一种用于高性能楔焊劈刀的碳化钨材料及其生产方法与流程

1.本发明属于集成电路工具材料领域，具体涉及一种用于高性能楔焊劈刀的碳化钨材料及其生产方法。


背景技术：

2.随着微电子技术不断发展，集成电路复杂度不断增加，电子整机向着集成化轻量化、多功能化、高可靠性和低成本等方向发展，特别是机载、舰载、弹载、星载电子装备和超级巨型计算机系统以及民用手持与便携式电子产品对体积、重量和性能比的要求越来越严格。其中，引线键合是芯片级互连的关键封装工艺，满足了系统集成的需求，成为系统集成的主要途径之一。
3.楔焊键合是引线键合中的重要组成部分，从送丝方式来看，主要包括45度水平键合和90度深腔键合等。随着集成电路的不断发展，引线键合的焊盘尺寸和焊盘间距不断减小、键合密度越来越大，键合线材和带材的尺寸规格越来越小，楔焊劈刀的键合空间越来越窄，而对楔焊劈刀的引线孔尺寸和表面粗糙度要求越来高，也就是说，楔焊键合对楔焊劈刀本身提出了越来越高的要求，尤其是对于窄间距、高密度、深腔多腔的楔形焊，具有垂直送丝结构的90度引线孔楔形劈刀发挥出其独特优势。然而，碳化钨楔焊劈刀通常适用于铝丝、铝硅丝键合，其金丝键合的使用寿命存在不足；同时，垂直送丝结构楔焊劈刀的90度引线孔通常采用电加工、线切割等加工途径实现，其加工成本较高。


技术实现要素：

4.本发明针对碳化钨楔焊劈刀存在的材料适用性不足、键合使用寿命不足、加工成本高等问题，通过碳化钨材料成分设计、垂直引线孔近净模压技术开发，改善材料可成形性，增加碳化钨劈刀适用性，进一步降低碳化钨楔焊劈刀生产成本。由此，本发明提出一种用于高性能楔焊劈刀的碳化钨材料及其生产方法。
5.本发明的第一方面，是提供一种用于高性能楔焊劈刀的碳化钨材料，其特征在于，其成分以重量百分比计，由以下组分组成：wc 66-84.5%、tic 10-20%、co 2-10%、ni 2-10%、cr2c
3 0.2-0.4%、vc 0.2-0.4%、moc 0.5-5%、k 0.5-10%，所述k为钽的碳化物、铪的碳化物、铌的碳化物、铼的碳化物、碳化钽铌固溶体、碳化钨钛固溶体中的至少一种。
6.优选方案，本发明的碳化钨材料，其成分以重量百分比计，由以下组分组成：wc 65-70%、tic 10-15%、co 2-6%、ni 2-6%、cr2c
3 0.2-0.4%、vc 0.2-0.4%、moc 0.5-1.5%、k 0.5-2%，所述k选自hfc、nbc、tac、rec中的至少两种。
7.优选地，本发明的碳化钨材料，碳化钨材料硬度为84.5-97.5hra、抗弯强度》1320mpa；所述碳化钨材料制备成的手动型楔焊劈刀的键合次数大于12万次、自动型楔焊劈刀的键合次数大于20万次。
8.本发明的第二方面，是提供本发明第一方面所述的一种用于高性能楔焊劈刀的碳化钨材料的生产方法，包括如下步骤：
按设计组分配取碳化钨粉、碳化钛粉、钴粉、镍粉、碳化铬粉、碳化钒粉、碳化钼粉、k粉；所述k粉选自钽的碳化物、铪的碳化物、铌的碳化物、铼的碳化物、碳化钽铌固溶体、碳化钨钛固溶体中的至少一种；依次将配取的上述粉末置于滚动球磨机、倾斜式湿磨机内进行湿法混料球磨，球磨后，将混合料通过真空干燥箱或真空搅拌干燥机进行干燥处理，干燥后的混合粉末在200目的筛网下进行筛分后，备用；将备用粉末和成型剂按比例加入到真空搅拌干燥机中进行混炼，成型剂添加量为取用粉末的2.5-4.5%之间，混炼时间为60-90min，混炼温度为75-95℃，优选地，成型剂采用硬质合金石蜡或聚乙二醇；降温后，将混炼后的混合料在80目的筛网下进行筛分后，备用；将备用混合料在液压机上模压成形碳化钨楔焊劈刀压坯；采用真空脱脂烧结一体炉对模压成形的压坯进行脱脂烧结。
9.优选地，在步骤5），所述的脱脂烧结处理为真空负压脱脂，炉内惰性气体流量为0.5-1.8m3/h；所述脱脂保温温度为300-400℃、脱脂时间为90-180min；烧结温度为1420-1520℃、保温时间为60-120min。
10.优选地，在步骤1），所述碳化钨粉的平均粒度为0.2-2.5μm，碳化钛粉和碳化钼粉的平均粒度为0.2-3.0μm，钴粉、镍粉、碳化铬粉、碳化钒粉的平均粒度为 0.2-1.0μm、k粉的平均粒度为0.2-2.0μm。
11.优选地，在步骤），所述碳化钨楔焊劈刀压坯为带直通式内孔棒坯；所述棒坯的外径尺寸φ1为2-4.5mm，长度l为25-50mm，内孔尺寸φ2为0.1-1.0mm。
12.优选地，在步骤5），所述碳化钨楔焊劈刀压坯在脱脂烧结过程中倾斜式放置于石墨舟皿上，所述石墨舟皿涂覆有氧化铝、氧化锆或石墨/氧化铝防粘涂层。
13.本发明的优点和积极效果有：本发明通过碳化钨材料成分设计，调控碳化钨固溶体形貌与成分，进而提升碳化钨复合材料的超声键合效率和键合磨损性能，进一步适配于楔焊键合的热压超声工况，大幅提升了楔焊劈刀的使用寿命，其中，手动型楔焊劈刀的键合次数大于12万次、自动型楔焊劈刀的键合次数大于20万次。同时，本发明针对该碳化钨材料，开发出垂直引线孔近净模压技术，实现了0.1-1.0mm内孔式碳化钨楔焊劈刀坯料生产，减少了部分精密加工工序，缩短了生产流程，大幅降低楔焊劈刀生产成本。
附图说明
14.图1为实施例1的碳化钨材料的微观形貌图。
15.图2为实施例1的碳化钨材料的微孔形貌图。
16.图3为实施例1的碳化钨楔焊劈刀键合10万点后的键合面微观形貌图。
具体实施方式
17.本发明提供一种用于高性能楔焊劈刀的碳化钨材料及其生产方法，为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。
18.在下述实施例中所用的物料均为工业产品及现有技术提供的装置。
实施例1
19.材料成分选用重量百分比为70%的wc粉（fsss 0.6μm）、15%的tic粉（fsss 1.5μm）、6%的co粉（fsss 1μm）、 6%的ni粉（fsss 1μm）、0.3%的cr2c3粉（fsss 1μm）、0.2%的vc粉（fsss 1μm）、1%moc粉（fsss 2μm）、1.5%的hfc粉（fsss 2μm），总计100%。配取成分后，置于滚动球磨机进行湿法混料球磨，球磨后，将混合料通过真空搅拌干燥机进行干燥处理，干燥后的混合粉末在200目的筛网下进行筛分，将筛分后粉末和成型剂按比例加入到真空搅拌干燥机中进行混炼，添加硬质合金石蜡（粉末的3.0%），混炼时间为75min，混炼温度为80℃，降温后，将混炼后的混合料在80目筛网下进行筛分；将制备的混合料在液压机上模压成形碳化钨楔焊劈刀压坯（外径尺寸φ1为3.0mm，长度l为30mm，内孔尺寸φ2为0.5mm）；将碳化钨压坯倾斜式置于涂覆有氧化铝的石墨舟皿上，采用真空脱脂烧结一体炉进行脱脂烧结：脱脂处理为真空负压脱脂，炉内惰性气体流量为1m3/h；所述脱脂保温温度为350℃、脱脂时间为120min；烧结温度为1440℃、保温时间为60min。制备得到的碳化钨楔焊劈刀的硬度为92hra、抗弯强度2790mpa、孔隙度为a02b00c00、碳化钨晶粒度为0.3μm。将上述碳化钨材料制备成手动型楔焊劈刀（型号为ywbts2025-3/4-1/16-4-cg-45），采用westbond 7476 e键合机在陶瓷金基板上开展25微米金丝键合使用寿命验证，连续完整焊点数为12.48万点。
20.图1所示为碳化钨楔焊劈刀材料的微观形貌图。图1中白色物相为碳化钨颗粒，灰色和黑色大颗粒物相为以碳化钛含量为主的（ti、mo、hf）多元固溶体，填充在上述物相之间的为镍-钴粘结相，多元固溶体呈均有分布，与粘结相具有良好的润湿相，自身的高硬度、高耐磨损性能，有效提高材料的耐磨损性能，最终实现本发明的有益效果。
21.图2所示为碳化钨楔焊劈刀材料的微孔形貌图。图2为采用垂直引线孔近净模压技术制备的碳化钨烧结棒料，其外径尺寸φ1为2.3mm，长度l为24mm，内孔尺寸φ2为0.4mm，可用于垂直送丝的手动型楔焊劈刀材料，减少了楔焊劈刀内孔加工工序，缩短了生产流程，大幅降低楔焊劈刀生产成本。
22.图3为碳化钨楔焊劈刀键合10万点后的键合面微观形貌。图3中中间凹槽为键合面cg槽结构，箱式槽为引线出口处，cg槽两侧平面为键合面；经过10万个焊点键合后，劈刀键合面中间部分出现了一定的磨损现象，这与碳化钨材料键合过程中的失效机理是一致的，表明了本发明碳化钨材料在键合工况下具有优异的超声键合效率和键合磨损性能，大幅提升楔焊劈刀的使用寿命。
实施例2
23.材料成分选用重量百分比为66%的wc粉（fsss 2.5μm）、20%的tic粉（fsss 1.0μm）、2%的co粉（fsss 1μm）、 6%的ni粉（fsss 1μm）、0.2%的cr2c3粉（fsss 1μm）、0.3%的vc粉（fsss 1μm）、0.5%moc粉（fsss 2μm）、5%的rec粉（fsss 2μm），总计100%。配取成分后，置于滚动球磨机进行湿法混料球磨，球磨后，将混合料通过真空搅拌干燥机进行干燥处理，干燥后的混合粉末在200目的筛网下进行筛分，将筛分后粉末和成型剂按比例加入到真空搅拌干燥机中进行混炼，添加硬质合金石蜡（粉末的2.5%），混炼时间为60min，混炼温度为95℃，降温后，将混炼后的混合料在80目筛网下进行筛分；将制备的混合料在液压机上模压成形碳化钨楔焊劈刀压坯（外径尺寸φ1为4.5mm，长度l为50mm，内孔尺寸φ2为1.0mm）；将碳化钨压坯倾斜式置于涂覆有氧化锆的石墨舟皿上，采用真空脱脂烧结一体炉进行脱脂烧结：脱脂处理为
真空负压脱脂，炉内惰性气体流量为1.8m3/h；所述脱脂保温温度为380℃、脱脂时间为90min；烧结温度为1520℃、保温时间为90min。制备得到的碳化钨楔焊劈刀的硬度为91.5hra、抗弯强度2550mpa、孔隙度为a02b00c00、碳化钨晶粒度为0.8μm。将碳化钨材料制备成自动型楔焊劈刀（型号为ywbts1515-1-1/16-4-cg-45），采用hesse bj855键合机在陶瓷金基板上开展25微米金丝键合使用寿命验证，连续完整焊点数为21.62万点。
实施例3
24.材料成分选用重量百分比为84.5%的wc粉（fsss 0.2μm）、10%的tic粉（fsss 3.0μm）、2%的co粉（fsss 1μm）、 2%的ni粉（fsss 1μm）、0.2%的cr2c3粉（fsss 1μm）、0.3%的vc粉（fsss 1μm）、0.5%moc粉（fsss 2μm）、0.5%的（ta，nb）c粉（fsss 0.5μm），总计100%。配取成分后，置于滚动球磨机进行湿法混料球磨，球磨后，将混合料通过真空干燥箱进行干燥处理，干燥后的混合粉末在200目的筛网下进行筛分，将筛分后粉末和成型剂按比例加入到真空搅拌干燥机中进行混炼，添加硬质合金石蜡（粉末的4.5%），混炼时间为90min，混炼温度为75℃，降温后，将混炼后的混合料在80目筛网下进行筛分；将制备的混合料在液压机上模压成形碳化钨楔焊劈刀压坯（外径尺寸φ1为2.0mm，长度l为25mm，内孔尺寸φ2为0.1mm）；将碳化钨压坯倾斜式置于涂覆有石墨/氧化铝的石墨舟皿上，采用真空脱脂烧结一体炉进行脱脂烧结：脱脂处理为真空负压脱脂，炉内惰性气体流量为0.5m3/h；所述脱脂保温温度为300℃、脱脂时间为180min；烧结温度为1480℃、保温时间为90min。制备得到的碳化钨楔焊劈刀的硬度为97.5hra、抗弯强度2490mpa、孔隙度为a02b00c00、碳化钨晶粒度为0.12μm。将碳化钨材料制备成自动型楔焊劈刀（型号为ywbts1515-1-1/16-4-cg-45），采用hesse bj855键合机在陶瓷金基板上开展25微米金丝键合使用寿命验证，连续完整焊点数为21.22万点。
25.由上述实施例的结果可以看到，本发明通过碳化钨材料成分设计，调控碳化钨固溶体形貌与成分，进而提升碳化钨复合材料的超声键合效率和键合磨损性能，进一步适配于楔焊键合的热压超声工况，大幅提升了楔焊劈刀的使用寿命，制备得到的碳化钨楔焊劈刀的硬度为91.5hra以上、抗弯强度可达到2490mpa以上、孔隙度为a02b00c00、碳化钨晶粒度可为0.12μm。
26.通过所制备的碳化钨材料的性能实验，手动型楔焊劈刀的键合次数大于12万次、自动型楔焊劈刀的键合次数大于20万次。同时，本发明针对该碳化钨材料，开发出垂直引线孔近净模压技术，实现了0.1-1.0mm内孔式碳化钨楔焊劈刀坯料生产，减少了部分精密加工工序，缩短了生产流程，大幅降低楔焊劈刀生产成本。
27.以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构想的前提下，还可以做出若干变形和改性，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种用于高性能楔焊劈刀的碳化钨材料，其特征在于，其成分以重量百分比计，由以下组分组成：wc 66-84.5%、tic 10-20%、co 2-10%、ni 2-10%、cr2c3 0.2-0.4%、vc 0.2-0.4%、moc 0.5-5%、k 0.5-10%，所述k为钽的碳化物、铪的碳化物、铌的碳化物、铼的碳化物、碳化钽铌固溶体、碳化钨钛固溶体中的至少一种。2.根据权利要求1所述的碳化钨材料，其特征在于，其成分以重量百分比计，由以下组分组成：wc 65-70%、tic 10-15%、co 2-6%、ni 2-6%、cr2c3 0.2-0.4%、vc 0.2-0.4%、moc 0.5-1.5%、k 0.5-2%，所述k选自hfc、nbc、tac、rec中的至少两种。3.根据权利要求1所述的碳化钨材料，其特征在于，碳化钨材料硬度为84.5-97.5hra、抗弯强度>1320mpa；所述碳化钨材料制备成的手动型楔焊劈刀的键合次数大于12万次、自动型楔焊劈刀的键合次数大于20万次。4.一种如权利要求1-3任何一项所述的碳化钨材料的生产方法，包括如下步骤：1）按设计组分配取碳化钨粉、碳化钛粉、钴粉、镍粉、碳化铬粉、碳化钒粉、碳化钼粉、k粉；所述k粉选自钽的碳化物、铪的碳化物、铌的碳化物、铼的碳化物、碳化钽铌固溶体、碳化钨钛固溶体中的至少一种；2）依次将配取的上述粉末置于滚动球磨机、倾斜式湿磨机内进行湿法混料球磨，球磨后，将混合料通过真空干燥箱或真空搅拌干燥机进行干燥处理，干燥后的混合粉末在200目的筛网下进行筛分后，备用；3）将备用粉末和成型剂按比例加入到真空搅拌干燥机中进行混炼，成型剂添加量为取用粉末的2.5-4.5%之间，混炼时间为60-90min，混炼温度为75-95℃，优选地，成型剂采用硬质合金石蜡或聚乙二醇；降温后，将混炼后的混合料在80目的筛网下进行筛分后，备用；4）将备用混合料在液压机上模压成形碳化钨楔焊劈刀压坯；5）采用真空脱脂烧结一体炉对模压成形的压坯进行脱脂烧结。5.根据权利要求4所述的生产方法，在步骤1），所述碳化钨粉的平均粒度为0.2-2.5μm，碳化钛粉和碳化钼粉的平均粒度为0.2-3.0μm，钴粉、镍粉、碳化铬粉、碳化钒粉的平均粒度为 0.2-1.0μm、k粉的平均粒度为0.2-2.0μm。6.根据权利要求4所述的生产方法，在步骤4），所述碳化钨楔焊劈刀压坯为带直通式内孔棒坯；所述棒坯的外径尺寸φ1为2-4.5mm，长度l为25-50mm，内孔尺寸φ2为0.1-1.0mm。7.根据权利要求4所述的生产方法，在步骤5），所述碳化钨楔焊劈刀压坯在脱脂烧结过程中倾斜式放置于石墨舟皿上，所述石墨舟皿涂覆有氧化铝、氧化锆或石墨/氧化铝防粘涂层。8.根据权利要求4所述的生产方法，在步骤5），所述的脱脂烧结处理为真空负压脱脂，炉内惰性气体流量为0.5-1.8m3/h；所述脱脂保温温度为300-400℃、脱脂时间为90-180min；烧结温度为1420-1520℃、保温时间为60-120min。

技术总结
一种用于高性能楔焊劈刀的碳化钨材料，碳化钨材料的成分以重量百分比计，由以下组分组成：WC 66-84.5%、TiC 10-20%、Co 2-10%、Ni 2-10%、Cr2C


技术研发人员：谢兴铖 林中坤 王继新 杨剑 曹瑞军 史植广 刘皓 杨志民
受保护的技术使用者：有研工程技术研究院有限公司
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/8/13