一种铜合金键合丝及其制造方法

摘要

一种铜合金键合丝，其特征在于按重量计含有Pd 0.1‑4%，微量添加元素1‑300 ppm，余量为铜；所述微量添加元素是Ca、In、Co、Be、Ga、Mg、Ni、Pt和Al中的一种或其中两种以上的组合。本发明还提供上述铜合金键合丝的一种制造方法。本发明的铜合金键合丝具有以下有益效果：（1）具有优异的作业性（CUP电极下层电路不会打裂或击穿）和可靠性；（2）抗老化性能好，改善封装产品在热冲击试验中的可靠性；（3）有较低的线材硬度，HAZ长度可低至50 um，极大地降低了打线的弧高；（4）对铜‑铝介金属化合物抑制较好；（5）能提供良好的接合性，有效阻止水气浸入接口处，可以改善IC高温高湿环境下金球脱落问题；（6）成本较低，且没有电镀制程，不造成污染排放。

权利要求

1.一种铜合金键合丝，其特征在于按重量计含有Pd 0.1-1%，微量添加元素1-300 ppm，余量为铜；所述微量添加元素是Ca、In、Co、Be、Ga、Mg、Ni、Pt和Al中的一种或其中两种以上的组合。

2.权利要求1所述的铜合金键合丝的制造方法，其特征在于包括下述步骤：（1）熔铸：按比例将Pd和微量添加元素加入到铜原料中，经过真空熔炼和定向连续引铸工艺，获得直径为6-8毫米的线材；

（2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为50-280μm的铜合金线；

（3）中间退火：步骤（2）拉丝完成后，对铜合金线进行中间退火，在退火过程中采用N2或者氮氢混合气来做为退火气氛，退火炉有效长度为600-1000mm，退火温度为300-600℃，退火速率为60-120m/min；

（4）对经步骤（3）中间退火处理的铜合金线继续进行拉丝，获得直径为15-40μm的铜合金线；

（5）最后退火：对步骤（4）得到的铜合金线进行最后退火，在退火过程中采用N2或者氮氢混合气来做为退火气氛，退火炉有效长度为600-1000mm，退火温度为300-600℃，退火速率为60-120m/min；

（6）冷却：最后退火结束后，将铜合金线冷却至20-30℃，得到所需的铜合金键合丝。

3.根据权利要求2所述的铜合金键合丝的制造方法，其特征在于：所述步骤（3）和步骤（5）采用的氮氢混合气由5%(体积)的 H2 和95%(体积) 的N2组成。

说明书

一种铜合金键合丝及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及IC、LED封装用的键合丝，具体涉及一种铜合金键合丝及其制造方法。

背景技术

[0002] 键合丝（bonding wire，又称键合线）是连接芯片与外部封装基板（substrate）和/或多层线路板（PCB）的主要连接方式。键合丝的发展趋势，从产品方向上，主要是线径细微化、高车间寿命（floor life）以及高线轴长度；从化学成分上，主要有铜线（包括裸铜线、镀钯铜线、闪金镀钯铜线）在半导体领域大幅度取代金线，而银线和银合金线在LED以及部分IC封装应用上取代金线。由于电子产品小型化和细薄化的发展要求，半导体行业通过芯片厚度减薄(Wafer thinning)、封装采用芯片堆栈(Die stacking)、倒装芯片(flip chip)、晶圆级封装（wafer level packaging）、2.5D和3D封装等方法来应对，然而传统的键合封装（wire bonding）仍然是主流封装形式。

[0003] 现有的以铜作为主要成分的键合丝主要有纯铜线和镀钯镀金铜线。纯铜线具有良好的作业性和较低的成本，但抗老化性能和耐高温高湿的能力较差，可靠性较低。镀钯镀金铜线包括芯线、包覆在芯线外面的钯预镀层以及包覆在钯预镀层外面的金包覆层，芯线采用纯铜制成；镀钯镀金铜线为了保证良好的作业性和可靠性，需要包覆厚度较厚的钯预镀层和金包覆层，原料成本高，制造工艺也较为复杂，以致制造成本过高，缺乏市场竞争力。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种铜合金键合丝以及这种铜合金键合丝的制造方法，这种铜合金键合丝具有优异的作业性和可靠性，且成本较低。采用的技术方案如下：

[0005] 一种铜合金键合丝，其特征在于按重量计含有Pd 0.1-4%，微量添加元素1-300 ppm，余量为铜；所述微量添加元素是Ca、In、Co、Be、Ga、Mg、Ni、Pt和Al中的一种或其中两种以上的组合。

[0006] 优选上述铜合金键合丝中Pd的重量百分比含量为0.5-2%。

[0007] 优选上述铜合金键合丝的直径为15-40um。

[0008] 本发明的铜合金键合丝中，芯线中加入含量0.1-4%的钯（Pd），能有效地改善线材的抗老化性能，改善封装产品在热冲击试验中的可靠性。适量的微量添加元素用以改进线材的机械性能，其中Ca、In、Ga、Mg、Ni能有效提升金合金的焊线作业性，能增强线材与芯片及基板的粘附性能，提升信赖性能；Co、Be、Pt、Al等能提高金合金线材的再结晶温度，提升线材在高温环境下的耐疲劳性，有效降低颈部断线的几率。

[0009] 本发明还提供上述铜合金键合丝的一种制造方法，其特征在于包括下述步骤：

[0010] （1）熔铸：按比例将Pd和微量添加元素加入到铜原料中，经过真空熔炼和定向连续引铸工艺，获得直径为6-8毫米的线材；

[0011] （2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为50-280um的铜合金线；

[0012] （3）中间退火：步骤（2）拉丝完成后，对铜合金线进行中间退火，在退火过程中采用N2或者氮氢混合气来做为退火气氛，退火炉有效长度为600-1000mm，退火温度为300-600℃，退火速率为60-120m/min；

[0013] （4）对经步骤（3）中间退火处理的铜合金线继续进行拉丝，获得直径为15-40um的铜合金线；

[0014] （5）最后退火：对步骤（4）得到的铜合金线进行最后退火，在退火过程中采用N2或者氮氢混合气来做为退火气氛，退火炉有效长度为600-1000mm，退火温度为300-600℃，退火速率为60-120m/min；

[0015] （6）冷却：最后退火结束后，将铜合金线冷却至20-30℃，得到所需的铜合金键合丝。

[0016] 优选上述步骤（3）和步骤（5）采用的氮氢混合气由5%(体积)的 H2和95%(体积) 的N2组成。

[0017] 本发明的铜合金键合丝与现有技术相比，具有以下有益效果：

[0018] （1）铜合金键合丝中钯和微量添加元素在铜基材中均匀分布，钯原子在打线与信赖性制程能均匀扩散，使铜合金键合丝具有优异的作业性（CUP(Circuit Under Pad) 电极下层电路不会打裂或击穿）和可靠性；

[0019] （2）抗老化性能好，改善封装产品在热冲击试验中的可靠性；

[0020] （3）有较低的线材硬度，HAZ（热影响区）长度可低至50 um，极大地降低了打线的弧高；

[0021] （4）对铜-铝介金属化合物抑制较好；

[0022] （5）能提供良好的接合性，有效阻止水气浸入接口处，可以改善IC高温高湿环境下金球脱落（ball lift）问题；

[0023] （6）成本较低，相对于镀钯镀金铜线可降低成本20-30%，且因为没有电镀制程，所以除了降低成本外，不造成污染排放，对环境极友善。

具体实施方式

[0024] 实施例1

[0025] 本实施例的铜合金键合丝按重量计含有Pd 2%，Ca 50ppm，Be 25 ppm，In 40ppm，余量为铜。

[0026] 上述铜合金键合丝的制造方法包括下述步骤：

[0027] （1）熔铸：按比例将Pd、Ca、Be 和 In加入到铜原料中，经过真空熔炼和定向连续引铸工艺，获得直径为6毫米的线材；

[0028] （2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为200um的铜合金线；

[0029] （3）中间退火：步骤（2）拉丝完成后，对铜合金线进行中间退火，在退火过程中采用N2来做为退火气氛，退火炉有效长度为900mm，退火温度为450℃，退火速率为80m/min；

[0030] （4）对经步骤（3）中间退火处理的铜合金线继续进行拉丝，获得直径为15-40um（如20um）的铜合金线；

[0031] （5）最后退火：对步骤（4）得到的铜合金线进行最后退火，在退火过程中采用N2来做为退火气氛，退火炉有效长度为900mm，退火温度为450℃，退火速率为80m/min；

[0032] （6）冷却：最后退火结束后，将铜合金线冷却至25℃，得到所需的铜合金键合丝。

[0033] 实施例2

[0034] 本实施例的铜合金键合丝按重量计含有Pd 4%，Mg 2 ppm，余量为铜。

[0035] 上述铜合金键合丝的制造方法包括下述步骤：

[0036] （1）熔铸：按比例将Pd和Mg加入到铜原料中，经过真空熔炼和定向连续引铸工艺，获得直径为6毫米的线材；

[0037] （2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为100um的铜合金线；

[0038] （3）中间退火：步骤（2）拉丝完成后，对铜合金线进行中间退火，在退火过程中采用氮氢混合气来做为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为600℃，退火速率为60m/min；

[0039] （4）对经步骤（3）中间退火处理的铜合金线继续进行拉丝，获得直径为15-40um（如20um）的铜合金线；

[0040] （5）最后退火：对步骤（4）得到的铜合金线进行最后退火，在退火过程中采用氮氢混合气来做为退火气氛，退火炉有效长度为1000mm，退火温度为350℃，退火速率为80m/min；

[0041] （6）冷却：最后退火结束后，将铜合金线冷却至20℃，得到所需的铜合金键合丝。

[0042] 上述步骤（3）和步骤（5）采用的氮氢混合气由5%(体积)的 H2和95%(体积) 的N2组成。

[0043] 实施例3

[0044] 本实施例的铜合金键合丝按重量计含有Pd 0.6%，Ni 20 ppm, Co 20 ppm，Al 10 ppm，余量为铜。

[0045] 上述铜合金键合丝的制造方法包括下述步骤：

[0046] （1）熔铸：按比例将Pd、Ni 、Co和Al加入到铜原料中，经过真空熔炼和定向连续引铸工艺，获得直径为8毫米的线材；

[0047] （2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为280um的铜合金线；

[0048] （3）中间退火：步骤（2）拉丝完成后，对铜合金线进行中间退火，在退火过程中采用N2来做为退火气氛，退火炉有效长度为800mm，退火温度为400℃，退火速率为100m/min；

[0049] （4）对经步骤（3）中间退火处理的铜合金线继续进行拉丝，获得直径为15-40um（如20um）的铜合金线；

[0050] （5）最后退火：对步骤（4）得到的铜合金线进行最后退火，在退火过程中采用N2来做为退火气氛，退火炉有效长度为600mm，退火温度为500℃，退火速率为60m/min；

[0051] （6）冷却：最后退火结束后，将铜合金线冷却至30℃，得到所需的铜合金键合丝。

[0052] 实施例4

[0053] 本实施例的铜合金键合丝按重量计含有Pd 1%，Ga 50ppm， Al 20ppm， Ca 20ppm，余量为铜。

[0054] 上述铜合金键合丝的制造方法包括下述步骤：

[0055] （1）熔铸：按比例将Pd、Ga 、Al和Ca加入到铜原料中，经过真空熔炼和定向连续引铸工艺，获得直径为8毫米的线材；

[0056] （2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为180um的铜合金线；

[0057] （3）中间退火：步骤（2）拉丝完成后，对铜合金线进行中间退火，在退火过程中采用N2来做为退火气氛，退火炉有效长度为700mm，退火温度为400℃，退火速率为70m/min；

[0058] （4）对经步骤（3）中间退火处理的铜合金线继续进行拉丝，获得直径为15-40um（如20um）的铜合金线；

[0059] （5）最后退火：对步骤（4）得到的铜合金线进行最后退火，在退火过程中采用N2来做为退火气氛，退火炉有效长度为800mm，退火温度为500℃，退火速率为80m/min；

[0060] （6）冷却：最后退火结束后，将铜合金线冷却至20℃，得到所需的铜合金键合丝。

[0061] 实施例5

[0062] 本实施例的铜合金键合丝按重量计含有Pd 0.2%，Pt 160ppm，Co 70ppm，Ga 50ppm，余量为铜。

[0063] 上述铜合金键合丝的制造方法包括下述步骤：

[0064] （1）熔铸：按比例将Pd 、Pt、Co 和Ga加入到铜原料中，经过真空熔炼和定向连续引铸工艺，获得直径为6毫米的线材；

[0065] （2）拉丝：对步骤（1）得到的线材进行拉丝，获得直径为150um的铜合金线；

[0066] （3）中间退火：步骤（2）拉丝完成后，对铜合金线进行中间退火，在退火过程中采用氮氢混合气来做为退火气氛，退火炉有效长度为800mm，退火温度为600℃，退火速率为120m/min；

[0067] （4）对经步骤（3）中间退火处理的铜合金线继续进行拉丝，获得直径为15-40um（如20um）的铜合金线；

[0068] （5）最后退火：对步骤（4）得到的铜合金线进行最后退火，在退火过程中采用氮氢混合气来做为退火气氛，退火炉有效长度为700mm，退火温度为600℃，退火速率为100m/min；

[0069] （6）冷却：最后退火结束后，将铜合金线冷却至30℃，得到所需的铜合金键合丝。

[0070] 上述步骤（3）和步骤（5）采用的氮氢混合气由5%(体积)的 H2和95%(体积) 的N2组成。

[0071] 对本发明实施例1-5的铜合金键合丝进行性能测试，测试方法及测试结果如下：

[0072] 1、高温高湿测试方法与条件

[0073] A.温度： 85℃；湿度：85% R.H；

[0074] B.周期： 500 小时 (每24小时取出一组样品进行测试)；

[0075] C.打线后不灌胶。

[0076] 纯铜线、镀钯镀金铜线和实施例1-5铜合金键合丝打线后的样品总数量各为170个，分成17组，每组各10个样品，置于高温高湿环境中，每24小时取出一组样品进行测试（进行电流对电压曲线测试和断短路测试，以判断是否失效），测试结果如下表1所示。进行测试后发现：镀钯镀金铜线、实施例1-5的铜合金键合丝打线后的样品经过500小时后仍没有出现失效；而纯铜线在经过288小时后即出现失效。测试结果表明，铜合金键合丝的耐高温高湿的能力与镀钯镀金铜线相当，而远远优于纯铜线。

[0077] 表1

[0078]

[0079] 表1中，分母表示每组样品数，分子表示每组样品失效数。

[0080] 2、抗老化性能

[0081] 实施例1-5和传统铜合金键合丝在可靠性的差别主要在热冲击部分。具体老化试验条件如表2。试验封装形式是LED封装中的 SMD2835，BSOB打线，封装硅胶采用道康宁OE6650，封装好的样品在每次完成50个循环的热冲击后，观察是否还能电亮，记录失效死灯的个数。

[0082] 表2测试条件 时长(Hour)/回合(Cycle)
8温区标准回流焊(265℃) 1
-40℃*30min-100℃*30min (转换时间小于20秒) 50/100/…/500

[0083] 实验结果（如表3所示）：实施例1-5铜合金键合丝在老化实验中都经受200-300 回合以上的热冲击，而纯铜线在老化实验中只能经受150回合的热冲击。

[0084] 表3样品组 老化回合數
传统纯铜线键合丝 150
实施例1铜合金键合丝 300
实施例2铜合金键合丝 300
实施例3铜合金键合丝 200
实施例4铜合金键合丝 250
实施例5铜合金键合丝 200

[0085] 3、二焊打线作业窗口

[0086] 铜合金键合丝的打线能力如下；实施例1-5铜合金键合丝打线参数符合规范且打线作业窗口大（打线在氮氢混合气体的保护下进行，打线功率50-90瓦，打线压力40-140牛顿）；且打线时无明显铝挤、无电极损伤。

[0087] 4、硬度测试

[0088] 对本发明实施例1-5的铜合金键合丝的硬度测试结果显示：本发明的铜合金键合丝有较低的线材硬度，在72-92 Hv之间（镀钯镀金铜线的硬度在95-110 Hv之间），可打较低的线材弧高。

[0089] 5、FAB 球型稳定性

[0090] A.EFO 电 流：60mA

[0091] B.N2+H2 (气体流量：0.3 0.6 L/min)~

[0092] 本发明的铜合金键合丝的FAB球，其稳定性与镀钯镀金铜线相同，均为正常球型，无偏心球和异常球。

[0093] 6、HAZ（热影响区）长度

[0094] 对本发明实施例1-5的铜合金键合丝的HAZ长度测试结果如下表4所示。测试结果显示，本发明的铜合金键合丝的HAZ长度在51-59 um之间，而镀钯镀金铜线的HAZ长度均在60-70 um之间。

[0095] 表4实施例 HAZ长度（um）
实施例1 51
实施例2 59
实施例3 54
实施例4 52
实施例5 55