專(zhuān)利名稱(chēng):絕緣鋁線的制作方法
本發(fā)明涉及用陽(yáng)極氧化膜來(lái)電氣絕緣的鋁線。這種導(dǎo)線在微電子技術(shù)領(lǐng)域：
內(nèi)具有許多不同的用途。例如，非常細(xì)的鋁和金基導(dǎo)線通常用于將集成電路的端子與引線架連接。連接或用楔-楔焊接或是用球-楔焊接來(lái)完成。目前在焊接中使用的金線或鋁線，都不是絕緣的。然而，對(duì)于絕緣的焊接線有著特別的需要，尤其是對(duì)于超大規(guī)模集成電路，需要用絕緣的焊接線將許多芯片與引線架連接起來(lái)。
這種需要的存在是因?yàn)槁愫附泳€從芯片連接至引線架時(shí)必須在某種程度上避免導(dǎo)線與導(dǎo)線接觸和導(dǎo)線與電路接觸。因?yàn)閷?dǎo)線必須間隔得很大和小心地連成回路，以便將它們與它們的周?chē)綦x，這個(gè)要求嚴(yán)格地限制了芯片的可能引線數(shù)目。適當(dāng)?shù)亟^緣的焊接線實(shí)際上可放寬連成回路和導(dǎo)線間隔的嚴(yán)格幾何要求，因?yàn)閷?dǎo)線與導(dǎo)線和導(dǎo)線與電路接觸將不導(dǎo)致電路發(fā)生故障。
絕緣導(dǎo)線因?yàn)槎€(gè)原因在焊接中現(xiàn)在不使用。第一，已經(jīng)知道導(dǎo)線表面上的絕緣材料與導(dǎo)線表面上的灰塵一樣嚴(yán)重地?fù)p害導(dǎo)線粘合程度。第二，用普通的導(dǎo)線絕緣材料例如塑料，要滿(mǎn)意地絕緣非常細(xì)的導(dǎo)線已經(jīng)證明是非常困難的。
聯(lián)邦德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)DE3335848A公開(kāi)了一種將絕緣鋁線連接到電子電路的接點(diǎn)的方法，該方法涉及使用超聲波振動(dòng)。絕緣鋁線簡(jiǎn)稱(chēng)作陽(yáng)極化鋁線，它包括一條有30至60微米直徑的鋁芯和一層厚0.1至1微米的氧化鋁膜?！把趸X膜”層理解為密封多孔陽(yáng)極氧化膜。在我們的處理中，由這種層提供的絕緣層應(yīng)用于微電子技術(shù)已經(jīng)普遍地證明是不足的。
為了說(shuō)明構(gòu)成本發(fā)明的改進(jìn)設(shè)計(jì)，首先需要簡(jiǎn)短地討論陽(yáng)極氧化的性質(zhì)。當(dāng)一個(gè)鋁質(zhì)襯底被放置在電解液中而作為陽(yáng)極時(shí)，在表面上形成一氧化膜，藉在金屬/氧化物界面上金屬轉(zhuǎn)換成氧化物而增加其厚度。根據(jù)不同環(huán)境，可以形成二種不同的陽(yáng)極氧化膜ⅰ)當(dāng)電解液對(duì)氧化鋁有顯著的溶解作用時(shí)，形成多孔陽(yáng)極氧化膜。這包括鄰近金屬/氧化物界面的一層薄的阻擋層，和一層厚得多的多孔層，在多孔層中有細(xì)孔從氧化物/電解液界面擴(kuò)散到阻擋層。氧化膜的連續(xù)生長(zhǎng)涉及輸送物質(zhì)上下細(xì)孔，而膜的最終厚度主要是取決于陽(yáng)極氧化的時(shí)間。
ⅱ)當(dāng)使用的電解液對(duì)氧化物沒(méi)有顯著的溶解作用時(shí)，形成一層非多孔或陽(yáng)擋層陽(yáng)極氧化膜。這層膜的厚度主要是取決于陽(yáng)極氧化電壓，而一般是每伏1.0至1.4毫微米。
幾乎所有工業(yè)的陽(yáng)極氧化是在得出多孔陽(yáng)極氧化膜的條件下，使用鉻酸、硫酸或草酸進(jìn)行的。對(duì)于大多數(shù)用途來(lái)說(shuō)，這些膜中的細(xì)孔需要密封，而這通常用膜暴露在沸水里的方法完成，沸水水合表面氧化鋁，使其隆起，以便在它們的外端堵塞細(xì)孔。氧化鋁膜是一個(gè)應(yīng)用于這種密封多孔陽(yáng)極氧化膜的技術(shù)術(shù)語(yǔ)。
阻擋層薄膜作為絕緣體被廣泛地使用在電解電容器中。本發(fā)明建立在發(fā)現(xiàn)下列事實(shí)上，即非多孔或阻擋層陽(yáng)極氧化膜能形成在鋁線上，這不僅提供良好的絕緣也提供其他有益的特性。一個(gè)方面，本發(fā)明提供包括阻擋層陽(yáng)極氧化膜絕緣的絕緣鋁線。在合適的環(huán)境下，這種絕緣鋁線能滿(mǎn)足微電子技術(shù)工業(yè)的需要。然而，借助將部分阻擋層轉(zhuǎn)換為水化氧化鋁，能使絕緣性能得到進(jìn)一步的改善。因此在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供包括一層內(nèi)部阻擋層陽(yáng)極氧化膜和一層水合氧化鋁外層的二層絕緣的絕緣鋁線。這種產(chǎn)品在干燥的環(huán)境中顯示出絕緣性能的改善，而在潮濕的環(huán)境中的性能有較少的不利的影響。
鋁線通常的直徑范圍是從10至1000微米。目前在微電子技術(shù)工業(yè)中使用的導(dǎo)線，一般的直徑是25至30或100至400微米。直徑在10微米以下的線不容易制造。在1000微米以上直徑的線，可以證明用其他方法絕緣更具吸引力。
導(dǎo)線可以用純鋁或鋁合金制造。純鋁可以用在導(dǎo)線的強(qiáng)度不是最重要的地方，而具有能在其上面形成平坦無(wú)疵的陽(yáng)極氧化膜的優(yōu)點(diǎn)。鋁-1%-硅線通常是使用在微電子技術(shù)工業(yè)中，而能用來(lái)制成本發(fā)明的絕緣線。但是，它包含硅相粒子，這種粒子在陽(yáng)極氧化的過(guò)程中會(huì)在導(dǎo)線的表面上形成缺陷。在多數(shù)情況，這種缺陷是無(wú)關(guān)緊要的。當(dāng)缺陷有關(guān)緊要時(shí)，最好采用單相鋁合金，例如鋁-1%-鎂，它較純鋁強(qiáng)度高，而且是用于本發(fā)明的最好合金。鋁鎂合金的附加優(yōu)點(diǎn)是形成的陽(yáng)極氧化膜比較脆，可以如下面敘述的幫助焊接。
要達(dá)到顯著的電氣絕緣，阻擋層陽(yáng)極氧化膜應(yīng)當(dāng)至少是0.01微米厚。制造超過(guò)約0.3微米厚的阻擋層膜是有困難的，因?yàn)樵谝蟮母哧?yáng)極氧化電壓下，電介質(zhì)會(huì)擊穿。阻擋層膜的最佳厚度的范圍一般是0.1至0.25微米。
如上所指出的，當(dāng)阻擋層陽(yáng)極氧化膜被暴露在熱或沸水中時(shí)，外表面成為水合的且受到相當(dāng)?shù)呐蛎洝；瘜W(xué)變化是復(fù)雜的，但可近似的概括為伽馬-Al2O3+H2O→Al2O3·H2O。
所得到的膜有一個(gè)二層結(jié)構(gòu)，包括一內(nèi)阻擋層陽(yáng)極氧化膜，該膜最好應(yīng)是從0.01至0.15微米厚，雖然厚度上沒(méi)有嚴(yán)格的下限;以及一水合氧化鋁的外層，該層一般可以從0.01至0.8微米，更一般是從0.1至0.5微米厚。非常薄的水合氧化鋁層并不能顯著地改善阻擋層膜的絕緣性能。由于有伴生的散裂危險(xiǎn)，制造超過(guò)0.8微米厚的水合氧化鋁層而不完全水合內(nèi)阻擋層是有困難的。
絕緣線可以在適當(dāng)?shù)臈l件下藉陽(yáng)極氧化鋁線形成。電解液在所選陽(yáng)極氧化條件下是一種對(duì)氧化鋁并不具有顯著溶解作用的電解液。我們發(fā)現(xiàn)，可方便地使用一種弱的(以重量計(jì)高達(dá)5%)酒石酸溶液，以氫氧化銨緩沖至一個(gè)從5至7的pH值，但是眾所周知，也可以使用其他的酸諸如草酸、檸檬酸和硼酸，而對(duì)于這些酸，也有合適的其他的緩沖劑、其他的濃度和其他的pH值范圍。阻擋層陽(yáng)極氧化的技術(shù)在例如S.韋尼克(S.Wernick)和R.平納(R.Pinner)所著的“鋁的表面處理”一文中有介紹。
電解液適于放置在大氣溫度下。施加的電壓應(yīng)當(dāng)高到足以保證膜迅速生長(zhǎng)，而不是高得使膜的介質(zhì)擊穿。電解時(shí)間應(yīng)當(dāng)足以使陽(yáng)極膜厚度能接近理論的最大值，而一般可以在15至60秒的范圍內(nèi)。在這些條件下陽(yáng)極氧化是容易地在連續(xù)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，使導(dǎo)線通過(guò)一槽電解液時(shí)在導(dǎo)槽上經(jīng)過(guò)，導(dǎo)槽之一還充當(dāng)電流載體。
陽(yáng)極氧化以后，導(dǎo)線被沖洗，然后可放在熱水里，以便使氧化鋁阻擋層的外表面水合。水溫一般是至少80℃，但為了避免由于水泡而可能損傷陽(yáng)極氧化層，水最好不要沸騰。在密封多孔陽(yáng)極氧化膜的技術(shù)中，眾所周知，水中可以加添加劑以促進(jìn)水合作用。氧化鋁水合作用的程度尤其取決于其暴露在熱水中的持續(xù)時(shí)間。暴露時(shí)間從5或最好從10至120秒，可能得到滿(mǎn)意的水合氧化鋁層，而完全不破壞內(nèi)阻擋層陽(yáng)極氧化膜。
例如，具有0.17微米厚度初生氧化膜的導(dǎo)線，被浸入沸水中約40秒，在余下的0.08微米初生氧化物的上面形成約為0.5微米厚的第二層水合氧化層。
用附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，其中圖1 是放大比例的通過(guò)本發(fā)明部分絕緣鋁線的理想剖面圖;以及圖2 是其端子用細(xì)線連結(jié)至引線架的微電路的頂視圖。
參閱圖1，細(xì)金屬線10是由鋁-1%-鎂合金制成，在其表面附有包含二層的絕緣。內(nèi)阻擋層陽(yáng)極氧化膜12是由大約為內(nèi)層四倍厚的水合氧化鋁外層14覆蓋。在陽(yáng)極氧化過(guò)程中，金屬變換成氧化物是在金屬/氧化物界面16處進(jìn)行。氧化鋁的水合作用是由氧化物/空氣或氧化物/液體界面18開(kāi)始進(jìn)行。
圖2表示一包含由一系列小接點(diǎn)24圍著的微電路22的芯片20，各小接點(diǎn)是用細(xì)鋁線26連接至引線架30上的焊接點(diǎn)28。諸導(dǎo)線大部分是相互平行的，但圖中有二對(duì)在32交叉，且彼此接觸，為此它們需要進(jìn)行絕緣，以避免發(fā)生故障。
線26至相應(yīng)的接點(diǎn)24、28的焊接是常規(guī)地使用楔形頭進(jìn)行，線穿過(guò)楔形頭在接點(diǎn)上被壓下，然后振動(dòng)以鋪開(kāi)金屬線使其粘附于接點(diǎn)上。在線上有絕緣就不能可靠地實(shí)現(xiàn)粘附。所以要求絕緣的形式是足夠脆，當(dāng)需要時(shí)就能脫落，以便留下裸金屬端，該裸金屬端能藉楔形接合器鋪開(kāi)而使其粘附于接點(diǎn)。在此敘述的絕緣膜被發(fā)現(xiàn)對(duì)這用途是足夠脆的。的確，在鋁鎂合金上形成的陽(yáng)極氧化膜已公知是比較脆。
微電子工業(yè)的電阻要求能描繪成如圖2中所示在32處以X圖樣重疊的二線，以致頂線是以足夠的力和底線接觸且下壓底線，使底線彎曲。這樣接觸的二條線在20伏時(shí)導(dǎo)電不應(yīng)超過(guò)10-12安，而絕緣擊穿電壓應(yīng)當(dāng)是在最低數(shù)值例如20伏以上，但它取決于指定的用途。
現(xiàn)用下面的例子來(lái)說(shuō)明本發(fā)明。
如圖的35微米直徑鋁-1%-鎂線是在高氯溶液中用電化學(xué)方法洗凈和變細(xì)(電解拋光)直到其直徑為30微米為止。這線的陽(yáng)極氧化是在室溫中以105伏下在具有pH值為6的3%(以重量計(jì))酒石酸/氫氧化銨溶液中進(jìn)行，以形成大約0.13微米厚的陽(yáng)擋層陽(yáng)極氧化膜。在這連續(xù)陽(yáng)極氧化工序期間，在進(jìn)入溶液之前，將導(dǎo)線拉過(guò)一帶電滑輪。導(dǎo)線是以40秒的停留時(shí)間拉過(guò)溶液。
在離開(kāi)溶液時(shí)，導(dǎo)線是在水中沖洗。然后，導(dǎo)線還以35秒的停留時(shí)間連續(xù)地在98℃的水中拉過(guò)。就這樣沖洗和水合阻擋層陽(yáng)極氧化膜。一組樣品沒(méi)有被水合。
這些線的樣品，用一些焊接機(jī)在厚膜金上被楔焊。楔-楔焊強(qiáng)度大約是15克-優(yōu)于12克下限以上，該下限是微電子技術(shù)工業(yè)為高質(zhì)量器件提出的要求。取決于用途的較低的楔焊強(qiáng)度可低至8克，甚至.25克也可以合格。對(duì)水合的和未水合的阻擋層陽(yáng)極氧化膜兩者的接觸線間漏電流都是在40伏的條件下測(cè)試的。
對(duì)于水合的樣品，在干燥的氮?dú)庵薪?jīng)60秒以后，線對(duì)線的漏電流是7×10-13安。對(duì)于未水合的樣品，在干燥的氮?dú)庵薪?jīng)60秒以后，線對(duì)線的漏電流是2×10-12安。
權(quán)利要求
1.絕緣鋁線，其特征在于，絕緣層包括一阻擋層陽(yáng)極氧化膜。
2.權(quán)利要求
1所述的絕緣鋁線，其特征在于，阻擋層膜的平均厚度是從0.1至0.25微米。
3.絕緣鋁線，其特征在于，絕緣層包括二層，一內(nèi)阻擋層陽(yáng)極氧化膜和一水合的氧化鋁外層。
4.權(quán)利要求
3所述的絕緣鋁線，其特征在于，內(nèi)阻擋層至少是0.01微米，而水合的氧化鋁外層是從0.001至0.8微米。
5.權(quán)利要求
1至4的任一權(quán)利要求
所述的絕緣鋁線，其特征在于，導(dǎo)線是由純鋁或一種單相富鋁合金制成。
6.權(quán)利要求
5所述的絕緣鋁線，其特征在于，導(dǎo)線是由一種單相鋁/鎂合金制成。
7.一種包括至少一個(gè)集成電路和至少一個(gè)引線架的微電子器件，其特征在于，用權(quán)利要求
1至6的任一權(quán)利要求
所述的絕緣鋁線來(lái)進(jìn)行集成電路和引線架彼此間的連接。
8.一種制造絕緣鋁線的方法，其特征在于該方法包括鋁線在電解液中經(jīng)受陽(yáng)極氧化，該電解液對(duì)氧化鋁不具有顯著的溶解能力，結(jié)果是在其上形成一阻擋層陽(yáng)極氧化膜，然后將陽(yáng)極氧化的線暴露在熱水中，以部分地水合該膜而在其上形成一水合的氧化鋁外層。
9.權(quán)利要求
8所述的方法，其特征在于，導(dǎo)線是連續(xù)地依次通過(guò)裝有陽(yáng)極氧化電解液的槽，然后通過(guò)熱水槽。
專(zhuān)利摘要
本發(fā)明提供的絕緣鋁線，其絕緣包括或是單層的陽(yáng)極氧化鋁阻擋層(非多孔的)，或是二層，即，一內(nèi)阻擋層陽(yáng)極氧化膜和一水合的氧化鋁外層。絕緣線可以藉連續(xù)地在例如酒石酸的阻擋層電解液中將鋁或鋁/鎂合金進(jìn)行陽(yáng)極氧化，然后將陽(yáng)極氧化的導(dǎo)線暴露在熱水中以部分地水合陽(yáng)極氧化膜而制成。
文檔編號(hào)H01B7/00GK87100618SQ87100618
公開(kāi)日1987年8月19日 申請(qǐng)日期1987年2月5日
發(fā)明者亞利山大·約瑟夫·奧托, 哈里·商 申請(qǐng)人:艾爾坎國(guó)際有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan