键合丝生产重点和工序控制

马晓霞 范红 夏振兴 李玉芹

(山东大学材料与科学工程学院 山东招金集团有限公司 烟台招金励福贵金属股份有限公司)

摘要:

键合丝的生产不断向低成本发展，目前市场上存在的键合丝种类繁多，但不同类型键合丝的生产流程大致相同，而各流程工序细节控制不尽相同。文中分别从拉丝、退火和绕线工序阐述了不同类型键合丝生产过程中应注意的重点和细节问题。

0引言

自2012年以来，黄金价格波动很大，迫使半导体封装企业为了降低生产成本转向寻求低成本、可以替代键合金丝的材料［1－2］。键合金丝由于其自身良好的延展性和稳定的化学性能仍应用在半导体键合的高端产品上。在中低端产品上，键合铜丝、镀钯铜丝、金合金丝、银丝、银合金丝不断应势而生［3－8］。经过1年多的研发与应用，该类产品已经比较成熟。虽然镀层键合丝在制备工艺上要比其他普通丝材复杂，但除电镀工序外，其他工序基本相同。键合金合金丝因其主要成分还是金，故只能降低部分生产成本，市场饱有量小。目前，市场正处于键合金丝向键合银丝的过渡阶段，故键合丝生产企业已经把主要精力投入到

了键合铜丝和键合银丝项目的研发上。例如:日本Tanaka公司、德国Heraeus公司、韩国MKE公司、韩国Heesung公司、中国台湾乐金公司均已有成熟产品占据了中国绝大部分市场份额。烟台招金励福贵金属股份有限公司也在积极开发该类产品，并占据了一定市场份额。键合丝生产过程中，母合金制备和熔炼工序应注意的重点和细节控制问题参见文献［9］，本文结合拉丝、退火和绕线工序生产过程中易出现的问题，提出各工序环节应注意的重点和细节控制问题，为该类键合丝的生产提供了完整的理论和实践支持。

1拉丝工序

目前，根据拉制键合丝的直径，拉丝工序分为粗拉、中拉、细拉和超细拉工序，国内相应的设备为粗拉丝机、中拉丝机、细拉丝机和超细拉丝机。而国外企业已经开始采用一种更快速的拉丝机;1台快速拉丝机即可完成4台一般拉丝机的工作，且其设备不受拉力和加工率的影响，只需更换模具。此外，根据润滑剂的浸泡程度，分为湿式拉丝机和干式拉丝机。干式拉丝机仅在模具位置有润滑剂，而湿式拉丝机是整个模具和丝材全部浸泡在润滑剂中，考虑到湿式拉丝机的润滑效果，故采用湿式拉丝机较多。

除设备因素外，拉丝工序最重要是模具的表面质量。由于模具直接与键合丝表面接触，故各生产企业都制定了严格的模具管理制度，定期对模具进行检测和抛光。不同类型键合丝的生产过程中，对模具的磨损程度是不同的，且模具的加工率也是不同的。以键合金丝为基准，硬度较高的键合铜丝尤其镀钯铜丝对模具的磨损是非常严重的，故模具检验的频次要高，更换频率更快;而硬度较低的键合银丝及银合金丝对模具的磨损程度要低。模具的加工率仍以键合金丝为基准，在超细拉工序环节，键合金丝模具加工率为6%，而键合铜丝及镀钯铜丝的模具加工率较小，为4%。

此外，拉丝速度的合理设置可以保证设备的连续运转，生产过程中不出现断线问题。以键合金丝拉丝速度为基准，在超细拉工序环节，键合金丝拉丝速度为6～10mm/s，键合铜丝尤其镀钯铜丝速度要降低，为3～6mm/s，键合银丝及银合金丝的拉丝速度为3～8mm/s;这主要是因为这些材料的延展性相对于黄金较差，拉丝过程中变形量要小，故拉丝速度要慢。

最后，润滑剂也是一个不可忽略的问题。随着拉丝过程中键合丝线径的减小，润滑液的浓度也在不断降低，残留在键合丝表面的润滑液很少，应为10－6级。键合金丝表面润滑液残留形貌见图1a)，将图1a)中方框位置放大，其对应形貌见图1b)。从图1可以看出，在键合金丝表面残留有较多的润滑液，图1b)中箭头所指深色位置。润滑液若残留过多，尤其在高温、高湿环境下使用时容易导致粘线，降低放线性能。因此，根据润滑剂的特点，不同阶段使用不同的润滑剂;根据不同类型的键合丝，使用不同的润滑剂。例如:键合银及其合金丝有专用的抗氧化型润滑剂。

2退火工序

目前，使用的退火炉有横式和竖式两种。竖式退火炉由于键合丝本身不受重力影响，无变形，故多数生产企业采用竖式退火炉。

退火工序中，最重要的是退火温度。退火温度决定了键合丝成品的力学性能，且与收线速度共同作用，决定了拉丝过程中残余应力的消除程度。该残余应力的消除程度直接影响成品的放线性能，以及键合丝的垂直程度。

对于需要气体保护的键合丝，保护气体的类型、流量及路径均是需要考虑的要素。通常保护气体采用95%N2－5%H2的混合气体，主要利用H2的还原作用，纯粹采用高纯N2保护;一旦键合丝表面存在氧化问题，将无法彻底消除。拉丝后的键合铜丝表面润滑液残留形貌见图2－a)，发现拉丝后键合铜丝表面存在深红色的氧化物，采用N2退火后该物质仍存在(见图2－b))，其去除氧化物的效果不好，故应采用混合气体，但要严格控制H2的比例，避免爆炸事故的发生。通常保护气体流量控制在2～6L/min，路径控制应以充满整个退火管为原则。

在退火炉的设计中，张力控制系统也是一个重要因素。随着键合丝线径的减少，要求退火炉可以实现小张力控制，绕制微细丝。对于镀钯铜丝、银丝及银合金丝还需确定中间退火线径、温度及收线速度。此外，还有退火液的影响;退火液像一层薄膜覆盖在键合丝表层。不同浓度的退火液决定了后期成品的放线性能，不同类型的键合丝应使用不同的退火液。

3绕线工序

目前，绕线机有一体机也有分体机，功能是相同的。老式绕线机收线系统的收线架是固定的，导致绕线过程中，尤其绕制高轴键合丝时，键合丝与线轴有倾角，位于线轴两端的键合丝受到拉力作用较大，易被拉长，且易导致绕线后张力不均匀及放线问题。新式绕线机收线系统的收线架是可以横向运动的，能始终保持键合丝与线轴的垂直关系，见图3。

绕线机的张力控制系统也是其中的一个重要因素。对于键合银丝及银合金丝及细线径键合丝，均需小张力绕制。

在拉丝、退火、绕线3个工序中，都涉及起支撑和导向作用的导向轮。导向轮有两种规格，直径分别为50mm和30mm。大导向轮通常采用较硬的Teflon(聚四氟乙烯)材质，小导向轮通常采用POM(聚甲醛)材质。导向轮的表面质量直接影响键合丝的表面质量，虽不会造成较大的划伤，但容易造成轻微的划伤，易导致润滑液或退火液在此位置的残留，在显微镜下观察会有密密麻麻的小亮点［10］，见图4。因此，导向轮在使用过程中也需要严格控制，定期清洗和抛光。

4结论

1)在拉丝过程中，需要重点监控线材的表面质量、拉丝速率、润滑剂类型和浓度等问题。此外，对于镀钯铜丝、银丝及银合金丝，还要根据需要做中间退火处理。

2)在退火过程中，需要重点监控退火温度、收线速度。对于需要气体保护的，还需要监控保护气体的流量及气体路径等。此外，还需要注意退火液的类型和浓度。

3)在绕线过程中，尽量采用收线架可以横向移动的，减少对键合丝的拉扯作用。同时，要注意导向轮的表面质量，尽量减少对键合丝表面的损伤。