傳感器半導體芯片用銅合金材料的制作方法
【專利摘要】傳感器半導體芯片用銅合金材料，主要包括銅元素，還包括鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素，所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別為：鎳0.2%~0.6%，鎘0.1%~0.3%，鋅1.1%~2.2%，貴金屬元素0.02%~0.05%，稀土金屬元素0.03%~0.04%。本發明公開的銅合金材料用來封裝傳感器半導體芯片時，能夠具有較佳的常溫與高溫抗氧化功效，用本發明銅合金封裝的傳感器半導體芯片，不僅可降低半導體芯片熱膨脹系數，有助改善熱疲勞可靠度，減少結合界面剝離的現象發生外，亦能降低金屬間化合物層厚度，進而提高界面可靠度。
【專利說明】傳感器半導體芯片用銅合金材料
【技術領域】
[0001] 本發明涉及傳感器半導體芯片用銅合金材料，它是一種適用于傳感器中的半導體 芯片的銅合金，屬于合金材料領域。
【背景技術】
[0002] 銅合金被廣泛應用于汽車部件、家電部件、電氣、電子、光學部件、配管構件、水暖 金屬件或者各種閥門等。且由于近年來全球變暖，強烈要求制品或者構件的小型、輕量化和 薄壁化，在比重比鐵大的銅合金中，需要通過高強度化來應對上述要求。
[0003] 尤其在氣象機械、氣象光學儀器領域，對儀器的重量有著較高的要求，以及對儀器 的精密程度要求較高，就需要使用高強度的且輕質的合金材料，很多氣象觀測站，由于地 域、交通的限制，不能夠滿足較重儀器的搬運和安裝，儀器更換也存在很大的難度，這就需 要在儀器的配備上有著較高的要求，儀器的精密度，以及儀器的使用壽命要求高。對于儀器 制作時使用的材料，尤其是傳感器，以及數據采集芯片使用的銅合金的要求很高，傳統的簡 單的銅合金材料基本無法滿足要求。傳統的銅合金不僅在質量重、感應的靈敏度差以及能 夠被使用的次數少，不能滿足氣象領域的儀器使用要求。
[0004] 高導高強銅合金是一類有優良綜合物理性能和力學性能的結構功能材料，廣泛應 用于電阻焊、電力、電子、機械制造等工業領域。
[0005] 現有的晶體管、IC等半導體，或集成電路等組件，其連結電極與外部導線一般是以 高純度4N系（純度> 99. 99mass (質量）％ )的黃金與其他微量金屬元素制成的金線作為 電性連接的接合線，然而，由于黃金較高的價格，以及黃金市場的不穩定性，在考慮成本和 行業風險的情況下，使用黃金存在一定的弊端，不利于工業化應用和大規模的生產。使用 銅合金替代高價位的高純度4N系（純度> 99. 99mass (質量）％ )的黃金與其他微量金屬 元素制成的金線作為電性連接的接合線成為業內人士考慮的方向。使用銅合金時，由于封 裝用樹脂與導線的熱膨脹系數差異過大，隨著半導體啟動后溫度上升，因熱形成的體積膨 脹對形成回路的銅接合線產生外部應力，特別是對暴露于嚴酷的熱循環條件下的半導體組 件，容易使銅接合線產生短線的問題。
[0006] 用于作為載流部件（例如連接件、引流框、繼電器和開關）的電氣和電子部件的材 料具有良好的電導率，以抑制因為載流而產生焦耳熱，要求所使用的材料的高強度能承受 在使用此材料的電氣和電子設備的組裝和運行過程中向其施加的應力。用于電氣和電子部 件的材料還要求具有極佳的可彎曲加工性，而且，為了確保電氣和電子部件之間的接觸可 靠性，要求用于該部件的材料具有極佳的耐應力松弛性。尤其近年來，電氣和電子部件存在 集成化、微型化和輕質化的傾向，碎玉材料的性能要求更高，銅合金板的厚度要變薄，強度 以及敏感度要求更高。
[0007] 發明人通過檢索得到專利號為2010800134044,發明名稱為高度強銅合金專利，該 銅合金中的組分為鋅20%?45%、鐵0. 3?1. 5%、鉻0. 3?1. 5%，余量為銅，且該銅合金 內部分散有鐵-鉻系化合物粒子和A12Ca的金屬間化合物粒子，以重量標準計所述鐵相對 于所述鉻的含有比率Fe/Cr為0. 5?2。在具體實施例中公布了抗拉強度和破斷延伸率的試 驗數據，但是對于這種配比的銅合金材料，只能通過使用該專利中公開的制作方法來得到， 對于銅合金材料內部的成型結構，無法實現具體控制，且該銅合金材料的抗變形系數，以及 導電系數并不能達到在氣象機械的傳感器中的要求，無法應用到氣象機械的傳感器中，無 法解決減輕氣象機械的重量和提高氣象機械的傳感靈敏度的問題。
[0008] 發明人還檢索到申請號為201110228500. 7,發明名稱為一種銅合金材料的發明專 利，該發明公開的銅合金材料，由以下以重量百分比計的原料制成：PbO. 641%?0. 704%， SiL 23 % ?1. 36 %，MnL 94 % ?2. 32 %，Nil. 95 % ?2. 21 %，FeO. 093 % ?0. 153 %， SnO. 025%?0. 048%，Zn35. 3%?35. 76%，Cu余量。該發明的銅合金材料具有高強度、耐 磨、耐腐蝕、延展性好、易加工、不易拉脫等優點，適合于制造高壓柱塞泵的核心零件如滑靴 和配流盤。但是這種銅合金材料的導電性能不好，不適應于制作傳感器部件，尤其不適應于 制作氣象領域的傳感器。
【發明內容】
[0009] 為了解決上述存在的問題，本發明公開了一種傳感器半導體芯片用銅合金材料， 本發明的具體方案為：
[0010] 傳感器半導體芯片用銅合金材料，主要包括銅元素，還包括鎳、鎘和鋅，其特征是 還包括若干種貴金屬元素和若干種稀土金屬元素，所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬 元素在銅合金中所占的重量百分比分別為：
[0011] 鎳 0.2%?0.6%，鎘 0? 1 %?0.3%，鋅 I. 1 %?2. 2%，貴金屬元素 0.02 %? 0. 05%，稀土金屬元素0. 03%?0. 04%。
[0012] 所述貴金屬元素選自銠、銀或鉑中的一種或者任意種組合。
[0013] 所述稀土金屬元素選自鐠、釹或鈰中的一種或者任意種組合。
[0014] 所述貴金屬元素包括銠、銀和鉑，銠、銀和鉑在貴金屬元素中所占的重量比例為 0. 5:0. 8 :1 ?1. 5。
[0015] 所述稀土金屬元素包括鐠、釹和鈰，鐠、釹和鈰在稀土金屬元素中所占的重量比例 為 1:1:3 ?4。
[0016] 所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別 為：
[0017] 鎳 0? 3%?0? 5%，鎘 0? 15%?0? 25%，鋅 L 5%?L 9%，貴金屬元素 0? 03%? 0. 04%，稀土金屬元素 0. 032%?0. 038%。
[0018] 所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別 為：
[0019] 鎳0? 4%，鎘0? 2%，鋅L 7%，貴金屬元素0? 035%，稀土金屬元素0? 035%。
[0020] 本發明的有益效果為：
[0021] 本發明公開的銅合金材料用來封裝傳感器半導體芯片時，能夠具有較佳的常溫與 高溫抗氧化功效以及良好的焊接成球性與接合性。
[0022] 用本發明銅合金封裝的傳感器半導體芯片，在常溫無塵室中，可達到數月不被氧 化，避免傳統的接合銅材料在使用時，表面容易被氧化，形成一層黑色的氧化膜，尤其在封 裝傳感器半導體芯片的應用領域，氧化膜不僅影響芯片表面光澤度，也會影響影響芯片的 導電性能，影響傳感器芯片的靈敏度和使用壽命，不利于要求較高的氣象領域的應用。本發 明具有良好的常溫和高溫抗氧化能力。
[0023] 用本發明銅合金封裝的傳感器半導體芯片，不僅可降低半導體芯片熱膨脹系數， 有助改善熱疲勞可靠度，減少結合界面剝離的現象發生外，亦能降低金屬間化合物層厚度， 進而提高界面可靠度。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合【具體實施方式】，進一步闡明本發明。應理解下述【具體實施方式】僅用于說 明本發明而不用于限制本發明的范圍。
[0025] 本傳感器半導體芯片用銅合金材料，主要包括銅元素，還包括鎳、鎘和鋅，其特征 是還包括若干種貴金屬元素和若干種稀土金屬元素。
[0026] 實施例1 :
[0027] 所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別 為：
[0028] 鎳0.2%，鎘0. 1%，鋅I. 1%，貴金屬元素0.02%，稀土金屬元素0.03%。
[0029] 所述貴金屬元素包括銠、銀和鉑，銠、銀和鉑在貴金屬元素中所占的重量比例為 0. 5:0. 8 :1。
[0030] 所述稀土金屬元素包括鐠、釹和鈰，鐠、釹和鈰在稀土金屬元素中所占的重量比例 為 1:1:3〇
[0031] 實施例2:
[0032] 所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別 為：
[0033] 鎳0. 6 %，鎘0. 3 %，鋅2. 2 %，貴金屬元素0. 05 %，稀土金屬元素0. 04 %。
[0034] 所述貴金屬元素包括銠、銀和鉑，銠、銀和鉑在貴金屬元素中所占的重量比例為 0. 5:0. 8 :1. 5。
[0035] 所述稀土金屬元素包括鐠、釹和鈰，鐠、釹和鈰在稀土金屬元素中所占的重量比例 為 I:1:4〇
[0036] 實施例3 :
[0037] 所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別 為：
[0038] 鎳0. 3 %，鎘0. 15 %，鋅1. 5 %，貴金屬元素0. 03 %，稀土金屬元素0. 032 %。
[0039] 所述貴金屬元素包括銠、銀和鉑，銠、銀和鉑在貴金屬元素中所占的重量比例為 0. 5:0. 8 :1。
[0040] 所述稀土金屬元素包括鐠、釹和鈰，鐠、釹和鈰在稀土金屬元素中所占的重量比例 為 1:1:3〇
[0041] 實施例4:
[0042] 所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別 為：
[0043] 鎳0. 5 %，鎘0. 25 %，鋅I. 9 %，貴金屬元素0. 04%，稀土金屬元素0. 038 %。
[0044] 所述貴金屬元素包括銠、銀和鉑，銠、銀和鉑在貴金屬元素中所占的重量比例為 0. 5:0. 8 :1. 5。
[0045] 所述稀土金屬元素包括鐠、釹和鈰，鐠、釹和鈰在稀土金屬元素中所占的重量比例 為 I:1:4〇
[0046] 實施例5 :
[0047] 所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別 為：
[0048] 鎳0? 4 %，鎘0? 2 %，鋅L 7 %，貴金屬元素0? 035 %，稀土金屬元素0? 035 %。
[0049] 所述貴金屬元素包括銠、銀和鉑，銠、銀和鉑在貴金屬元素中所占的重量比例為 0. 5:0. 8 :1. 25。
[0050] 所述稀土金屬元素包括鐠、釹和鈰，鐠、釹和鈰在稀土金屬元素中所占的重量比例 為 1:1:3. 5〇
[0051] 將上述5個具體實施例的不同組分的銅合金材料分別用來封裝相同厚度的傳感 器芯片，傳感器芯片選用9mm，分別將5個實施例封裝成的傳感器芯片用來測試實驗，
[0052] 第一個實驗為：分別將5個實施例封裝成的傳感器芯片置于常溫的無塵環境中， 讓其與空氣充分接觸，觀察其第30天被氧化情況；
[0053] 第二個實驗為：分別將5個實施例封裝成的傳感器芯片置于高溫（選用150°C )的 環境中，讓其與空氣充分接觸，觀察其第15天被氧化情況；
[0054] 第三個實驗為：分別測試5個實施例封裝成的傳感器芯片的熱脹系數。
[0055] 得到數據如下表：
【權利要求】
1. 傳感器半導體芯片用銅合金材料，主要包括銅元素，還包括鎳、鎘和鋅，其特征是還 包括若干種貴金屬元素和若干種稀土金屬元素，所述鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元 素在銅合金中所占的重量百分比分別為： 鎳 0. 2%~0. 6%，鎘 0. 1%~0. 3%，鋅 1. 1%~2. 2%，貴金屬元素 0. 02%~0. 05%，稀土金屬元素 0. 03%~0. 04%。
2. 根據權利要求1所述的傳感器半導體芯片用銅合金材料，其特征是所述貴金屬元素 選自銠、銀或鉑中的一種或者任意種組合。
3. 根據權利要求1所述的傳感器半導體芯片用銅合金材料，其特征是所述稀土金屬元 素選自鐠、釹或鈰中的一種或者任意種組合。
4. 根據權利要求2所述的傳感器半導體芯片用銅合金材料，其特征是所述貴金屬元素 包括銠、銀和鉑，銠、銀和鉑在貴金屬元素中所占的重量比例為0. 5: 0. 8 :1~1. 5。
5. 根據權利要求3所述的傳感器半導體芯片用銅合金材料，其特征是所述稀土金屬元 素包括鐠、釹和鋪，鐠、釹和鈰在稀土金屬元素中所占的重量比例為1:1:3~4。
6. 根據權利要求1-5中任一所述的傳感器半導體芯片用銅合金材料，其特征是所述 鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別為： 鎳 0. 3%~0. 5%，鎘 0. 15%~0. 25%，鋅 1. 5%~1. 9%，貴金屬元素 0. 03%~0. 04%，稀土金屬元素 0. 032%~0, 038%〇
7. 根據權利要求1-5中任一所述的傳感器半導體芯片用銅合金材料，其特征是所述 鎳、鎘、鋅、貴金屬元素和稀土金屬元素在銅合金中所占的重量百分比分別為： 鎳0. 4%，鎘0. 2%，鋅1. 7%，貴金屬元素0. 035%，稀土金屬元素0. 035%。
【文檔編號】C22C9/04GK104451246SQ201410643345
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】禹勝林 申請人:無錫信大氣象傳感網科技有限公司