记录氧化前后样品的增重。
79.测试结果如表1所示。
80.表1铜键合线的性能测试
81.具体实施方式延伸率(％)断裂强力(cn)抗氧化性
△
m(mg/cm2)实施例114.88.50.08实施例216.99.10.06实施例313.17.80.11
实施例412.87.20.13实施例512.47.30.16实施例614.28.00.12对比例114.07.90.16对比例214.58.30.15
82.根据表1的结果，本发明得到的铜键合线的断裂强力大于7cn，延伸率大于12％，抗氧化性优异。
83.实施例4中，锆的含量相对于实施例3减少，导致铜键合线的力学性能和抗氧化性能降低，发明人推测可能是由于锆的加入能够促进铌、钽、铋的可加工性能，减少晶界，还能提高铜合金的致密化程度，降低氧化程度。本发明中采用与元素组成相匹配的制备工艺，实施例5和实施例6中改变升温速度以及退火速度，导致得到的铜键合线的性能与实施例3相比有所降低。
84.对比例1中增大铌和铋的含量，导致铜键合线的强度和延伸性能降低，而由于铌和铋含量的增大，导致固溶性降低，抗氧化性能也有所降低。对比例2中不加入铱，导致铜键合线的抗氧化性降低，强度和延伸率变化不大。
85.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。