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集成电路单晶铜键合丝产业化关键技术研究及其产业化

时间:2011-06-02
     

键合丝作为半导体器件(IC),大规模集成电路(LSIC)封装业的四大重要结构材料之一,起联结硅片电极与引线框架的外部引出端子的作用,并传递芯片的电信号、散发芯片内产生的热量,是集成电路封装的关键材料。随着IC集成度的迅速增加,使占到集成电路互连90%以上的引线键合技术面临更大的机遇与挑战。由于引线键合各项技术指标的不断提高,传统的金丝、铝丝已逐步趋于其指标极限。

铜键合丝的优良性能和铜键合新技术的产生使铜丝键合比金丝键合更牢固、更稳定。尤其在大批量的高引出端、细间距、小焊区的IC封装工艺中,成为替代金丝的最佳键合材料。在今后的IC封装中,铜丝焊将会成为主流技术,铜作为键合线材料是将来电子封装的必然趋势。但铜键合丝要求其线径达到0.02mm以下,其成形加工技术难度很高。对于普通无氧铜来说,由于其存在大量晶界和铸造缺陷,在拉制超细微丝时,在晶界会出现断裂。因此,晶界问题是妨害铜材传导性能及键合丝性能提高的主要因素。

单晶铜杆具有致密的定向凝固组织,消除了横向晶界,很少有缩孔、气孔等铸造缺陷;且结晶方向与拉丝方向相同,能承受更大的塑性变形能力。单晶铜没有阻碍位错滑移的晶界,变形冷作硬化回复快,所以是拉制键合丝(线径小于0.03mm)的理想材料。单晶铜键合丝项目符合国家技术和产业发展政策,在国内外都属高新技术,市场潜力巨大,该产品具有很高的科技含量和高附加值,一旦研发成功投产,将具有非常强大的市场竞争力,必将推动甘肃省有色金属新材料的深加工应用和周边地区包装制造业生产的发展,产生良好的社会效益和经济效益。

1.主要内容

本项目研究人员利用单晶铜材料的优异性能和掌握的单晶连铸技术,与香港科技大学合作开发出了新型集成电路底板及半导体元件超细键合线产品。采用高纯铜(99.99%)在真空熔炼氩气保护热型连铸设备上拉制高纯度、高质量单晶铜杆单晶铜杆轧制在拉丝设备上采用合理拉丝工艺(包括:拉丝速度、配模、润滑等)对线材加工到所需线径采用有效的退火复绕设备和合理退火复绕工艺参数对键合丝进行退火复绕采用真空吸塑方法对单晶铜键合丝包装。

1)单晶铜键合丝热处理及其热处理过程中的保护

设计并制造一套单晶铜键合丝热处理保护装置,该装置图纸完备,热处理工艺完善并经实验验证达到如下技术指标:

l        完全实现单晶铜键合丝热处理过程中的同步保护,并实现单晶铜键合丝的光亮化退火;提供完善的技术参数,以保证产业化过程中的性能稳定性。

l        单晶铜键合丝具有高的机械性能(延伸率和破断力)和电学性能,性能指标达到或部分高于国外同类键合丝产品。

2)单晶铜键合丝表面质量及其性能稳定性控制技术

研究出影响单晶铜键合丝表面质量的因素及其机理,并制定出相应的改善措施;通过研究单晶铜键合丝制备过程中的影响因素,优化控制工艺参数,通过实际生产验证,单晶铜键合丝达到如下技术指标:

l        单晶铜键合丝表面无超过键合丝直径5%的刻痕、凹坑、划痕、裂纹、凸起和其他降低器件使用寿命的缺陷。

l        φ0.020mm的整批单晶铜键合丝工艺参数如下:破断力:8-12g;延伸率:8-14%;延伸率波动范围:2;导电率:102% IACS

3)单晶铜键合丝的多层复绕技术

研究出单晶铜键合丝复绕过程中复绕张力、节距之间的关系,对于不同规格的单晶铜键合丝制定相应的复绕工艺,使单晶铜键合丝达到如下技术指标:

l        线径大于φ0.050mm以上的单晶铜键合丝能够单轴复绕500米,并且在使用过程中能够顺畅放线。

l        线径小于φ0.050mm以上的单晶铜键合丝能够单轴复绕1000米,并且在使用过程中能够顺畅放线。

2.主要的科技创新贡献及国内外影响

1)重点解决的关键技术

l        批量生产中单晶铜键合丝热处理工艺及其热处理过程中的保护。

l        产业化生产中单晶铜键合丝表面质量及其性能稳定性控制技术。

l        多规格单晶铜键合丝的多层复绕技术。

2)成果转化和推广

目前键合丝产品已批量生产并在江苏长电科技股份有限公司和天水华天科技股份有限公司等国内相关电子封装测试龙头企业得到大批量的使用,其各项性能指标已经达到并部分超过了国际先进水平,能够完全替代键合金丝在集成电路和大功率分立器件上使用,累计产生效益近4000万元。

3)获奖、论文及专利

l        铸型加热式连续铸造技术制备铜单晶体2007中国机械工业科学技术三等奖,单晶铜键合丝开发2008年甘肃省科技进步三等奖、甘肃省机械工程学会科学技术一等奖。

l        热型连铸高速电力机车用电车线产业化技术研究2008年甘肃省高校科技进步二等奖,

l        热型连铸技术产业化推广及产品开发2009年甘肃省机械工程学会科学技术二等奖。

相关工作结果在《机械工程学报》等重要期刊上发表论文10篇,申请专利2项,专利授权1项。

成果清单

序号

成果类型

成果名称

完成人

刊物、出版社或

授权单位名称

年、卷、期、页

或专利号

1

论文

单晶铜键合丝制备过程中的断线研究

曹军,丁雨田,曹文辉

机械工程学报

2010,Vol.46, No.22,pp84-89

2

论文

强塑性循环变形中单晶铜和多晶铜的力学性能

郭廷彪,丁雨田,许广济

中国有色金属学报

2010,Vol.20, No.7, pp1375-1381

3

论文

-铜二元合金定向凝固的相场模拟

袁训锋,丁雨田,胡勇

机械工程材料

2010,Vol.34, No.1, pp96-99

4

论文

纯铜的氧化行为及影响因素

丁雨田, 卢振华 ,胡勇

兰州理工大学学报

2010, Vol.36, No.2, pp1-4

5

论文

纯铜的组织和纯度对其表面氧化影响

丁雨田, 卢振华 ,胡勇

铸造技术

2010,Vol.31, No.6, pp723-726

6

论文

冷变形和热处理对单晶Cu键合丝性能影响

丁雨田,曹军,胡勇

机械工程材料

2009, Vol.45, No.4,pp83-88

7

论文

单晶铜键合丝的球键合性能研究

丁雨田,胡立杰,胡勇

特种铸造及有色合金

2009, Vol.29, No.6, pp582-584

8

论文

ECAP条件下纯铜应变行为的等效应变规律及变形均匀性

丁雨田,唐向前,袁训锋

兰州理工大学学报

2009,Vol.35, No.2, pp1-4

9

论文

大塑性变形过程中单晶和多晶铜的组织演变及变形机理研究

郭廷彪,丁雨田,胡勇

铸造技术

2009, Vol.30, No.9, pp1164-1168

10

论文

定向凝固纯铜的ECAP变形研究

丁雨田, 周怀存,斯志军

特种铸造及有色合金

2008, Vol.28, No.12, pp912-915

11

专利

一种热型连铸装置

丁雨田,陈卫华,胡勇

实用新型

2008

12

获奖

热型连铸技术产业化推广及产品开发

丁雨田,许广济,胡勇

甘肃省机械工程学会科技奖二等奖

2009

13

获奖

单晶铜键合丝开发

丁雨田,胡勇,曹军

甘肃省科技进步奖三等奖

2008

14

获奖

单晶铜键合丝开发

丁雨田,胡勇,曹军

甘肃省机械工程学会科技奖一等奖

2008

15

获奖

热型连铸高速电力机车用电车线产业化技术研究

丁雨田,胡勇,曹军

甘肃省高校科技进步奖二等奖

2008

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