1、銅絲引線鍵合1銅絲鍵合的意義銅絲鍵和的現(xiàn)狀銅絲鍵和的困擾 INDEX2MEANINGPeriodI 目前，很大一部分集成電路的生產(chǎn)是依靠引線鍵和來完成的。 引線鍵和（wire bounding）是指使用細金屬絲 將半導(dǎo)體芯片的電極焊區(qū)與電子封裝外殼的I/O引線或基板上技術(shù)布線焊區(qū)連接起來的工藝技術(shù)。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPERBACKGROUND 焊接方式主要有熱壓焊、超聲鍵和焊和金絲球焊。 原理是采用加熱、加壓和超聲等方式破壞被焊表面的氧化層和污染，產(chǎn)生塑性變形，使得引線與被焊面親密接觸，達到原子間的引力范圍并導(dǎo)致界面間原子擴散而形成焊合點。3MEANINGPeriodII

2、 引線鍵和的金屬絲主要是使用數(shù)十微米至數(shù)百微米的金（Au）絲、鋁（Al）絲或硅鋁（Si-Al）絲。其中，使用最廣泛的是金絲。 金絲具有非常好的延展性，而且質(zhì)地柔軟。在引線鍵合工藝中，Au-Al鍵合具有非常高的可靠性銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPERAu wire 但是由于金絲昂貴、成本高，而且Au/Al金屬學(xué)系統(tǒng)易產(chǎn)生有害的金屬間化合物，使鍵合處產(chǎn)生空腔，電阻極急劇增大，導(dǎo)電性破壞甚至產(chǎn)生裂縫，嚴重影響接頭性能。因此人們一直嘗試尋找其他金屬代替金。4MEANINGPeriodIII 與金絲相比，銅絲擁有一些更為優(yōu)秀的特性，這使其擁有替代金作為新型鍵和材料的可行性。銅絲主要擁有以下幾

3、個優(yōu)點：成本低廉、機械性能優(yōu)越、電阻低、導(dǎo)熱好以及金屬間化合物生長緩慢。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPERFEATURE OF COPPER 成本低廉鍵合工藝中使用的各種規(guī)格的銅絲，其成本一般只有金線的.在一些長引線的鍵合中這種價格優(yōu)勢是不言而喻的。在一些大功率的電子封裝中，這種優(yōu)勢進一步擴大。較大的電流使得鍵合所使用的金屬線直徑也較大。這樣就增加了材料的使用，價格與成本問題就更為突出。5MEANINGPeriodIII 與金絲相比，銅絲擁有一些更為優(yōu)秀的特性，這使其擁有替代金作為新型鍵和材料的可行性。銅絲主要擁有以下幾個優(yōu)點：成本低廉、機械性能優(yōu)越、電阻低、導(dǎo)熱好以及金屬間化合物

4、生長緩慢。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPERFEATURE OF COPPER 機械性能優(yōu)越一般情況下,經(jīng)過退火熱處理的鍵合銅絲,無論是在室溫下還是在高溫環(huán)境里,所表現(xiàn)出來的抗拉強度和延伸率都接近或優(yōu)于金絲。另外,由于銅的強度較大、剛性較好,在存儲和運輸過程中可以降低由于人為誤操作而造成的對銅絲的損壞。這不僅會在一定程度上降低生產(chǎn)成本,對保證鍵合焊點質(zhì)量具有重要意義。6MEANINGPeriodIII 與金絲相比，銅絲擁有一些更為優(yōu)秀的特性，這使其擁有替代金作為新型鍵和材料的可行性。銅絲主要擁有以下幾個優(yōu)點：成本低廉、機械性能優(yōu)越、電阻低、導(dǎo)熱好以及金屬間化合物生長緩慢。銅絲鍵和

5、WIRE BONDINGCOPPERFEATURE OF COPPER 電阻低銅鍵合絲的高導(dǎo)電性(比金絲高約23%)使其在高品質(zhì)器件中具有更廣闊的應(yīng)用前景,適用于高性能電氣電路。在精細鍵合技術(shù)領(lǐng)域有助于提高功率器件性能和可靠性。對于相同直徑的銅絲和金絲通過相同的電流,單位長度的銅絲將產(chǎn)生較少的熱量,這對微電子封裝具有重要的意義。此外,在承載電流一定的條件下,可以采用直徑更小的銅絲。這為減小焊盤尺寸、間距,實現(xiàn)高密度封裝提供了潛在可能性。7MEANINGPeriodIII 與金絲相比，銅絲擁有一些更為優(yōu)秀的特性，這使其擁有替代金作為新型鍵和材料的可行性。銅絲主要擁有以下幾個優(yōu)點：成本低廉、機械性

6、能優(yōu)越、電阻低、導(dǎo)熱好以及金屬間化合物生長緩慢。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPERFEATURE OF COPPER 導(dǎo)熱好隨著芯片密度的提高和體積的縮小,芯片制造過程中的散熱是設(shè)計和工藝考慮的一個重要內(nèi)容。采用銅材料做為鍵合絲,可以使封裝體器件內(nèi)的熱量很快且更有效的散發(fā)出來,達到快速冷卻的目的,應(yīng)力被盡快釋放。這一點是很重要的,因為產(chǎn)生的熱量會促進導(dǎo)線內(nèi)晶粒的生長,降低其機械性能。在成球的過程中,高導(dǎo)熱性還有一個優(yōu)點就是:影響鍵合絲機械性能的熱影響區(qū)(HAZ)變得更短,因而保證更高的鍵合性能。而且,銅的熱膨脹系數(shù)比鋁低,因而其焊點的熱應(yīng)力也較低。因此,在對散熱要求越來越高的高密度

7、芯片封裝工藝中,選取銅絲來代替金絲和鋁一硅絲是非常有意義的。8MEANINGPeriodIII 與金絲相比，銅絲擁有一些更為優(yōu)秀的特性，這使其擁有替代金作為新型鍵和材料的可行性。銅絲主要擁有以下幾個優(yōu)點：成本低廉、機械性能優(yōu)越、電阻低、導(dǎo)熱好以及金屬間化合物生長緩慢。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPERFEATURE OF COPPER 金屬間化合物生長緩慢焊點處金屬間化合物的生長情況不僅對能否產(chǎn)生牢固結(jié)合的焊點,而且對電子元器件的可靠性有著非常大的影響。對絲球焊點而言,一定程度的擴散和金屬間化合物的生長對焊點能夠滿足特定的剪切、拉伸強度是有利的。但是,金屬間化合物層的過度生長將對焊

8、點的機械性能、電性能、熱性能均產(chǎn)生不良影響。有文獻報道,影響Cu/Al，Au/A1焊點剪切強度的主要因素之一就是金屬間化合物層的厚度,隨著金屬間化合物層厚度的增加,焊點的剪切強度隨之近似成線性降低9MEANINGPeriodIII 與金絲相比，銅絲擁有一些更為優(yōu)秀的特性，這使其擁有替代金作為新型鍵和材料的可行性。銅絲主要擁有以下幾個優(yōu)點：成本低廉、機械性能優(yōu)越、電阻低、導(dǎo)熱好以及金屬間化合物生長緩慢。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPERSUMMARY 縱上分析可以看出銅絲球焊滿足了降低生產(chǎn)成本的需求;由于銅材料極佳的電特性和熱性能,它為減小焊盤尺寸、間距,實現(xiàn)器件小型化提供了可能性;

9、在芯片引線鍵合工藝中取代金絲和鋁一l%硅絲可縮小焊接間距,提高芯片頻率、散熱性和可靠性的特性決定了其在替代金鍵合絲中銅在在需要長引線、超微細絲的高密度封裝中,可以有效緩解工藝難度、避免絲擺、坍塌等現(xiàn)象,提高產(chǎn)品質(zhì)量;在一些大功率器件、電源器件的封裝中,所需的絲的直徑較大,使用銅可以有效緩解材料成本問題。10PRESENT SITUATIONPERIODI概要 關(guān)于銅絲鍵和的理論已經(jīng)進行了超過20年，但是它實際投入實際生產(chǎn)卻是近幾年的事情。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPER 銅絲鍵和也有著許多切實的問題與缺點。目前關(guān)于銅絲鍵和工藝仍有著大量研究，使其能滿足目前的主要需求。在氧化層的處

10、理、熔球以及焊盤的工藝參數(shù)、可靠性等方面的工藝要求也在日益完善。鍵合絲材料質(zhì)量的好壞直接影響焊接質(zhì)量,從而對器件的可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。理想的引線材料應(yīng)具備以下特點:(l)能與半導(dǎo)體材料形成低電阻歐姆接觸,與電流方向無關(guān);(2)化學(xué)性能穩(wěn)定,不會形成有害的金屬間化合物;(3)與半導(dǎo)體材料結(jié)合力強;(4)可塑性好,容易實現(xiàn)鍵合;(5)彈性好,在鍵合過程中能保持一定的幾何形狀。鍵合絲的表面應(yīng)達到下列要求:(1)鍵合絲表面應(yīng)清潔,無指痕、油污,無拉伸潤滑痕跡、顆粒附加物和其它粘污。(2)鍵合絲表面應(yīng)無超過鍵合絲直徑5%的刻痕、凹坑、劃痕、裂紋、凸起和其他降低器件使用壽命的缺陷。(3)鍵合絲由軸

11、上放開時應(yīng)無明顯卷曲,鍵合絲的輕微卷曲應(yīng)不降低其實用性能。(4)鍵合絲應(yīng)無軸向扭曲。11PRESENT SITUATIONPERIODII鍵和條件 銅絲相較于金絲更易被氧化，所以其鍵和條件也與普通的金絲鍵合有區(qū)別。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPER 由于銅絲和金絲的物理性能，如延展性，硬度，活潑性等都有不同。在鍵合過程中施加的壓力、溫度、氣體條件也有著區(qū)別。 因為銅的硬度大于常用的金和鋁，所以在鍵合時壓力必須合理控制以防止因為壓力過大而破壞焊盤，形成彈坑。 銅的熔點比金要高，所以在溫度上也會有所不同。同時為了防止過高的溫度造成氧化，在通入保護氣的同時必須將溫度控制在一定范圍內(nèi)。 為

12、了防止銅絲的氧化，必須采用特制的防氧化裝置通入保護氣。保護氣的選擇大多采用了95%N2和5%H2的搭配，這樣的抗氧化性能比較好。12PRESENT SITUATIONPERIODIIIBALL 銅絲鍵和的第一步驟就是燒球。燒球的好壞與否，會直接影響到后續(xù)各步驟的質(zhì)量，甚至關(guān)乎整個IC制造的成敗。 球的質(zhì)量由很多因素共同影響，如焊頭的形狀大小等參數(shù)，混合氣的使用、電流等。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPER 不同的電流對于球的影響主要體現(xiàn)在其硬度的影響上，電流越大，球就越堅硬而更容易從焊盤上脫落。 這與銅絲自身的材料性能也有聯(lián)系 。純的銅絲相較于Cu-Pd絲更牢固，不容易產(chǎn)生脫落而造成

13、損傷13 銅絲鍵和的成球大小受到電流以及混合氣體成份、濃度、流速的影響，同時也與絲自身的成分、點火的時間有關(guān)。 下列圖表很詳細的反映出了這些因素對FAB的影響PRESENT SITUATIONPERIODIIIBALL銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPER 14PRESENT SITUATIONPERIODIVBONDING 在銅絲FAB結(jié)束之后，緊接著的是與焊盤的鍵合過程，這是最容易產(chǎn)生失效問題的一個步驟，對于焊盤材料、大小、厚度等的選擇，以及對焊接的工藝都有著很高的要求。 燒球的質(zhì)量也會對BONDING的效果產(chǎn)生影響，如圖。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPER 15PRE

14、SENT SITUATIONPERIODIVBONDING PAD 銅絲鍵和與其他鍵和對于BONDINGPAD的設(shè)計也會有所差異，在焊盤的構(gòu)造、大小、厚度方面的參數(shù)要求會有很大不同。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPER 銅絲與焊盤間IMC的形成比起其他的材料來說相對較薄，而且生長的速度會慢很多。比起Au要慢上一個數(shù)量級之多。16PRESENT SITUATIONPERIODV可靠性 目前，銅絲鍵和的可靠性要低于金絲以及鋁絲等傳統(tǒng)材料。銅絲比較容易氧化，而且其硬度不利于焊接，容易產(chǎn)生彈坑損傷焊盤。這對于工藝的要求十分之高。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPER 17PRESEN

15、T SITUATIONPERIODV可靠性 在力學(xué)性能方面，銅絲鍵和比起金絲鍵和更具穩(wěn)定性。銅絲焊點的抗拉強度與抗剪強度都大于同直徑的金絲焊點。 Cu/Al金屬間化合物生長速度遠低于Ag/Al，尤其是在高溫下，所以在交界層不會形成科肯德爾空洞，使銅絲鍵和的接頭強度高于金絲鍵和。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPER 銅絲焊球的退火后力學(xué)性能，抗剪強度會隨著退火時間增加而變大。 將銅絲與金絲在同一溫度下工作，經(jīng)受相同溫度范圍下的熱循環(huán)實驗。發(fā)現(xiàn)銅絲的熱疲勞壽命至少不低于金絲鍵和。 18TROUBLEPERIODI 隨著市場對高純度、耐高溫、超微細、超長度的鍵合絲需求迅速增長,使鍵合銅絲的

16、發(fā)展面臨機遇與挑戰(zhàn)。 目前鍵合銅絲生產(chǎn)與應(yīng)用仍然存在一些的突出問題有待進行深入的研究。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPER 1.超微細銅線的拉制 目前,特別是拉制線徑在l mil以下的超微細絲,對拉線的斷頭率、表面質(zhì)量和單軸長度(重量)都有較高的要求,同時為了提高生產(chǎn)率、擴大品種、增加技術(shù)經(jīng)濟效益,在線材的拉線速度和頭數(shù)的要求越來越高;為鍵合銅絲的制備提出更為苛刻的要求。目前,對于普通無氧銅來說,由于其存在大量晶界和鑄造缺陷,當(dāng)線徑達到0.025mm以下時,其內(nèi)部的雜質(zhì)、鑄造缺陷、晶界等會對裂紋變得非常敏感,使得超細微絲拉制非常困難。近年來,用低純度(3N)電解銅生產(chǎn)的單晶銅桿,雖然

17、具有致密的定向凝固組織,消除了橫向晶界,大大降低縮孔、氣孔等鑄造缺陷,結(jié)晶方向與拉絲方向相同,能承受更大的塑性變形能力,從理論上分析是拉制鍵合絲(線徑小于0.O25mm)的理想材料。19TROUBLEPERIODI 隨著市場對高純度、耐高溫、超微細、超長度的鍵合絲需求迅速增長,使鍵合銅絲的發(fā)展面臨機遇與挑戰(zhàn)。 目前鍵合銅絲生產(chǎn)與應(yīng)用仍然存在一些的突出問題有待進行深入的研究。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPER 但是對于低純度單晶銅桿進行超微細絲的拉制生產(chǎn)中,斷線率仍然非常高,造成單盤絲重量無法滿足要求,而且線材的成材率及其低下,致使浪費嚴重。因此需要對單晶銅線材的化學(xué)成分及斷線原因進

18、行認真分析,弄清楚材料的化學(xué)成分及拉拔工藝對拉制超微細絲的微觀影響,為實現(xiàn)高性能鍵合銅絲的順利產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供必要的理論依據(jù)。20TROUBLEPERIODII 隨著市場對高純度、耐高溫、超微細、超長度的鍵合絲需求迅速增長,使鍵合銅絲的發(fā)展面臨機遇與挑戰(zhàn)。 目前鍵合銅絲生產(chǎn)與應(yīng)用仍然存在一些的突出問題有待進行深入的研究。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPER 2.微細絲表面質(zhì)量 鍵合絲良好的表面質(zhì)量是高性能指標的必要條件,在生產(chǎn)中,控制鍵合銅線表面質(zhì)量和力學(xué)性能指標同樣重要。目前,在拉制過程中,出現(xiàn)表面質(zhì)量不合格的情況有:表面三角口、拉絲液及其他附著物、表面圓度不高、嚴重刮傷和劃痕等缺陷

19、。對于表面質(zhì)量不好的線材,在后續(xù)鍵合過程中,容易造成第一焊點成球不好和第二點有效焊接面積縮小等,使鍵合機械強度達不到工業(yè)生產(chǎn)的要求,會嚴重影響封裝器件的可靠性和穩(wěn)定性。21TROUBLEPERIODII 隨著市場對高純度、耐高溫、超微細、超長度的鍵合絲需求迅速增長,使鍵合銅絲的發(fā)展面臨機遇與挑戰(zhàn)。 目前鍵合銅絲生產(chǎn)與應(yīng)用仍然存在一些的突出問題有待進行深入的研究。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPER 引起鍵合絲表面質(zhì)量不好的原因可歸結(jié)為兩個方面,一方面是銅原材料的純度、熔煉設(shè)備的污染、鑄型的質(zhì)量和牽引機構(gòu)的擠壓等引起銅線坯料的缺陷:另一方面是拉絲過程中,有關(guān)設(shè)備、模具、潤滑、環(huán)境和人力

20、因素等直接造成銅線表面缺陷。該研究旨在通過綜合考慮上述多個因素,確定合理工藝參數(shù),解決了上述問題,生產(chǎn)出表面無缺陷、性能穩(wěn)定、能夠達到用戶所要求長度的高性能鍵合銅絲產(chǎn)品。22TROUBLEPERIODIII 隨著市場對高純度、耐高溫、超微細、超長度的鍵合絲需求迅速增長,使鍵合銅絲的發(fā)展面臨機遇與挑戰(zhàn)。 目前鍵合銅絲生產(chǎn)與應(yīng)用仍然存在一些的突出問題有待進行深入的研究。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPER 3.銅線的硬度 由于銅的硬度比金高,所以在焊接時往往需要更大的焊接壓力、更高的超聲功率,這樣在加工過程中容易對鋁焊盤下面的Si芯片造成損傷。這成為將銅絲球焊尤其是大直徑銅絲球焊用于工業(yè)

21、生產(chǎn)必須要解決的一個重要問題.23TROUBLEPERIODIII 隨著市場對高純度、耐高溫、超微細、超長度的鍵合絲需求迅速增長,使鍵合銅絲的發(fā)展面臨機遇與挑戰(zhàn)。 目前鍵合銅絲生產(chǎn)與應(yīng)用仍然存在一些的突出問題有待進行深入的研究。銅絲鍵和 WIRE BONDINGCOPPER 針對銅絲球焊對銅絲的硬度要求,人們開始尋找那些既軟又易于成型加工的銅絲,并做了不少比較和研究,比如提出了使用SNC。6NCu以及其他的一些經(jīng)過特殊處理的銅絲。美國的KuliC晚&Sofa公司己經(jīng)研制出適用于銅絲球焊的銅絲:DHF和1Cu兩個系列。前者適用于一些電源設(shè)備中的球焊和楔焊,后者可以應(yīng)用到一些高端IC的高密度封裝中。在對鍵合方式的改進方面,由于銅線的機械強度高,焊接所需的能量大。在焊接時一般采用較高的超聲波頻率(100一120kHz),以獲得高能量。這種方法會造成基板破壞。實驗采用輸入雙相垂直較低頻率的超聲波以獲得焊接能量,減少焊接時的破壞。24TROUBLEPERIODI