铜键合丝及其制备方法
阅读说明：本技术 铜键合丝及其制备方法 (Copper bonding wire and preparation method thereof ) 是由 刘志权 李晓 李忠国 李哲 孙蓉 于 2020-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种铜键合丝,所述铜键合丝包括铜丝本体以及包覆在铜丝本体表面上的纳米孪晶铜外壳,所述纳米孪晶铜外壳由晶界界面垂直于所述铜丝本体表面的柱状晶组成,所述柱状晶内部包含层叠的纳米孪晶片层结构。所述铜键合丝的制备方法包括：将铜块依次经过真空熔炼、定向连铸以及拉拔工艺制备形成铜丝本体；将所述铜丝本体依次进行热处理和清洗处理；对清洗后的所述铜丝本体进行电镀工艺,在所述铜丝本体的表面上形成所述纳米孪晶铜外壳,获得所述铜键合丝。本发明通过在铜丝本体表面上形成纳米孪晶铜外壳,不仅提升了铜键合丝的抗氧化性,还增强了铜键合丝的抗拉强度,提高了键合丝抵抗断线的能力,满足芯片和外部封装基板的使用要求。(The invention provides a copper bonding wire which comprises a copper wire body and a nanometer twin crystal copper shell coated on the surface of the copper wire body, wherein the nanometer twin crystal copper shell is composed of columnar crystals with a crystal boundary interface vertical to the surface of the copper wire body, and the inside of the columnar crystals comprises a laminated nanometer twin crystal lamellar structure. The preparation method of the copper bonding wire comprises the following steps: sequentially carrying out vacuum melting, directional continuous casting and drawing processes on a copper block to prepare a copper wire body; sequentially carrying out heat treatment and cleaning treatment on the copper wire body; and carrying out an electroplating process on the cleaned copper wire body, and forming the nanometer twin crystal copper shell on the surface of the copper wire body to obtain the copper bonding wire. According to the invention, the nanometer twin crystal copper shell is formed on the surface of the copper wire body, so that the oxidation resistance of the copper bonding wire is improved, the tensile strength of the copper bonding wire is enhanced, the wire breakage resistance of the bonding wire is improved, and the use requirements of a chip and an external packaging substrate are met.)
技术领域
本发明属于电子器件封装技术领域，具体涉及一种铜键合丝及其制备方法。
背景技术
集成电路或LED的封装领域中，芯片和基板(或引线框架)之间的电路连接为芯片提供了电源和信号的传递。目前的互连方式中，引线键合技术占据了约90％，这是一种使用细金属线作为键合丝，利用热、压力、超声波能量为使金属引线与基板焊盘紧密焊合，实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。其过程是在键合设备上使键合丝通过专用陶瓷嘴固定住，使之尾部留出一定长度的键合丝，再通过外部电弧放电使键合丝尾部熔融成球状，然后利用陶瓷嘴使球状键合丝挤压连接到电子芯片的电极上，最后通过键合设备的移动使键合丝的另一端连接到外部引线框架上，经塑料树脂封装后完成。
现在大部分的键合丝都以纯度在99.99％以上的黄金作为主材料，这是由于金作为惰性金属具有良好的抗氧化性，同时也具有优良导电性和稳定性。但是由于金作为一种贵金属价格十分高昂，目前仅应用在可靠性要求较高的高端产品中。为了适应降低成本的大趋势，行业内开发出了铜键合丝。铜作为一种高导电、导热以及相对低成本的材料在键合丝领域具有良好的应用前景，但其自身抗氧化性和机械性能较差，容易出现虚焊或断线的情况，导致元器件服役可靠性较差。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供一种铜键合丝及其制备方法，以解决现有的铜键合丝自身抗氧化性和机械性能较差的问题。
为实现上述发明目的，本发明的一方面是提供了一种铜键合丝，所述铜键合丝包括铜丝本体以及包覆在铜丝本体表面上的纳米孪晶铜外壳，所述纳米孪晶铜外壳由晶界界面垂直于所述铜丝本体表面的柱状晶组成，所述柱状晶内部包含层叠的纳米孪晶片层结构。
具体地，每一所述柱状晶内的纳米孪晶片层的生长方向垂直或近于垂直于对应的柱状晶的晶界界面，同一柱状晶内的纳米孪晶片层的生长方向相同。
具体地，所述铜丝本体的直径为10μm～50μm，所述纳米孪晶铜外壳的厚度为0.2μm～12μm。
具体地，所述纳米孪晶片层的厚度为10nm～50nm，所述柱状晶的宽度为0.5μm～10μm。
具体地，所述铜丝本体的材料为纯度不低于99.99％的铜，所述纳米孪晶铜外壳是经由电化学沉积工艺形成在所述铜丝本体的表面上。
本发明的另一方面是提供了一种如上所述的铜键合丝的制备方法，其包括：
将铜块依次经过真空熔炼、定向连铸以及拉拔工艺制备形成铜丝本体；
将所述铜丝本体依次进行热处理和清洗处理；
对清洗后的所述铜丝本体进行电镀工艺，在所述铜丝本体的表面上形成所述纳米孪晶铜外壳，获得所述铜键合丝；
其中，所述电镀工艺中的电解液中包含有硫酸铜、硫酸、氯化钠以及电镀添加剂和水。
具体地，所述电解液中硫酸铜的浓度为50g/L～200g/L，硫酸的浓度为20g/L～50g/L，氯化钠的含量为30ppm～50ppm，电镀添加剂的含量为20ppm～120ppm。
具体地，所述电镀工艺采用直流电镀工艺，电流密度为1A/dm2～5A/dm2，电镀时间为0.5min～6min。
具体地，所述将所述铜丝本体依次进行热处理和清洗处理包括：将所述铜丝本体在氮气气氛下、温度为250℃～350℃的条件下进行热处理，热处理速度为1m/s～3m/s；将热处理后的铜丝本体依次在氢氧化钠溶液、硫酸溶液和纯水中进行超声清洗。
具体地，所述将铜块依次经过真空熔炼、定向连铸以及拉拔工艺制备形成铜丝本体包括：
选用纯度不低于99.99％的高纯铜块，在1000℃～1200℃的温度下进行真空熔炼和定向连铸1h～3h，形成直径6mm～10mm的铜棒；
将所述铜棒经多到道粗拉拔工艺制得直径为0.2mm～2mm的粗铜线；
将所述粗铜线经多道次细拉拔工艺制得直径为10μm～50μm的铜丝本体。
本发明实施例提供的铜键合丝，在铜丝本体表面上形成了纳米孪晶铜外壳，纳米孪晶铜外壳由包括层叠的纳米孪晶片层的柱状晶组成，由此：一方面，外壳结构内具有高密度纳米孪晶片层，孪晶具有较低的吉布斯自由能，相比纯铜粗晶更为稳定，同时孪晶取代了易受氧化晶界，使得铜键合丝表面具有较好的抗氧化性；另一方面，外壳结构内具有高密度纳米孪晶片层，孪晶可以在金属变形过程中起到阻碍位错滑移的功能，增强了铜键合丝的抗拉强度，提高了键合丝抵抗断线的能力。本发明实施例提供的铜键合丝的制备方法，其具有工艺流程简单、工艺条件易于实现的优点，有利于大规模的工业化应用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的铜键合丝的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的铜键合丝的横截面放大示意图；
图3是本发明实施例提供的铜键合丝的制备方法的工艺流程图；
图4本发明实施例1的铜键合丝中纳米孪晶铜外壳的SEM图；
图5本发明实施例1的铜键合丝中纳米孪晶铜外壳的TEM图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明实施例首先提供了一种铜键合丝，参阅图1和图2，所述铜键合丝包括铜丝本体1以及包覆在铜丝本体1表面上的纳米孪晶铜外壳2，所述纳米孪晶铜外壳2由晶界界面垂直于所述铜丝本体1表面的柱状晶组成3，所述柱状晶3内部包含层叠的纳米孪晶片层结构。
具体地，每一柱状晶3内的纳米孪晶片层的生长方向垂直或近于垂直于对应的柱状晶3的晶界界面，同一柱状晶内3的纳米孪晶片层的生长方向相同。
通过在铜丝本体表面上形成纳米孪晶铜外壳，高密度的纳米孪晶片层组织结构相比纯铜粗晶更为稳定，同时孪晶取代了易受氧化晶界，使得铜键合丝表面具有较好的抗氧化性；另外，孪晶组织结构可以在金属变形过程中起到阻碍位错滑移的功能，增强了铜键合丝的抗拉强度，提高了键合丝抵抗断线的能力。
在优选的方案中，所述铜丝本体的直径可以设置为10μm～50μm，所述纳米孪晶铜外壳的厚度设置在0.2μm～12μm的范围内。
在优选的方案中，所述纳米孪晶片层的厚度为10nm～50nm，所述柱状晶的宽度为0.5μm～10μm。
具体的方案中，所述铜丝本体的材料为纯度不低于99.99％的铜，所述纳米孪晶铜外壳是经由电化学沉积工艺形成在所述铜丝本体的表面上。
本发明实施例还提供了如上所述的铜键合丝的制备方法，参阅图3，所述制备方法包括以下步骤：
步骤S10、将铜块依次经过真空熔炼、定向连铸以及拉拔工艺制备形成铜丝本体。
在优选的技术方案中，所述步骤S10具体包括：
S11、选用纯度不低于99.99％的高纯铜块，在1000℃～1200℃的温度下进行真空熔炼和定向连铸1h～3h，形成直径6mm～10mm的铜棒。
S12、将所述铜棒经多到道粗拉拔工艺制得直径为0.2mm～2mm的粗铜线。
S13、将所述粗铜线经多道次细拉拔工艺制得直径为10μm～50μm的铜丝本体。
步骤S20、将所述铜丝本体依次进行热处理和清洗处理。
在优选的方案中，所述热处理具体是：将所述铜丝本体在氮气气氛下、温度为250℃～350℃的条件下进行热处理，热处理速度为1m/s～3m/s。
在优选的方案中，将热处理后的铜丝本体依次在氢氧化钠溶液、硫酸溶液和纯水中进行超声清洗。其中，氢氧化钠溶液的浓度优选为10％，硫酸溶液的浓度优选为10％。
步骤S30、对清洗后的所述铜丝本体进行电镀工艺，在所述铜丝本体的表面上形成所述纳米孪晶铜外壳，获得所述铜键合丝。
其中，所述电镀工艺中的电解液中包含有硫酸铜、硫酸、氯化钠以及电镀添加剂和水。具体地，所述电解液中，硫酸铜的浓度为50g/L～200g/L，硫酸的浓度为20g/L～50g/L，氯化钠的含量为30ppm～50ppm，电镀添加剂的含量为20ppm～120ppm。
所述电镀添加剂例如是润湿剂、整平剂、光亮剂、促进剂、表面活性剂等。
具体地，所述电镀工艺采用直流电镀工艺，电流密度为1A/dm2～5A/dm2，电镀时间为0.5min～6min。
如上实施例提供的铜键合丝及其制备方法，铜键合丝完全由高纯铜构成，没有进行合金化或电镀异种金属镀层，因此其导电率接近纯铜的导电率，不会产生由于合金化导致导电率下降的问题。进一步地，该铜键合丝完全由高纯铜构成，没有掺杂或电镀贵金属材料，因此成本具有较大优势。
将本发明制备获得的铜键合丝在室温和拉伸速率为10-3s-1条件下进行测试，测得抗拉强度达到300MPa～500MPa，显微维氏硬度达到1.5GPa～2.5GPa。
实施例1
(1)选用纯度为99.99％的高纯铜块，经过1100℃和2小时的真空熔炼和定向连铸工艺形成直径8mm铜棒。
(2)、连铸得到的铜棒经15道粗拉拔制得直径为1mm的粗铜线。
(3)、粗铜线再经多道细拉拔最终得到15μm铜丝本体。
(4)、在氮气气氛下对铜丝本体进行350℃热处理，热处理速度为2m/s。
(5)、将热处理得到的铜丝本体分别在10％氢氧化钠、10％硫酸和纯水中进行超声清洗。
(6)、通过直流电镀的方式在铜丝本体表面形成厚度为2.5μm的外壳，所述外壳中具有所述高密度纳米孪晶片层的微观组织。
具体的，所述直流电度中使用硫酸铜体系镀液，阳极选用磷铜球。电解液中硫酸铜含量为200g/L，硫酸含量为30mL/L，氯化钠含量为50ppm，孪晶促进剂明胶含量为100ppm，光亮剂SPS含量为5ppm。
具体的，本实施例的电镀参数为：电流密度为2A/dm2，电镀时间为5min，环境温度为室温。
本实施例最终制备获得Φ20μm的铜键合丝，最后对铜键合丝进行复绕和包装。图4本实施例获得的铜键合丝中纳米孪晶铜外壳的SEM图；图5本实施例获得的的铜键合丝中纳米孪晶铜外壳的TEM图。
对于本实施例制备获得的铜键合丝：电化学极化曲线测得在3.5wt.％NaCl溶液中的腐蚀电流密度为0.03mA/cm2，约为粗晶纯铜的1/3，抗氧化性能优异。在室温和拉伸速率为10-3s-1的条件下，测得最大抗拉强度为383MPa，显微维氏硬度为1.9GPa，抗颈断能力大大优于纯铜键合丝。
实施例2
(1)选用纯度为99.99％的高纯铜块，经过1200℃和1.5小时的真空熔炼和定向连铸工艺形成直径10mm铜棒。
(2)、连铸得到的铜棒经20道粗拉拔制得直径为1.5mm的粗铜线。
(3)、粗铜线再经多道细拉拔最终得到40μm铜丝本体。
(4)、在氮气气氛下对铜丝本体进行300℃热处理，热处理速度为1m/s。
(5)、将热处理得到的铜丝本体分别在10％氢氧化钠、10％硫酸和纯水中进行超声清洗。
(6)、通过直流电镀的方式在铜丝本体表面形成厚度为5μm的外壳，所述外壳中具有所述高密度纳米孪晶片层的微观组织。
具体的，所述直流电度中使用硫酸铜体系镀液，阳极选用磷铜球。电解液中硫酸铜含量为150g/L，硫酸含量为50mL/L，氯化钠含量为40ppm，孪晶促进剂明胶含量为40ppm，光亮剂SPS含量为2ppm。
具体的，本实施例的电镀参数为：电流密度为5A/dm2，电镀时间为2min，环境温度为30℃。
本实施例最终制备获得Φ50μm的铜键合丝，最后对铜键合丝进行复绕和包装。
对于本实施例制备获得的铜键合丝：电化学极化曲线测得在3.5wt.％NaCl溶液中的腐蚀电流密度为0.018mA/cm2，抗氧化性能优异。在室温和拉伸速率为10-3s-1的条件下，测得最大抗拉强度为451MPa，显微维氏硬度为2.1GPa，抗颈断能力大大优于纯铜键合丝。
综上所述，本发明实施例提供的铜键合丝，通过在铜丝本体表面上形成纳米孪晶铜外壳，不仅提升了铜键合丝的抗氧化性，还增强了铜键合丝的抗拉强度，提高了键合丝抵抗断线的能力，满足芯片和外部封装基板的使用要求。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
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