一種ic封裝用超軟鍵合絲及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及IC封裝的鍵合絲材料，尤其涉及一種IC封裝用超軟鍵合銅絲及其制 造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鍵合絲（bonding wire)是連接芯片與外部封裝基板（substrate)和/或多層線 路板（PCB)的主要連接方式。鍵合絲發(fā)展趨勢(shì)從應(yīng)用方向上主要是線徑細(xì)微化，高車間壽 命（floor life)以及高線軸長度的產(chǎn)品，從化學(xué)成分上，主要有銅線（包括裸銅線、鍍鈀銅 線、閃金鍍鈀銅線）在半導(dǎo)體領(lǐng)域大幅度取代金線，而銀線和銀合金線在LED以及部分IC 封裝應(yīng)用上取代金線。
[0003] 相對(duì)于金線，銅線主要的優(yōu)勢(shì)是：1、產(chǎn)品成本低；2、線材機(jī)械強(qiáng)度高，在形成loop 后的灌膠的過程中抗沖擊能力強(qiáng)，減少了線材的晃動(dòng)（wire swe?。m合于細(xì)間距封裝； 3、導(dǎo)電性高（電阻率：銅1. 69 ;金2. 2*10_60hm cm) ;4、與Al-Au共晶相比較，Al-Cu共晶相 的生長速率低許多，所以可靠性大幅度提升。
[0004] 但是銅線有以下問題：1、線材容易氧化；2、線材硬度高，在打線時(shí)容易對(duì)IC造成 損傷；3、焊線工作窗口需要拓寬，其中一個(gè)方面的具體表現(xiàn)為產(chǎn)品由于氧化和硫化的原因 導(dǎo)致銅線的車間壽命（floor life)低。
[0005] 對(duì)于銅線容易氧化的問題，業(yè)界普遍采用Forming gas(5% H2+95% N2)來完成銅 線成球過程，但出于成本原因，更多的企業(yè)希望采用純氮?dú)鈦砩a(chǎn)。
[0006] 對(duì)于銅線相對(duì)金線硬度高的問題，業(yè)界有三種方法：1、采用銀及其合金線材的趨 勢(shì)；2、強(qiáng)化IC Pad下材料的機(jī)械性能，從而保護(hù)Pad下的電子線路；3、采用軟銅線（主要是 高純度的銅線）。
[0007] 對(duì)于焊線工作窗口的拓寬和車間壽命提升，業(yè)界普遍采用表面鍍鈀的銅線。日本 Tanaka公司在中國申請(qǐng)的專利CN200980100723公開了這種方法，然而該方法采用鍍Pd工 藝，不僅會(huì)增加產(chǎn)品成本，還會(huì)使銅線的硬度也進(jìn)一步增加。
[0008] 此外，銅線在半導(dǎo)體行業(yè)中的應(yīng)用還出現(xiàn)了以下幾個(gè)問題：
[0009] 1、由于打線速度越來越快，增加了線材與瓷嘴的摩擦，因此使線材表面刮傷情況 有所增加，并造成間接影響產(chǎn)品的可靠性；
[0010] 2、在高線軸長度的產(chǎn)品的開發(fā)中如何保證線材優(yōu)異的放線性能，避免卡線情況的 發(fā)生而造成放線不暢影響生產(chǎn)；
[0011] 3、隨著封裝技術(shù)的小型化，大量的采用Mulit-Chip Module(MCM)的封裝形式，而 其中的懸空打線（overhang)對(duì)線材的軟度提出了更高要求，通常采用金線來完成，因?yàn)楫?dāng) 采用常規(guī)銅線時(shí)，由于打線的參數(shù)過大容易造成芯片的彎曲，從而變形球真圓度變差，產(chǎn)生 打球不穩(wěn)定等問題；此外，該懸空打線亦對(duì)線材的操作窗口的提升提出了更高的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)在下文的描述中部分地陳述，或者可從該描述顯而易見，或 者可通過實(shí)踐本發(fā)明而學(xué)習(xí)。
[0013] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提供一種IC封裝用超軟鍵合絲及其制造方法，采 用氧含量為0~5ppm，鶴含量為0· 1~2ppm，硫含量為1~lOppm，磷含量為4~200ppm， 余量為高純銅的線材，從而具有超軟、抗氧化、抗刮傷、放線順暢等特點(diǎn)。
[0014] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種IC封裝用超軟鍵合絲，其特征在于，線材中的 氧含量為〇~5ppm，鶴含量為0· 1~2ppm，硫含量為1~lOppm，磷含量為4~200ppm，余 量為高純銅。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，還包括銀，含量為8~250ppm。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該銀的純度在99. 99%以上。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在該線材外表面還設(shè)有有機(jī)涂層，該有機(jī)涂層的成分 包括：有機(jī)胺、陽離子表面活性劑與非離子表面活性劑的復(fù)配物。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該有機(jī)胺選自單乙醇胺、雙乙醇胺、三乙醇胺、單甲胺、 雙甲胺、三甲胺、咪唑、苯并三氮唑中的至少一種；該陽離子表面活性劑選自氯化十六烷基 三甲基銨、氯化十八烷基三甲基銨、含硫陽離子表面活性劑中的至少一種；該非離子表面活 性劑選自辛基酚聚氧乙烯醚，月桂醇聚氧乙烯醚中的至少一種。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該有機(jī)涂層的厚度為0. 2~2. 5nm。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該高純銅的純度為4N以上。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種IC封裝用超軟鍵合絲的制造方法，其特征在 于，包括：
[0023] S1、將原料按預(yù)定的比例進(jìn)行熔煉，得到氧含量為0~5ppm，鎢含量為0. 1~ 2ppm，硫含量為1~lOppm，磷含量為4~200ppm，余量為高純銅的線材；
[0024] S2、將該線材行多次拉絲，并在多次拉絲過程中對(duì)該線材進(jìn)行退火處理，得到直徑 為18~50um的鍵合絲；
[0025] S3、對(duì)該直徑為18~50um的鍵合絲進(jìn)行最后一次退火處理。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在該步驟Sl中得到的線材還包括銀，含量為8~ 250ppm〇
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，還包括步驟S4,將完成最后一次退火處理的鍵合絲浸 入并通過盛有機(jī)涂層溶液的槽，在該鍵合絲外表面形成厚度為0. 2~2. 5nm的有機(jī)涂層。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在該步驟S2或S3中，進(jìn)行該退火處理時(shí)，退火溫度 450~600°C，退火爐有效長度為600mm，退火速度為50~100m/min。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該有機(jī)涂層溶液的組份按重量百分比計(jì)包括：有機(jī)溶 劑15~30%，水60~70%，有機(jī)胺5~18%，陽離子表面活性劑與非離子表面活性劑的復(fù) 配物 0· 005 ~0· 2%。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該有機(jī)溶劑為選自乙醇、異丙醇中的至少一種；該有機(jī) 胺選自單乙醇胺、雙乙醇胺、三乙醇胺、單甲胺、雙甲胺、三甲胺、咪挫、苯并三氮唑中的至少 一種；該陽離子表面活性劑選自氯化十六烷基三甲基銨、氯化十八烷基三甲基銨、含硫陽離 子表面活性劑中的至少一種；該非離子表面活性劑選自辛基酚聚氧乙烯醚，月桂醇聚氧乙 烯醚中的至少一種。
[0031] 通過閱讀說明書，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將更好地了解這些技術(shù)方案的特征和內(nèi) 容。
【附圖說明】
[0032] 下面通過參考附圖并結(jié)合實(shí)例具體地描述本發(fā)明，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方式將會(huì) 更加明顯，其中附圖所示內(nèi)容僅用于對(duì)本發(fā)明的解釋說明，而不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何意義 上的限制，在附圖中：
[0033] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的IC封裝用超軟鍵合絲制造方法的流程示意圖。
[0034] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的FAB Vicker Hardness壓痕圖片。
[0035] 圖3為本發(fā)明鍵合絲與標(biāo)準(zhǔn)4N銅線在第一焊點(diǎn)工作窗口的比較
【具體實(shí)施方式】
[0036] 本發(fā)明提供一種IC封裝用超軟鍵合絲，其特征在于，線材中的氧含量為0~5ppm， 鎢含量為〇· 1~2ppm，硫含量為1~lOppm，磷含量為4~200ppm，余量為高純銅，其中高純 銅的純度為4N以上。
[0037] 上述線材中氧含量要小于5ppm，這是因?yàn)椋壕€材中氧的含量越小，則相應(yīng)的線材 越軟（根據(jù)第二焊點(diǎn)的表現(xiàn)）；同樣地在保護(hù)氣體下得到的變形球（Free air ball，F(xiàn)AB) 的硬度也越低。這可能是因?yàn)檠踉阢~中的存在會(huì)增加其硬度。對(duì)于第一焊點(diǎn)，即使是在 forming gas的保護(hù)下打線，其中的氫氣能夠還原部分銅中的氧，但FAB仍然含有相當(dāng)?shù)难?含量，而FAB中的殘留氧是造成球硬度增加的主要原因；在本發(fā)明中，銅中的氧包含銅材初 始氧A和在火花放電形成FAB過程中源于大氣中的氧B，該氧B可能以氧化銅的形式存在。
[0038] 當(dāng)線材中的磷含量為4~200ppm時(shí)，在第一焊形成過程中，磷能和銅線中的氧A 以及大氣中的氧B (雖然有保護(hù)氣體，但仍然存在大氣中的氧擴(kuò)散到FAB表面氧化FAB的可 能）反應(yīng)消耗掉氧從而保護(hù)銅FAB不被氧化，降低FAB的硬度。當(dāng)P的含量大于40ppm時(shí)， 第一焊點(diǎn)的打線可以在純氮的氣氛下進(jìn)行。但當(dāng)P的含量高于200ppm時(shí)，線材變得太硬， 第二焊點(diǎn)需要很大參數(shù)才行，會(huì)造成工藝窗口過窄。
[0039] 線材中包含0. 1~2ppm鎢，這是由于鎢和硫（銅線中的雜質(zhì)）所生成的W2S有催 化H2S氧化的作用（其中H 2S源自Forming gas中的!12與銅線中CuS雜質(zhì)的反應(yīng)），請(qǐng)參見 以下的兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)方程式，W2S作為催化劑，能催化H 2S轉(zhuǎn)變成單原子S，因此會(huì)進(jìn)一步降 低FAB中氧和硫的含量，降低FAB的硬度而優(yōu)化打線性能。
[0040] H2S+3/202- SO 2+H20 反應(yīng) I
[0041] 2H2S+S02-3/xS x〇+2H20 反應(yīng) 2
[0042] 顯然為了發(fā)揮鶴的催化功能，線材中硫的含量也需要調(diào)節(jié)到I-IOppm之間，當(dāng)硫 含量小于Ippm時(shí)，鎢的作用無從發(fā)揮，而大于IOppm時(shí)，則線材會(huì)變脆，對(duì)拉線和打線都不 利。當(dāng)硫的含量在1~IOppm時(shí)，以Cu 2S和CuS形式存在的S，首先被轉(zhuǎn)化為H2S，然后根據(jù) 反應(yīng)1、2在W2S的作用下變?yōu)閱钨|(zhì)S，隨氣流帶走，從而極大地降低了 FAB中硫和氧的含量， 降低了 FAB的硬度。
[0043] 在本實(shí)施例中，還包括銀，含量為8~250ppm;且該銀的純度在99. 99 %以上。銀 的引入可以使線材變軟，這主要體現(xiàn)