一種用于細間距ic封裝的鍵合銅絲及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及IC封裝用的鍵合絲，具體涉及一種用于細間距IC封裝的鍵合銅絲及 其制造方法。
【背景技術】
[0002] 鍵合絲（bonding wire)是在IC工業中作為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。當芯片中的晶體管尺寸在不斷降 低（現在最尖端的logic芯片，其最小特征尺寸為14、16nm)時，自然其芯片上焊盤的尺寸 也會縮小，而通常鍵合絲的直徑是焊盤尺寸的1/3,鍵合絲燒球FAB (free air ball，自由空 氣球）的直徑為焊線直徑的I. 8 - 2. 0倍，變形球（Squashed FAB)直徑是鍵合絲直徑的 2. 5 - 2. 8倍。為滿足高端芯片細間距的鍵合封裝要求，顯然鍵合絲的直徑也要下降，目前 IC封裝中最細的銅絲為0. 6mil (約15微米）。
[0003] 銅線與金線和銀合金線不同，在球焊接過程中，即使得到真圓度高的FAB，后續壓 球過程中形成的變形球比其它線材（鍵合絲）更容易出現變形球不圓的情況，容易導致變 形不圓的變形球的邊緣超出IC焊盤（Pad)的范圍，在細間距的封裝中（如0. 9mil以下）容 易導致相鄰的兩個變形球接觸而發生短路。為克服該問題，日本Nippon Steel Materials 公司的專利（US20110011618A1)提出了加入攙雜磷元素（P)借以細化晶粒，從而起到增加 變形球圓度的作用，然而增加攙雜磷元素同時也會增加銅線的硬度，加之銅線本身固有的 問題之一就是硬度高，因而會引起IC焊盤之下的非介電層破裂。因此行業內急需一種變形 球圓度高，同時硬度低的鍵合銅絲。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是提供一種用于細間距IC封裝的鍵合銅絲以及這種 鍵合銅絲的制造方法，這種鍵合銅絲硬度極低，并且球焊時得到的變形球的真圓度高，可靠 性高，適合于芯片細間距封裝的需要。采用的技術方案如下：
[0005] -種用于細間距IC封裝的鍵合銅絲，其特征在于所述鍵合銅絲由純度為4N以上 且主體氧含量< 5ppm(重量）的銅制成，該鍵合銅絲的晶體大小呈正態分布，晶體平均粒徑 為1. 6 - 1. 8微米。
[0006] 上述主體氧含量是總氧含量減去表面氧含量后，其內部主體組織的含氧量。
[0007] 優選上述鍵合銅絲的中心區域（即1/2半徑范圍內）主要由長軸晶和球形度高的 小晶體組成，其中長軸晶是指縱橫比大于3. 5、折算直徑在5. 5微米以上的晶體，球形度高 的小晶體是指折算直徑在3微米以下、縱橫比小于2. 5的晶體。
[0008] 優選上述鍵合銅絲內的孿晶密度小于35%。
[0009] 優選上述鍵合銅絲的直徑為15 - 25微米（um)。
[0010] 上述鍵合銅絲用于細間距IC封裝時，通常在N2或者Forming gas下進行球焊。
[0011] 本發明還提供上述用于細間距IC封裝的鍵合銅絲的一種制造方法，其特征在于 包括以下步驟：
[0012] (1)熔鑄：將純度為4N以上且主體氧含量彡5ppm(重量）的銅，經過真空熔煉和 定向連續拉工藝，獲得直徑為6 - 8毫米（mm)的線材；
[0013] (2)拉絲：對步驟⑴得到的線材進行拉絲，獲得直徑為15 - 25微米（um)的鍵 合銅絲；
[0014] 在拉絲過程中，對線材進行一次中間退火，中間退火在拉絲至直徑為0. 1100 - 0. 0384毫米（mm)時進行，在退火過程中采用N2(氮氣）做為退火氣氛，退火爐有效長度為 500 - 800毫米（mm)，退火溫度480 - 5 KTC，退火速度為50 - 100米/分鐘（m/min);
[0015] (3)最后退火：拉絲完成后，對鍵合銅絲進行最后退火，在退火過程中采用N2(氮 氣）做為退火氣氛，退火爐有效長度為500 - 800毫米（mm)，退火溫度為510 - 530°C，退 火速度為60 - 110米/分鐘（m/min);
[0016] (4)冷卻：最后退火結束后，將鍵合銅絲置入水中冷卻至20 - 30°C，得到所需的鍵 合銅絲。
[0017] 本發明的鍵合銅絲與現有技術相比，具有以下有益效果：
[0018] (1)通過控制銅的純度以及鍵合銅絲的主體氧含量，可有效降低鍵合銅絲的硬 度（當鍵合銅絲中的主體氧含量< 5ppm且銅的純度多4N時，該鍵合銅絲表現出很低的硬 度）；
[0019] ⑵本發明的鍵合銅絲球焊時得到的變形球的真圓度高，產品可靠性高，適合于高 端芯片細間距封裝的需要。
[0020] (3)通過對拉絲退火工藝的參數控制，尤其對中間退火次數以及中間退火點的選 擇，以及對退火溫度的控制，使得獲得的鍵合銅絲有特殊的組織結構，主要是在鍵合絲的中 心部位主要由細長晶和圓度高的小晶體組成，這種結構的形成機理可以簡單地概括為：線 材在拉絲過程中積累了足夠的變形量，借以中間退火的過程中的參數調整，使得退火中恢 復（Recovery)和再結晶這兩個子過程得到優化，使得兩種子過程得到了合理范圍內的進 行。這種結構的鍵合銅絲在燒球過程中所形成的FAB的結構具有更好的對稱性和較合適的 晶體數目，從而保證了好的變形對稱性（圓度）和軟度特性。相對而言，當退火過程強度太 大時，會導致中間細長晶的消失；當退火強度不足時，又無法有效形成數量合適的直徑小、 圓度高的晶體。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發明實施例1的鍵合銅絲、對比例1的鍵合銅絲和對比例2的鍵合銅絲 的Vicker硬度測試圖（圖1中Ia為實施例1鍵合銅絲的Vicker硬度測試圖，Ib為對比 例1鍵合銅絲的Vicker硬度測試圖，Ic為對比例2鍵合銅絲的Vicker硬度測試圖）；
[0022] 圖2是本發明實施例1的鍵合銅絲、對比例1的鍵合銅絲和對比例2的鍵合銅絲 的變形球真圓度測試結果（圖2中2a為實施例1鍵合銅絲球焊后的變形球，2b為對比例1 鍵合銅絲球焊后的變形球，2c為對比例2鍵合銅絲球焊后的變形球）；
[0023] 圖3是本發明實施例1的鍵合銅絲和對比例2的鍵合銅絲的晶體結構特征的EBSD 圖（圖3中3a為實施例1鍵合銅絲的晶體結構特征的EBSD圖，3b為對比例2鍵合銅絲的 晶體結構特征的EBSD圖）；
[0024] 圖4是本發明實施例1的鍵合銅絲和對比例2的鍵合銅絲的鍵合銅絲內部晶體尺 寸分布圖（后者紅色為實施例1，前者藍色為對比例2);
[0025] 圖5本發明實施例1的鍵合銅絲和對比例2的鍵合銅絲的FAB剖面內部晶體ESBD 圖（圖5中5a為實施例1鍵合銅絲的FAB內部晶體EBSD圖，5b為對比例2鍵合銅絲的FAB 內部晶體EBSD圖）。
【具體實施方式】
[0026] 實施例1
[0027] 本實施例的用于細間距IC封裝的鍵合銅絲的制造方法包括以下步驟：
[0028] (1)熔鑄：將純度為4N且主體氧含量為4ppm(重量）的銅，經過真空熔煉和定向 連續拉工藝，獲得直徑為8毫米（mm)的線材；
[0029] (2)拉絲：對步驟（1)得到的線材進行拉絲（整個拉絲過程包括多次拉絲操作，經 歷粗拉、小拉、細拉、微拉等階段），獲得直徑為23微米（um)的鍵合銅絲；
[0030] 在拉絲過程中，對線材進行一次中間退火，中間退火在拉絲至直徑為0. 0556毫 米（_)時進行，在退火過程中采用N2 (氮氣）做為退火氣氛，退火爐有效長度為600毫米 (mm)，退火溫度500°C，退火速度為70米/分鐘（m/min);
[0031] (3)最后退火：拉絲完成后，對鍵合銅絲進行最后退火，在退火過程中采用N2(氮 氣）做為退火氣氛，退火爐有效長度為600毫米（mm)，退火溫度為520°C，退火速度為80米 / 分鐘（m/min);
[0032] (4)冷卻：最后退火結束后，將鍵合銅絲置入水中冷卻至25°C，得到所需的鍵合銅 絲。
[0033] 實施例2
[0034] 本實施例的用于細間距IC封裝的鍵合銅絲的制造方法包括以下步驟：
[0035] (1)熔鑄：將純度為4N且主體氧含量為3ppm(重量）的銅，經過真空熔煉和定向 連續拉工藝，獲得直徑為8毫米（mm)的線材；
[0036] (2)拉絲：對步驟（1)得到的線材進行拉絲（整個拉絲過程包括多次拉絲操作，經 歷粗拉、小拉、細拉、微拉等階段），獲得直徑為23微米（um)的鍵合銅絲；
[0037] 在拉絲過程中，對線材進行一次中間退火，中間退火在拉絲至直徑為0. 0384毫 米（_)時進行，在退火過程中采用N2 (氮氣）做為退火氣氛，退火爐有效長度為600毫米 (mm)，退火溫度510 °C，退火速度為50米/分鐘（m/min);
[0038] (3)最后退火：拉絲完成后，對鍵合銅絲進行最后退火，在退火過程中采用N2(氮 氣）做為退火氣氛，退火爐有效長度為600毫米（mm)，退火溫度為530°C，退火速度為60米 / 分鐘（m/min);
[0039] (4)冷卻：最后退火結束后，將鍵合銅絲置入水中冷卻至30°C，得到所需的鍵合銅 絲。
[0040] 實施例3