DD286930A7

DD286930A7 - Verfahren zur herstellung von mikrodraht

Info

Publication number: DD286930A7
Application number: DD80224507A
Authority: DD
Inventors: Sigrid Herrmann; Hannes Bolick; Michael Schwarz; Manfred Roehnisch; Lutz Schraepler; Harry Schiefelbein; Frank Schubert; Hans-Heiner Daut; Klaus Schwarz; Klaus Edelmann; Martin Bennemann
Original assignee: Kk
Priority date: 1980-10-13
Filing date: 1980-10-13
Publication date: 1991-02-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochreinem Mikrodraht fuer die Halbleiterindustrie. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, Mikrodraehte mit hoher Oberflaechenguete und hoher Kreissymmetrie bei erhoehter Ziehfaehigkeit herzustellen, wobei nach hohen Umformgraden auftretende Spannungsinhomogenitaeten im Drahtinneren zu vermeiden und eine Erhoehung des Streckgrenzenverhaeltnisses, der Streckgrenze sowie der Bruchdehnung ohne UEberschreitung einer Dotierungsgrenze der Begleitelemente von 100 ppm * zu erreichen sind. Dies wird erreicht, indem waehrend des Kaltziehens eine Verbundverformung erfolgt, wobei der logarithmische Kaltverformungsgrad f1 3,85 nicht uebersteigen darf und eine Ziehsteinabstufung 25% anzuwenden ist. Die Verbundverformung ist bei einem Mantel-/Kerndrahtdurchmesserverhaeltnis von 2:1 mit einer Ziehsteinabstufung 20% durchzufuehren. Der minimale Umformgrad f2 im Verbund, bezogen auf den Kerndraht, betraegt 3,98. Der freigelegte Kerndraht wird stufenweise von einem Umformgrad f34,61 bis zu einem Umformgrad f36,00 bei Ziehsteinabstufungen von 15% bis 8% durch Kaltziehen auf Endabmessung von 0,03 mm weiterverformt und nachfolgend einer Durchlaufgluehung mit einer Durchlaufgeschwindigkeit von 4 m/s bei 200 bis 750C unterzogen.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mikrodraht aus Metallen, vorzugsweise im Durchmesserbereich zwischen 0,05 bis 0,02 mm, für elektrische Leiter der Elektrotechnik und Elektronik sowie für die Herstellung von Mikrothermoelementen, Widerständen, Mikroelektroden und Bonddrähten.

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Zur Herstellung von Mikrodraht jn bis zu einem Durchmesser von 0,001 mm sind bereits verschiedene Verfahren bekannt. Die gebräuchlichste Methode ist das stufenweise Kaltziehen von Drähten durch immer engere Hartmetall- bzw. Diamantziehsteine im Einzel-oder Mehrfachzug (A.Galeji „Die Berechnung der Kräfte und des Arbeitsbedarfs bei der Formgebung im bildsamen Zustand der Metalle" - 2. verbesserte Auflage 1955, Akademieverlag Budapest).

Die Herstellung von Mikrodrähten nach dem o.g. Ziehverfahren setzt einen hohen Aufwand an Ausrüstungen, Werkzeugen und produktiver Arbeitszeit voraus. Die Verwendung von Ziehdiamanten besonders hoher Güte in geringen Abstufungen und daher großen Stückzahlen, die nur' möglichen geringen Ziehgeschwindigkeiten unter 1 m/s, die notwendige Einzelbearbeitung jeder Ziehstufe und die mit abner nendem Drahtdurchmesser auftretenden häufigen Drahtrissc und geringen Ziehlängen von nur wenigen hundert Metern führen insgesamtzu einor wesentlichen Verteuerung dieser Fertigungsweise und begrenzen somit die Produktionskapazitäten. Die Ursache häufig auftretender Drahtrisse liegt darin begründet, daß bekanntermaßen beim Kaltziehen dem Material in radialer Richtung eine unterschiedliche Spannung aufgezwungen wird, deren Botrag vom Verformungsgrad, dem Ziehwinkel, dem Reibungswert und vom Oberflächenabstand abhängig ist. Bekannt ist auch, daß bei kubischflächenzentrierten Metallen nach Kaltziehen eine doppelte Fasertextur der Art (100) und (111) auftritt und die Mengenanteile der boiden Texturen sowohl in axialer als auch in radialer Richtung stark schwanken, ebenso die Texturschärfe. Infolge des inhomogenen Spannungs- und Texturzustandes treten bei hohen Umformgraden sehr hohe lokale Spannungsspitzen in Mikrobereichen auf, dis weit über den angelegten äußeren Ziehspannungon liegen. Dadurch wird das Material in diesen Mikrobereichen überbeansprucht und führt zu genannten unerwünschten Drahtrissen. Mit abnehmender spezifischer Festigkeit einerseits und verkleinertem Durchmesser der Drähte andererseits müssen somit technische Möglichkeiten, wifj sie beim Ziehen von stärkeren Drähten oder solchen mit höheren spezifischen Festigkeitseigenschaften eingeführt sind, ausgelassen werden, da die abnehmenden absoluten Reißlasten der Drähte die Anwendung hoher Verformungsgrade oder mehrfacher Verformungsstufon in einom Arbeitsgang nicht mehr gestatten. Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten wurde das Wollastone-Verfahren entwickelt und durch die im DRP 286717 und in der US-PS 3505039 dargestellten Lösungen weiter verbessert.

Nach diesen Lösungen wird der umzuformende Draht mit einer um ein Vielfaches stärkeren konzentrischen Ummantelung aus Silber umgeben und im Verbund bis auf Enddurchmesser verformt und anschließend die Silberummantelung mechanisch oder chemisch mit Salpetersäure entfernt.

Bei Anwendung dieser Verfahren wird der Ziehaufwand wieder auf das für stärkere Drähte praktiziertet Maß reduziort, d. h. es können Vielfachziehmaschinen mit größeren Abstufungen eingesetzt werden. Die Ziehfähigkeit wird durch Ziehgeschwindigkeiton von mehreren m/s und Drahtlängen von mehreren tausend Metern entscheidend verbessert. Nachte'lo dieses Verfahrens bestehen jedoch darin, daß sich die Oberfläche von Wollastondrähten gegenüber der Obertläche kaltgezogener Drähte infoige starker Riefigkeit wesentlich verschlechtert hat und ihr Drahtquerschnitt entscheidend von der Kreisform abweicht. Fernerhin liegen beim Ätzvorgang infolge der chemisch bedingten Lösezeit für das Abtragen des Silbermantels die Durchlaufgeschwindigkeiten derart niedrig, daß der zuvor eingesp, rto Aufwand im Ziehprozoß größtenteils wieder durch den zeitlich hohen Atzaufwand kompensiert wird.

Die Herstellung von Mikrodrähten nach dem Direktziehverfahren und nach dem Wollastonverfahren ist somit nur unter beträchtlichem technisch-ökonomischem Aufwand möglich. Sie ermöglichen es nicht, Wirtschaftlichkeit, hohe Oberflächengüte und Drahtrundheit in einem Verfahren zu realisieren.

Ziel der Erfindung

Das Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, Mikrodröhte aus Au, AuAg, AISi₁, AgPd und anderen Metallen mit hoher Oberflächengüte, hoher Kreissymmetrie und verbesserten mechanischen Eigenschaften bei erhöhter Ziehfähigkeit wirtschaftlich herzustellen.

Darlegung de* Wesens der Erfindung

Mittelster Erfindung soll die technische Aufgabe gelöst werden, die nach hohen Umformgraden auftretenden Spannungsinhomogenitäten im Drahtinneren zu vermeiden sowie eine Erhöhung des Streckgrenzenverhältnisses, der Streckgrenze und der Bruchdehnung, ohne Überschreitung einer Dotierungsgrenze der Begleitelemente von 100 ppm Ma.-%, zu erreichen.

L. findungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß innerhalb einer Kaltverformung eine Verbundverformung bei entsprechend abgestimmten Parametern zwischen Kaltverformungsgrad φ] vor der Mantelung, Manteldicke zu Kerndrahtdurchmesser, Ve: iurnu ngsgrad im Verbund q>₂. Verbundzieh- und nachfolgende Kaltziehtechnologie, eingeschoben wird, wobei der logarithmischo Kaltverformungsgrad Cp₁ vor der Mantelung <3,85 betragen muß bei einer Ziehsleinabstufung s 25%. Bei der eingeschobenen Verbundverformung mit einem Mantel-Kerndrahtdurchmesserverhältnis von £2:1 erfolgt eine minimale Kerndrahtverformung von q>2 ä 3,98 mit maximaler Querschnittsreduzierung s20% bei Verwendung beliebiger Schmiermittel. Der Gesamtformänderungsbetrag bis zur Mantelentfernung, bezogen auf den Kerndraht, muß (J)₁-; a 7,83 betragen.

Beim nachfolgenden Kaltziehvorgang bis <p₃ £Ί,61 sind Ziehsteinabstufungen von s 15%, νοηφ₃ > 4,61 biscp₃ £ 5,23, Ziehsteinabstufungen von -S10% sowie von φ₃ > 5,23 bis ^₃ = 6,00, Ziehsteinabstufungen von < 8% bei Einsatz beliebiger Schmiermittel anzuwenden. Nach der Verformung auf Endabmessung erfolgt eine Durchlaufglühung mit einer Glühgeschwindigkeit S4m/s bei eider Temperatur von 200°C bis 75O⁰C.

Als metallische Mantelwerks toffe werden vorzugsweise 99,9%iges Elektrolyt-Kupfer oder Elektrolyt-Silber eingesetzt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung Suü _.i eine. Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Goldbolzen der Reinheit 99,99 % bzw. 99,999 % werden mittels herkömmlichen Pressen kalt von 25mm auf 6 mm Durchmesser gepreßt. Von 6mm bis 3,65mm, entsprechend einem logarithmischen Kaltumformgrad von φ = 0,99, erfolgt eine Durchmesserreduzierung im einfachen Geradeauszug mit Ziehsteinabstufungen von 15 bis 20%.

So hergestellter Golddraht wird mit Tetra gereinigt und in ein Elektrolyt-Kupferrohr der Abmessung 8 x 2 mm, welches zuvor mit einer Lösung, bestehend aus 25 bis 70Vol.-% Essigsäure, γ = 1,05, 20 bis 60 Vol.-% Salpetersäure, γ = 1,54,0 bis 30Vol.-% Wasser sowie 0 bis 500g/l Kupfersalze und 1 ml/l Silikonöl bei einer Temperatur von 20°C bis 3O⁰C, behandelt wurde, eingefädelt.

Anschließend erfolgt wiederum eine Verformung des Verbunddrahtes im Geradeauszug bis 3,65mm mit Ziehsteinabstufungen von 15 bis 20%.

Von 3,65mm Durchmesse/ bis 0,85 mm Durchmesser wird ein Trommelzug mit 15% Ziehsteinabstufung angewendet, ehe abschließend im Mehrfachzug eine Verformung bis auf 0,2mm Verbunddurchmesser mit Ziohsteinabstufungen von 15% stattfindet.

Der Elektrolyt-Kupfer-f/antel wird darauffolgend chemisch mit Salpetersäure entfernt, so daß ein Golddraht mit 0,1 mm Durchmesser vorliegt.

Dio Verformung im Mehrfachzug von 0,1 bis 0,03 mm Durchmesser wird dreistufig im Mehrfachzug mit folgenden Ziühsteinabstufungen ausgeführt:

0,1-0,0f.mm Durchmesser: 10% 0,0485-Ό,0367 mm Durchmesser: 9 % 0,0367-0,030mm Durchmesser: 5%.

Die Ziehgeschwindigkeit beträgt 3m/s, als Schmiermittel wird Dielektrikum eingesetzt.

Entsprechend Anforderung wird ein haibha<ier Zustand durch eine Schlußglühung im Durchlaufverfahren bei Temperaturen von .!00⁰C bif, 600°C eingestellt.

Die Erfindung zeichnet sich im Vergleich zum Stand der Technik durch eine Vielzahl von Vorteilen aus. Sie bostehen unter anderen"! di.rin, daß die Kaltziehfähigkcit wesentlich verbessert wird. Der hohe Kaltverformungsgrad erzeugt dabei eine hohe Oberflächengüte und Kreisrundheit des Querschnittes. Dio erzielbaren Drahtlängen von mehreren tausend Metern ermöglichen eine ökonomische Drahtfertigung und gestatten nachgelagerto technologische Prozesse wie Glühen, Reinigen, Wickeln durchzuführen. Der Aufbau schädlicher lokaler Spannungsspitzen wird ermieden, es erfolgt die Ausbildung einer für die Kaltverformung günstigen Versetzungs- und Texturstruktur. Durch die Erhöhung des Mengenanteils der < 111 )-Textur tritt eine wesentliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ein, indem die Bruchdehnung, die Streckgrenze und das Streckgrenzenverhältnis bei gleichzeitiger Steigerung der Zugfestigkeit erhöht werden.

Der durch das vorgeschlagene Verfahren hergestellte Draht erhält solche Eigenschaften, wie sie zum Einsatz auf automatisch arbeitenden Bondgeräten unerläßliche Voraussetzung sind, und zwar Durchmessertoleranz £0,001 mm, Oberflächenrauhigkeit < 0,0005mm, erhöhtes Streckgrenzenverhältnis >0,9.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Mikrodraht durch einen stufenweise ablaufenden Ziehprozeß in Verbindung mit einer Verbundverformung und einem abschließenden Glühvorgang, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling zunächst bis zu einem Umformgrad φ, rS3,85 mit einer Ziehsteinabstufung ^ 25% gezogen, anschließend eine Verbundverformung bei einem Durchmesserverhältnis Mantel/Kerndraht 2:2:1, einen Umformgrad φ₂ >3,98, bezogen auf den Kerndraht, und einer Ziehsteinabstufung <20% durchgeführt wird und nach Entfernung des Mantels der Kerndraht in drei Stufen

Umformgrad φ₃ bis 4,61 mit Ziehsteinabstufung <15%

Umformgrad φ₃ von 4,61 bis 5,23 mit Ziehsteinabstufung <10% Umformgrad <p₃ von 5,23 bis 6,00 mit Ziehsteinabstufung <8% auf die Endabmessung gezogen sowie anschließend im Durchlauf mit einer Geschwindigkeit <4m/s bei 200⁰C bis 75O⁰C geglüht wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verbundverformung ein metallischer Mantel aus Elektrolyt-Kupfer oder Elektrolyt-Silber auf den Kerndraht aufgezogen wird.