1、銅絲引線鍵合技術的發展摘要銅絲引線鍵合有望取代金絲引線鍵合，在集成電路封裝中獲得大規模 應 用。論文從鍵合工藝、接頭強度評估、鍵合機理以及最新的研究手段等方面簡述了 近年來銅絲引線鍵合技術的發展情況，討論了現有研究的成果和不足，指出了未來 銅絲引線鍵合技術的研究發展方向，對銅絲在集成電路封裝中的大規模應用以及半 導體集成電路工業在國內高水平和快速發展具有重要的意義。關鍵詞集成電路封裝銅絲引線鍵合工藝1銅絲引線鍵合的研究意義目前超過90%的集成電路的封裝是采用引線鍵合技術。弓I線鍵合(wire bon di ng)又稱線焊，即用金屬細絲將裸芯片電極焊區與電子封裝外殼的輸入/輸出引線或基板上的金屬

2、布線焊區連接起來。連接過程一般通過加熱、加壓、超 聲 等能量 借助鍵合工具(劈刀)實現。按外加能量形式的不同，引線鍵合可分為熱壓鍵 合、超聲鍵合和熱超聲鍵合。按劈刀的不同，可分為楔形鍵合(wedge bonding)和球 形鍵合(ball bonding) o目前金絲球形熱超聲鍵合是最普遍采用的引線鍵合技術， 其鍵合過程如圖1所示。由于金絲價格昂貴、成本高，并且Au/AI金屬學系統易產生有害的金屬間化 合 物，使鍵合處產生空腔，電阻急劇增大，導電性破壞甚至產生裂縫，嚴重影響接頭 性能。因此人們一直嘗試使用其它金屬替代金。由于銅絲價格便宜，成本低，具有 較高的導電導熱性，并且金屬間化合物生長速率

3、低于Au/AI,不易形成有害的金屬間化合物。近年來，銅絲引線鍵合日益引起人們的興趣。但是，銅絲引線鍵合技術在近些年才開始用于集成電路的封裝，與金絲近半個世紀的應用實踐相比還很不成熟，缺乏基礎研究、工藝理論和實踐經驗。近年 來許多學者對這些問題進行了多項研究工作。論文將對銅絲引線鍵合的研究內容和 成果作簡要的介紹，并從工藝設計和接頭性能評估兩方面探討銅絲引線鍵合的研究 內容和發展方向。，0di(b)片打鼻劉韓一 U 晤直飆一曲訊剋曲朗一岬厲(常刀斤M尺tltl幡的忖圖1金絲球形熱超聲鍵和過程2銅絲引線鍵合的研究現狀2. 1工藝研究2. 1. 1防止銅絲氧化而氧化膜與金絲不同的是，銅絲在空氣中極易

4、氧化在表面形成一層氧化膜,對銅球的成形與質量有害，并且還有可能導致接頭強度低，甚至虛焊(Non-Stick), 因此必須采取措施防止銅絲氧化。Kaimori等嘗試通過在銅絲表面鍍一層抗氧化的 金屬來防止銅絲氧化，他們嘗試了 Au、Ag、Pd、Ni,發現鍍的銅絲能形成較 好的 銅球，并且形成的接頭力學性能也強于單純的銅絲。但是此方法并未見任何 工業應 用的報道。目前工業應用中主要是采用保護氣體來防止銅絲氧化，主要有如圖2所示的兩種保護裝置。至于保護氣體，Tan等、Hang等以及Singh等都發現 使用95%N2和5%H2混合而成的保護氣具有較好的抗氧化效果。圖2兩種常見的銅絲防氧化裝置示意圖2.

5、 1.2 1藝參數由圖1的球形熱超聲鍵合過程可以知道，鍵合質量與引線、劈刀、壓力、能量 和基板等因素有關。影響鍵合接頭性能的主要工藝參數如圖3所示。吐無憶見嘗還工芝晁皈H 陵K*1寸ftGD CEDft 壞HRAJeft*ftft圖3影響鍵和性能的主要工藝參數研究各種工藝參數對引線鍵合強度性能的影響，有利于鍵合工藝的設計和工藝 參數的優化。Ha ng等發現銅線的端部距離火花放電的電極越近，火花放電后 形成 的銅球成形越好。并且Tan等和Hang等均發現銅球的直徑與火花放電的電流和時間 之間存在如式（1）的關系：2FAB D f I t式中FAB (D)為銅球的直徑；I為火花放電電流強度；t為火

6、花放電時間。可以通過調節I和t獲得成形好、質量高的銅球。Hang等通過一系列試驗得至IJ 了直徑為23呵的銅絲鍵合得到的球形焊點的抗剪強度隨超聲功率、壓力、超聲頻 率和溫度變化的曲線(圖4),為工藝參數的優化提供了一定的基礎。TO SO 90100110rE亡MO 4M 500600ft h r/m(bi力變佬廿議握閭 加MOX1 X* 3M041 丙 Hl 廿 IH r/ftuiHZKHTtRlifl聲肝糾命記的1渝MOMO320300IW 20022D24Qttjf F/Tori拭畀滋廈fitii廈賣比的櫥探圖4抗剪強度隨超聲功率、壓力和超聲頻率變化的曲線目前銅絲引線鍵合應用中，多依賴經驗

7、來確定工藝參數，尚未得到比較完善的 工藝參數范圍。22銅絲引線鍵合的接頭性能評估引線鍵合的接頭性能主要表現為接頭強度以及熱疲勞壽命等。Toyozawa.等和Khoury等的試驗結果均表明，銅絲球形焊點抗拉強度與抗剪強度都強于相同直徑 的金絲焊點，其中抗剪強度的優勢尤為明顯。Cu/AI金屬間化合物生長速率低于Au/AI,尤其是在高溫下(圖5),因此在交界層不會形成柯肯德爾空洞(Kirk-endall Void),使銅絲鍵合的接頭性能優于金絲鍵合。Hong等研究了銅 絲球形焊點退火后的力學性能，發現接頭抗剪強度隨著退火時間的增加而變大，認為是由于界面金屬的擴散而導致。Khoury等做了一系列銅絲接

8、頭和金絲接頭在 相同 溫度下工作、以及經受相同溫度范圍的熱循環等試驗，認為銅絲鍵合的熱疲勞壽命 至少不低于金絲鍵合。MX Ift合韻前180工週火sonh)25 |Am圖5 Cu/AI金屬間化合物生長速 率低于Au/AI如40麗20101U AlUlt F/X(L札茁況目前，對銅絲引線鍵 合的接頭性能的研究主要 集中在相同條件下銅絲與 金絲鍵合接頭性能的對比 試驗研究方面，缺乏詳盡 的顯微組織分析和力學性 能測試。23超聲波的機理研究熱超聲鍵合中，超聲是主要的外加能量之一。目前人們對超聲的作用機理做T 一些研究，發現在超聲鍵合中，超聲至少起到兩方面的作用：超聲軟化和摩擦。2. 3. 1超聲軟化

9、金屬在超聲激勵下強度和硬度減小的現象稱為超聲軟化。 Langen ecker把這 種現象歸因于超聲的能力，認為位錯優先吸收聲能，使位錯從釘扎位置開動，暫時 使金屬軟化，增加塑性能力，允許金屬在相對較低的壓力下變形。目前人們對超聲軟化的機理尚無定論，而且熱超聲鍵合中超聲波對金屬力學行為影響的定量分 析尚未見報道。2. 3. 2摩擦Mayer通過顯微傳感器研究金絲熱超聲鍵合時發現金球與基板接觸面之間的摩 擦是形成鍵合的重要條件，并且認為沒有摩擦就沒有鍵合。Lum等在研究金絲鍵合在銅基板上所留下的痕跡時，發現許多痕跡呈明顯的環狀（圖 6）,正 好可以用Mindlin的彈性接觸理論來解釋。在相同的壓力

10、下，隨著超聲功率的增 大，圓環的內徑減小，直至由微摩擦（microslip）變為相對滑動（gross sliding）（圖7）。根據以上研究，合理的設計壓力和超聲波功率，能夠得到良好目前尚未有報的鍵合點。至于銅絲鍵合中超聲的摩擦作用如何，是否與金絲相似,道。圖6環狀鍵和痕跡的“功事b k(c)(d)圖7超聲功率增加，鍵合痕跡由微摩擦變為相對滑動的示意圖2. 4實時監測與有限元分析2. 4. 1實時監測實時監測鍵合過程中的溫度、應力應變等參數的變化，根據監測到的數據實 時調節輸入參數，對引線鍵合過程的機理研究以及質量控制均十分有利。Sohn euwly等提出一種熱電偶溫度測量技術，他們在鍵合點處

11、通過改進的劈刀引入 Ni線和Au球形成熱電偶來在線測量鍵合過程溫度的瞬時變化，試驗設置及操作過 程都比較復雜，結果離散性較大。Suman等通過在基板中植入一種兼容的鋁-硅熱電 偶傳感器實現了實時監測鍵合過程的溫度。Mayer等開發了新型的原位監測方法，通過在連接處植入集成傳感器，可實現連接過程中溫度和壓力信 號的 實時監測（圖8） o(b 力 ft AM圖8集成傳感器242有限元分析目前，隨著商業有限元軟件的發展，有限元方法越來越多的應用于引線鍵合的 質量評估與分析中。引線鍵合是一個熱力耦合的過程，并且伴隨著超聲振動和內部 擴散，難以模擬。為了簡化，現在大多數模型都采用2維軸對稱結構，并且把超

12、聲簡化為熱源處理。Zhang等建立了一個3維模型，并且通過改變接觸面上 的 摩擦系數來嘗試模擬超聲的摩擦作用。Viswanath等也建立了一個3維模型來 模擬 熱超聲引線鍵合在Cu/low-k基板上的情形。到目前為止，在模型中尚未考 慮超聲 軟化效果以及內部擴散作用，模型還不夠完善。3銅絲引線鍵合存在的問題銅絲引線鍵合與金絲相比具有價格便宜、成本低、導電導熱性高和接頭強度高 等一系列優點，然而銅絲鍵合也存在一些金絲鍵合所不易出現的缺陷，主要有基板裂紋(Un derpad Crack) 硅坑(S訂ic on Crateri ng,圖9)、接頭強度低 (Weak Bo nd)和虛焊(Non-Sti

13、ck )等。一般認為由于銅絲硬度高于金絲，這意 味 著銅絲鍵合時需要更高的超聲功率和更大的壓力，這樣比較容易對硅基板造成損 害，從而導致基板裂紋和硅坑缺陷的產生，而如果超聲功率和壓力設置偏小，又會 導致接頭強度低甚至導致虛焊。另外，由于同種金屬焊接無金相的差異，銅絲可以直接鍵合在封裝外殼的銅基上，因此封裝外殼的銅基上不必像金絲鍵合那樣鍍銀，這樣導致銅基表面氧化，即使采用保護氣體也不能完全防止，所以第 焊點往往強度較低，甚至虛焊。圖9硅坑缺陷為了防止缺陷的產生，人們采取了各種措施。 Mori向純的6N Cu中加入一 種不影響銅絲硬度的成分，制成一種新的銅絲。試驗表明這種新銅絲能夠解決一些 問題，如硅基板的損壞問題，但并未說明所加入是何種成分。Kaimori等在銅絲表面鍍Pd來防止銅絲氧化，并且獲得質量較好的第二焊點。Toyozawa等提出了 一種壓力兩級加載技術（圖10）,試驗表明運用此技術在一定條件下能夠解決基板 裂紋和硅坑問題。目前工業應用中，主要運用這種加載技術。但是基板缺陷 仍然存 在，人們尚未能夠解決，這些缺陷嚴重影響了銅絲鍵合的大規模應用。結論與展望銅絲由于成本低、導電導熱性好、接頭強度高等優點在集成電路封裝工業中得 到越來越多的應用，銅絲引線鍵合技術的研