專利名稱：包覆有貴金屬的復合金屬線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種導電的復合貴金屬線，其中，非貴金屬芯部由貴金屬環形部分所包覆。具體的是，本發明涉及一種由非貴金屬芯部材料和貴金屬復合擠壓而成的復合金屬線。本發明還涉及一種制造復合金屬線的方法，該復合金屬線的芯部包含非貴金屬，并通過非貴金屬芯部材料與貴金屬的復合擠壓而包覆有貴金屬環形部分。
未來的連接金屬線需要以約20微米直徑的金屬線在大約5000微米的跨距上滿足大約50微米間距的要求。連接金屬線的彎曲和傾斜會影響這種結構。一條金屬線相對于另一條金屬線的偏移量應限制在大約30微米范圍內。使相鄰金屬線之間產生短路的相對變形應小于0.005％，而且這是一種彈性變形。4N金合金比純銅具有較高的彈性模量，但銅基連接金屬線合金并沒有滿足未來這種對足夠彈性模量的需求。
在彈性模量、電阻率、密度和成本方面，銅是一種理想的連接金屬線。但是，氧化影響和較高的連接成本妨礙了銅成為一種通用的連接金屬線材料。
US5097100公開了一種鍍有貴金屬的銅金屬線。直徑約為44-56微米的拉制銅金屬線電鍍有金，其表面可經冷拉來硬化其鍍金層。
但是，卻不可能在合理的價格范圍內均勻地電鍍具有足夠純度的鍍金層。US5097100所公開的技術不能使金充分地鍍覆在銅制芯部。該發明所公開的其它的金屬鍍覆技術包括無電敷鍍、汽相淀積、濺鍍、浸鍍等，也存在同樣的問題。另外，這些技術都不能將4N金合金連接金屬線包皮包覆在銅金屬線芯部。
US5097100公開了銅和金可共同進行拉制，但并沒有給出怎樣來制得微米尺寸的金屬線，更不用說給出一個實際生產的例子了。因此，仍然需要提供一種復合包金銅金屬線以合理的價格來滿足半導體工業未來的性能要求。
因此，根據本發明的一個方面，復合金屬線的特征在于貴金屬環形部分焊接到包含導電非貴金屬的金屬線芯部上。
銅是一種優選的非貴金屬，最好，金屬線芯部主要由銅構成。貴金屬優選為金，最好，金的純度大于90％。純度優選大于99％，更好是大于99.99％。最好，金是一種金合金，其中，對金進行摻雜，以使金/銅復合材料在拉制時可較好地變形并使復合金屬線具有良好的連接性能，例如，金摻雜有小于30ppm的鈣、小于20ppm的鈹和小于50ppm的其它元素。特別優選的金合金是4N金。
本發明提供一種生產復合金屬線的方法，其中，首先將非貴金屬的金屬線包敷貴金屬，然后將其拉制成微米尺寸，而不是在微米尺寸金屬線上形成貴金屬層。因此，根據本發明的另一個方面，提供一種制造微米尺寸復合金屬線的方法，該復合金屬線主要由包含非貴金屬的導電金屬線芯部和附著在芯部上的貴金屬環形部分構成，其中，所述方法包括提供直徑大約為0.5-5mm的第一復合金屬線，其中，第一復合金屬線的特征是貴金屬環形部分焊接到包含導電非貴金屬的金屬線芯部上；以及將第一復合金屬線拉拔成直徑約為15-75微米的第二復合金屬線，第二復合金屬線芯部所占橫截面面積的比例基本上與第一復合金屬線的芯部比例相同。
第一復合金屬線由復合棒材拉制而成，復合棒材通過具有與貴金屬環形部分焊接在一起的非貴金屬芯部材料的貴金屬坯料復合擠壓而成。直徑為20微米的復合金屬線由毫米尺寸的復合金屬線拉制而成，毫米尺寸的復合金屬線由復合圓柱體棒材形成，復合圓柱體棒材則由復合坯料擠壓而成，在從坯料變到棒材再變到金屬線的過程中，復合體芯部與貴金屬層的相對橫截面面積保持不變。這就可直接將標稱直徑為20微米的復合金屬線芯部比例控制到一個迄今聞所未聞的程度。因此，根據本發明的又一個方面，提供一種通過本發明方法生產的具有微米尺寸直徑的復合金屬線。
換句話說，對于所需要的芯部比例，例如直徑為20微米的復合金屬線，可通過具有相同的芯部材料相對比例的復合坯料來進行生產。通過生產一種具有復合金屬線成品所需芯部材料比例的坯料，就可制造出具有所需芯部材料比例的微米尺寸復合金屬線。
本發明的復合金屬線具有半導體封裝組件所需的彈性模量、強度和導電性，且具有價格優勢。因此，根據本發明的另一個方面，提供一種半導體封裝組件，其具有至少一個與本發明第二復合金屬線相連的導線。直徑為25微米的復合金屬線在不破壞貴金屬外層連續性的情況下進行楔入連接，為了避免非貴金屬芯部的氧化，這是必須的。
本發明的復合金屬線可用于其它需要使用細小連接金屬線的場合。這種應用包括但不限于用于珠寶和陰極保護或者用于惡劣環境的金屬線或金屬纜線。本發明上述的和其它的目的、特征和優點可通過結合附圖
對本發明優選實施例所進行的描述中清楚地看出。
連接通過加熱加壓而成，通常是通過焊接。所施加的熱量和壓力根據所用的非貴金屬或金屬合金芯部材料和貴金屬或金屬合金環形部分材料而定，冶金領域的普通技術人員可在進行適當試驗的情況下很容易地進行確定。例如，對于銅或銅合金芯部和金或金合金環形部分，所采用的溫度約大于200℃，壓力約大于50kg/mm2。
金屬線由通過圖2所示的復合坯料20擠壓而成的復合棒材拉制而成。例如，含銅的芯部金屬圓柱體22包覆在套筒狀的金中或形成中間層24的包覆層中。將形成的組件放置于帶有端蓋28和30的銅制擠壓套26中，對所形成的坯料20進行焊接、抽空和密封處理。將坯料預熱到大約200-700℃，最好是大約400-500℃，并在單位面積力約為50-200kg/mm2、最好約為100-150kg/mm2的情況下進行直接擠壓來形成直徑適合于拉制金屬線的擠壓復合圓柱棒材。
擠壓棒材經切頭、清理并通過普通簡單模進行拉拔而制成直徑約為0.5-5mm、最好小于約3mm的復合金屬線。最好通過腐蝕的方法去掉由擠壓套形成的外表層，從而制成一卷帶有銅芯的包金復合金屬線，通過標準接合線工藝將其進一步拉制成直徑小于100微米，最好是約15-75微米。芯部橫截面面積比相對原先的復合坯料未發生變化，因此，金屬線產品的芯部比例是由坯料結構決定的。
坯料的直徑最好是25-100mm，這樣進行擠壓就較為經濟。芯部、貴金屬層和外表層的相對尺寸與坯料的尺寸成比例，也就是，通過選定尺寸來獲得制造復合金屬線所需的芯部比例。擠壓套大約占整個坯料橫截面的10-20％。套內由非貴金屬芯部和中間貴金屬層所限定的圓柱體的芯部橫截面面積比大約為25-95％，最好大約是50-90％。
擠壓壓縮比(坯料橫截面面積除以擠壓棒材的橫截面面積)最好約為10-100，更好是約為15-50。由坯料擠壓而成的圓柱形棒材的直徑大約為2-25mm。圓柱形棒材最好擠壓成直徑約為4-20mm。棒材與其擠壓坯料具有相同的芯部比例。
為滿足將來半導體工業的模量要求，非貴金屬12或由坯料20的芯部圓柱體22制成的金屬線10最好其彈性模量大于約95Gpa。適當的芯部材料包括金屬銅、鎳和類似金屬及其合金。芯部材料最好是具有高導電率和高拉延性的金屬或金屬合金。因此，芯部材料最好是銅或銅合金，它們還具有明顯的價格優勢。
楔形接合的芯部材料最好是無氧高純銅(OFHC)。對于球形接合，芯部材料的熔點最好不超過環形部分金屬熔點5℃。對于金或金合金環形部分，芯部材料最好是具有該熔點的銅合金。更為有利的是，銅合金比純銅的抗氧化性要高。最好，包金的銅芯復合金屬線的電阻率大約為1.70-2.00μOhm-cm，彈性模量大約為95-120Gpa，復合密度大約為9.0-15.0g/cc。每種特性都超過了4N金線。
如上所述，構成連接于非貴金屬芯部12的環形部分14的貴金屬最好是純度至少為90％的金，純度優選至少為99％，更優選為至少99.99％。金最好是一種摻雜合金，以使復合材料可較好地變形并使復合金屬線具有良好的連接性能。金合金最好摻雜有小于30ppm的鈣、小于20ppm的鈹和小于50ppm的其它元素。金合金最好是包含小于10ppm的鈣和小于10ppm的鈹。特別優選的金合金是4N金，最好是標稱含有7.5ppm的鈹、6.5ppm的鈣和小于30ppm其它元素的4N金。
本發明的復合金屬線通過普通的技術與半導體封裝組件的導線相連。圖3示出了半導體封裝組件40，其中，導線42a、42b、42c等通過楔入接頭44a、44b、44c等與金屬線10a、10b、10c等相連。金屬線10b的局部剖視圖示出了由環形部分14b所包圍的芯部12b。
本發明提供了一種比標準4N金合金連接金屬線具有較高彈性模量、較高強度和較高導電率的復合連接金屬線。復合連接金屬線的貴金屬含量名義上是普通金屬線的一半，因此，復合金屬線比等尺寸的4N金合金金屬線便宜，而且復合金屬線還保持了標準4N金合金的連接特性。
下面非限制性的例子可展示出本發明的某些特定方面。除非特別指出，所有的的比例和百分比都是重量百分比，所有的溫度都是攝氏溫度。工業適用性由本發明方法制成的復合金屬線可用于半導體封裝組件。例子將800gAW-14(American Fine Wire,Ltd.,Willow Grove,Pa.)，含小于10ppm的Ca和Be以及小于20ppm的In和小于20ppm的Ge的4N金合金澆鑄到直徑為28mm的模中。澆鑄過程是普通的分批澆鑄，其包括在石墨坩堝中熔化合金并將熔融物澆鑄到圓筒形的石墨模中。
對成品金錠進行鉆孔，形成內徑(ID)為18mm的中心孔，并將其外徑(OD)加工到25mm。對成品管進行加工，使其長度為76mm。將OFHC級銅圓柱體加工成外徑為18mm、長度為76mm的圓柱體。將銅圓柱體以小于1.0mm的誤差裝入金合金管中。
0FHC銅套的內徑為25mm、外徑為28mm、長度約為85mm。對坯料端蓋進行加工以使其可裝到銅套的端部。
然后，對坯料端蓋進行電子束焊接來密封坯料。將坯料在450℃下預熱1小時。將預熱的坯料放置到也預熱到450℃的50噸擠壓機中。將坯料在48噸的標稱工作擠壓力下擠壓到6.4mm的直徑。
用研磨片對擠壓物進行清理，并用水進行沖洗。切去坯料的頭尾，并取得試樣。通過普通的簡單模拉制將所得的棒材拉制成1mm直徑。將成品金屬線放置到50％硝酸溶液中，通過化學的方法將擠壓套產生的銅皮除去。腐蝕過的金屬線用水進行沖洗，然后再用酒精進行沖洗。
再將金屬線在王水(1份硝酸、3份鹽酸和4份水)中酸洗大約10秒鐘，以除去金屬線表面上的金銅混合物。利用8-12％的標準壓模工藝在標準多模拔絲機上并采用含油的水乳膠潤滑劑將成品金屬線拉拔到標稱直徑為25微米。金屬線的拉延性是很好的，拉延長度超過5千米都不會斷裂。
測量復合金屬線的延伸率和破壞-載荷性能。如圖5所示，在延伸率高于2％的情況下，直徑為24.8微米的復合金屬線比AW-14金合金的破壞載荷大約高20％(在大多數情況下，連接金屬線的延伸率都大于2％)，在延伸率為4％時，其破壞載荷大約為14g。沿金屬線的軸線銅制芯部是非常均勻的。在金屬線最終直徑為24.8微米時，銅制芯部的橫截面的標準偏差僅有0.26％。
退火后，復合金屬線的彈性模量約為108Gpa，比AW-14約高26％。復合金屬線的電阻率是2.0微歐姆·厘米，比AW-14大約低12％。復合金屬線的測量電阻率與時間和溫度的關系曲線表明在溫度小于或等于200℃、時間高達500小時內電阻率增加很小。
在24.8微米的復合金屬線上開始的楔入連接試驗顯示出較高的連接強度。圖4示出了楔入連接復合金屬線的半導體封裝組件橫截面的SEM顯微圖。楔形接頭內的金皮保持連續。
本發明提供了一種適宜于用作連接金屬線的高強度、柔性復合金屬線，其具有一個包在均勻的貴金屬環形部分內并與其相連的非貴金屬芯部。通過采用銅或銅合金作為芯部材料，復合金屬線就具有優選的彈性模量、強度和導電性，并且大大降低了成本。
上述的例子和對優選實施例的描述僅僅是示意性的，而不是限制性的，本發明的保護范圍由權利要求書進行限定。在不脫離本發明權利要求書所限定的范圍內，可作出多種變型和組合。不應當認為這些變型背離了本發明的宗旨和范圍，而應當認為它們都包含在本發明的權利要求書中。
權利要求
1．一種復合金屬線，其特征在于一個貴金屬環形部分焊接到包含導電非貴金屬的金屬線芯部上。
2．根據權利要求1所述的復合金屬線，其特征在于所述芯部金屬是銅。
3．根據權利要求1所述的復合金屬線，其特征在于它是通過對將所述貴金屬焊接在所述芯部金屬上而構成的復合擠壓型材進行拉制而成的。
4．根據權利要求1所述的復合金屬線，其特征在于芯部占整個橫截面面積的比例大約是25-95％。
5．根據權利要求1所述的復合金屬線，其特征在于其直徑大約為15-75微米。
6．根據權利要求1所述的復合金屬線，其特征在于所述貴金屬環形部分包括金。
7．根據權利要求6所述的復合金屬線，其特征在于所述貴金屬是含金至少99％的金合金。
8．根據權利要求7所述的復合金屬線，其特征在于所述金合金包括摻雜有小于30ppm的鈣、小于20ppm的鈹和小于50ppm的其它元素的金。
9．根據權利要求8所述的復合金屬線，其特征在于所述金合金包括小于10ppm的鈹和小于10ppm的鈣。
10．根據權利要求7所述的復合金屬線，其特征在于所述芯部金屬和所述金合金的熔融溫度在5℃以內。
11．根據權利要求1所述的復合金屬線，其特征在于所述金屬線的彈性模量約大于95Gpa。
12．一種制造微米尺寸復合金屬線的方法，該復合金屬線主要由包含非貴金屬的導電金屬線芯部和附著在芯部上的貴金屬環形部分構成，其特征在于，所述方法包括以下步驟(A)提供直徑大約為0.5-5mm的第一復合金屬線，其中，第一復合金屬線主要由焊接到包含非貴金屬的金屬線芯部上的貴金屬環形部分構成；以及(B)將第一復合金屬線拉拔成直徑約為15-75微米的第二復合金屬線，其中，第二復合金屬線芯部所占橫截面面積的比例基本上與第一復合金屬線的芯部比例相同。
13．根據權利要求12所述的方法，其特征在于所述芯部金屬是銅。
14．根據權利要求13所述的方法，其特征在于所述貴金屬包括金。
15．根據權利要求14所述的方法，其特征在于所述貴金屬是含金至少99％的金合金。
16．根據權利要求15所述的方法，其特征在于所述金合金包括摻雜有小于30ppm的鈣、小于20ppm的鈹和小于50ppm的其它元素的金。
17．根據權利要求16所述的方法，其特征在于所述金合金包括摻雜有小于10ppm的鈹和小于10ppm的鈣的金。
18．根據權利要求14所述的方法，其特征在于所述芯部金屬和所述金合金的熔融溫度在5℃以內。
19．根據權利要求12所述的方法，其特征在于所述第一復合金屬線的芯部占整個橫截面面積的比例約為25-95％。
20．根據權利要求12所述的方法，其特征在于第一復合金屬線由復合棒材拉制而成，其中復合棒材主要由包含所述非貴金屬的芯部、所述貴金屬中間層和外部金屬層構成，然后除去掉所述外部金屬層，其中，由所述棒材的芯部和中間層限定的圓柱體芯部比例基本上與所述第一和第二復合金屬線的芯部比例相同。
21．根據權利要求20所述的方法，其特征在于所述棒材通過用力擠壓復合坯料而成，其中，所述復合坯料主要由所述非貴金屬芯部、所述貴金屬中間層和與所述棒材外部金屬層相對應的外部金屬層構成，由所述坯料的芯部和中間層限定的圓柱體芯部比例基本上與所述棒材的芯部比例和所述第一、第二復合金屬線的芯部比例相同。
22．根據權利要求21所述的方法，其特征在于在擠壓之前，將所述坯料預熱到大約200-700℃。
23．根據權利要求21所述的方法，其特征在于所述坯料以大約50-200kg/mm2的力進行擠壓。
24．一種具有微米尺寸直徑的復合金屬線，其特征在于其由權利要求12所述的方法制成。
25．一種半導體封裝組件，其特征在于至少一個導線與權利要求1所述的復合金屬線相連。
26．根據權利要求25所述的半導體封裝組件，其特征在于所述導線楔入連接到所述復合金屬線中。
27．根據權利要求26所述的半導體封裝組件，其特征在于所述復合金屬線的芯部主要由銅構成。
全文摘要
本發明公開了一種復合金屬線，其特征在于一個貴金屬環形部分焊接到包含導電非貴金屬的金屬線芯部上。本發明還公開了一種制造復合金屬線的方法和一種具有至少一個與復合金屬線相連的導線的半導體封裝組件。
文檔編號H01B1/02GK1318011SQ99810940
公開日2001年10月17日 申請日期1999年9月16日 優先權日1998年9月16日
發明者J·M·佐伊恩蒂恩斯 申請人:庫利克及索發投資有限公司