1、PAGE PAGE 13銅絲引線鍵合技術的發展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 集成電電路封裝裝 銅銅絲引線線鍵合 工藝藝 1.銅絲引引線鍵合合的研究究意義目前超過990%的的集成電電路的封封裝是采采用引線線鍵合技技術。引引線鍵合合（wiire bonndinng） 又

2、稱線線焊，即即用金屬屬細絲將將裸芯片片電極焊焊區與電電子封裝裝外殼的的輸入/輸出引引線或基基板上的的金屬布布線焊區區連接起起來。連連接過程程一般通通過加熱熱加壓超聲等等能量 借助鍵鍵合工具具（劈刀刀）實現現。按外外加能量量形式的的不同，引引線鍵合合可分為為熱壓鍵鍵合 超聲聲鍵合和和熱超聲聲鍵合。按按劈刀的的不同，可可分為楔楔形鍵合合（weedgee boondiing）和和球形鍵鍵合(bballl boondiing)。目前前金絲球球形熱超超聲鍵合合是最普普遍采用用的引線線鍵合技技術，其其鍵合過過程如圖圖1所示示。由于金絲價價格昂貴貴成本高高，并且且Au/Al金金屬學系系統易產產生有害害的金屬

3、屬間化合合物， 使鍵合合處產生生空腔，電電阻急劇劇增大，導導電性破破壞甚至至產生裂裂縫，嚴嚴重影響響接頭性性能。因因此人們們一直嘗嘗試使用用其它金金屬替代代金。由由于銅絲絲價格便便宜，成成本低， 具有較較高的導導電導熱熱性，并并且金屬屬間化合合物生長長速率低低于Auu/All，不易易形成有有害的金金屬間化化合物。近近年來，銅銅絲引線線鍵合日日益引起起人們的的興趣。但是，銅絲絲引線鍵鍵合技術術在近些些年才開開始用于于集成電電路的封封裝，與與金絲近近半個世世紀的應應用實踐踐相比還還很不成成熟，缺缺乏基礎礎研究工藝理理論和實實踐經驗驗。近年年來許 多學者者對這些些問題進進行了多多項研究究工作。論論文

4、將對對銅絲引引線鍵合合的研究究內容和和成果作作簡要的的介紹，并并從工藝藝設計和和接頭性性能評估估兩方面面探討銅銅絲引線線鍵合的的研究 內容和和發展方方向。圖1 金絲絲球形熱熱超聲鍵鍵和過程程2.銅絲引引線鍵合合的研究究現狀 2.1工藝藝研究2.1.11防止銅銅絲氧化化與金絲不同同的是，銅銅絲在空空氣中極極易氧化化在表面面形成一一層氧化化膜，而而氧化膜膜對銅球球的成形形與質量量有害，并并且還有有可能導導致接頭頭強度低低，甚至至虛焊（NNon-Stiick），因因此必須須采取措措施防止止銅絲氧氧化。KKaimmorii等嘗試試通過在在銅絲表表面鍍一一層抗氧氧化的金金屬來防防止銅絲絲氧化，他他們嘗試

5、試了AuuAgPdNi，發發現鍍的的銅絲能能形成較較好的銅銅球，并并且形成成的接頭頭力學性性能也強強于單純純的銅絲絲。但是是此方法法并未見見任何工工業應用用的報道道。目前前工業應應用中主主要是采采用保護護氣體來來防止銅銅絲氧化化，主要要有如圖圖2所示示的兩種種保護裝裝置。至至于保護護氣體，TTan等等Hanng等以以及Siinghh等都發發現使用用95%N2和和5%HH2混合合而成的的保護氣氣具有較較好的抗抗氧化效效果。圖2 兩種種常見的的銅絲防防氧化裝裝置示意意圖2.1.22工藝參參數由圖1的球球形熱超超聲鍵合合過程可可以知道道，鍵合合質量與與引線劈刀壓力能量和和基板等等因素有有關。影影響鍵

6、合合接頭性性能的主主要工藝藝參數如如圖3所所示。圖3 影響響鍵和性性能的主主要工藝藝參數研究各種工工藝參數數對引線線鍵合強強度性能能的影響響，有利利于鍵合合工藝的的設計和和工藝參參數的優優化。HHangg等發現現銅線的的端部距距離火花花放電的的電極越越近，火火花放電電后形成成的銅球球成形越越好。并并且Taan等和和Hanng等均均發現銅銅球的直直徑與火火花放電電的電流流和時間間之間存存在如式式（1）的的關系： （11）式中FABB（D）為為銅球的的直徑；I為火火花放電電電流強強度；tt為火花花放電時時間。可以通過調調節I和和t獲得得成形好好質量高高的銅球球。Haang等等通過一一系列試試驗得到

7、到了直徑徑為233m的銅銅絲鍵合合得到的的球形焊焊點的抗抗剪強度度隨超聲聲功率壓力 超聲聲頻率和和溫度變變化的曲曲線（圖圖4），為為工藝參參數的優優化提供供了一定定的基礎礎。圖4 抗剪剪強度隨隨超聲功功率壓力和和超聲頻頻率變化化的曲線線目前銅絲引引線鍵合合應用中中，多依依賴經驗驗來確定定工藝參參數，尚尚未得到到比較完完善的工工藝參數數范圍。2.2銅絲絲引線鍵鍵合的接接頭性能能評估引線鍵合的的接頭性性能主要要表現為為接頭強強度以及及熱疲勞勞壽命等等。Tooyozzawaa等 和和Khoouryy等的試試驗結果果均表明明，銅絲絲球形焊焊點抗拉拉強度與與抗剪強強度都強強于相同同 直徑徑的金絲絲焊點，

8、其其中抗剪剪強度的的優勢尤尤為明顯顯。Cuu/All金屬間間化合物物生長速速率低于于Au/Al，尤尤其是在在高溫下下（圖55），因因此在交交界層不不會形成成柯肯德德爾空洞洞（Kiirk-enddalll Vooid），使使銅絲鍵鍵合的接接頭性能能優于金金絲鍵合合。Hoong等等研究了了銅絲球球形焊點點退火后后的力學學性能，發發現接頭頭抗剪強強度隨著著退火時時間的增增加而變變大，認認為是由由于界面面金屬的的擴散而而導致。KKhouury等等做了一一系列銅銅絲接頭頭和金絲絲接頭在在相同溫溫度下工工作以及經經受相同同溫度范范圍的熱熱循環等等試驗，認認為銅絲絲鍵合的的熱疲勞勞壽命至至少不低低于金絲絲鍵

9、合。圖5 Cuu/All金屬間間化合物物生長速速率低于于Au/Al目前，對銅銅絲引線線鍵合的的接頭性性能的研研究主要要集中在在相同條條件下銅銅絲與金金絲鍵合合接頭性性能的對對比試驗驗研究方方面，缺缺乏詳盡盡的顯微微組織分分析和力力學性能能測試。2.3超聲聲波的機機理研究究熱超聲鍵合合中，超超聲是主主要的外外加能量量之一。目目前人們們對超聲聲的作用用機理做做了一些些研究，發發現在超超聲鍵合合中，超超聲至少少起到兩兩方面的的作用：超聲軟軟化和摩摩擦。2.3.11超聲軟軟化金屬在超聲聲激勵下下強度和和硬度減減小的現現象稱為為超聲軟軟化。LLanggeneeckeer把這這種現象象歸因于于超聲的的能力

10、，認認為位錯錯優先吸吸收聲能能，使位位錯從釘釘扎位置置開動，暫暫 時使使金屬軟軟化，增增加塑性性能力，允允許金屬屬在相對對較低的的壓力下下變形。目目前人們們對超聲聲軟化的的機理尚尚無定論論，而且且熱超聲聲鍵合中中超聲波波對金屬屬力學行行為影響響的定量量分析尚尚未見報報道。2.3.22摩擦Mayerr通過顯顯微傳感感器研究究金絲熱熱超聲鍵鍵合時發發現金球球與基板板接觸面面之間的的摩擦是是形成鍵鍵合的重重要條件件，并且且認為沒沒有摩擦擦就沒有有鍵合。LLum等等在研究究金絲鍵鍵合在銅銅基板上上所留下下的痕跡跡時，發發現許多多痕跡呈呈明顯的的環狀（圖圖6），正正好可以以用Miindllin的的彈性接

11、接觸理論論來解釋釋。在相相同的壓壓力下，隨隨著超聲聲功率的的增大， 圓環的的內徑減減小，直直至由微微摩擦（mmicrrosllip）變變為相對對滑動（ggrosss ssliddingg） （圖圖7）。根根據以上上研究，合合理的設設計壓力力和超聲聲波功率率，能夠夠得到良良好的鍵鍵合點。至至于銅絲絲鍵合中中超聲的的摩擦作作用如何何，是否否與金絲絲相似，目目前尚未未有報道道。圖6 環狀狀鍵和痕痕跡圖7 超聲聲功率增增加，鍵鍵合痕跡跡由微摩摩擦變為為相對滑滑動的示示意圖2.4實時時監測與與有限元元分析2.4.11實時監監測實時監測鍵鍵合過程程中的溫溫度應力應應變等參參數的變變化，根根據監測測到的數數

12、據實時時調節輸輸入參數數，對引引線鍵合合過程的的機理研研究以及及質量控控制均十十分有利利。Scchneeuwlly等提提出一種種熱電偶偶溫度測測量技術術，他們們在鍵合合點處通通過改進進的劈刀刀引入NNi線和和Au球球形成熱熱電偶來來在線測測量鍵合合過程溫溫度的瞬瞬時變化化，試驗驗設置及及操作過過程都比比較復雜雜，結果果離散性性較大。SSumaan等通通過在基基板中植植入一種種兼容的的鋁-硅硅熱電偶偶傳感器器實現了了實時監監測鍵合合過程的的溫度。MMayeer等開開發了新新型的原原位 監監測方法法，通過過在連接接處植入入集成傳傳感器，可可實現連連接過程程中溫度度和壓力力信號的的實時監監測（圖圖8

13、）。圖8 集成成傳感器器2.4.22有限元元分析目前，隨著著商業有有限元軟軟件的發發展，有有限元方方法越來來越多的的應用于于引線鍵鍵合的質質量評估估與分析析中。引引線鍵合合是一個個熱力耦耦合的過過程，并并且伴隨隨著超聲聲振動和和內部擴擴散，難難以模擬擬。為了了簡化，現現在大多多數模型型都采用用2維軸軸對稱結結構，并并且把超超聲簡化化為熱源源處理。ZZhanng等建建立了一一個3維維模型，并并且通過過改變接接觸面上上的摩擦擦系數來來嘗試模模擬超聲聲的摩擦擦作用。VViswwanaath等等也建立立了一個個3維模模型來模模擬熱超超聲引線線鍵合在在Cu/loww-k基基板上的的情形。到到目前為為止，

14、在在模型中中尚未考考慮超聲聲軟化效效果以及及內部擴擴散作用用，模型型還不夠夠完善。3.銅絲引引線鍵合合存在的的問題銅絲引線鍵鍵合與金金絲相比比具有價價格便宜宜成本低低導電導導熱性高高和接頭頭強度高高等一系系列優點點，然而而銅絲鍵鍵合也存存在一些些金絲鍵鍵合所不不易出現現的缺陷陷，主要要有基板板裂紋（UUndeerpaad CCracck）硅坑（SSiliiconn Crrateerinng，圖圖9）接頭強強度低（WWeakk Boond）和和虛焊（NNon-Stiick）等等。一般般認為由由于銅絲絲硬度高高于金絲絲，這意意味著銅銅絲鍵合合時需要要更高的的超聲功功率和更更大的壓壓力，這這樣比較較

15、容易對對硅基板板造成損損害，從從而導致致基板裂裂紋和硅硅坑缺陷陷的產生生，而如如果超聲聲功率和和壓力設設置偏小小，又會會導致接接頭強度度低甚至至導致虛虛焊。另另外，由由于同種種金屬焊焊接無金金相的差差異， 銅絲可可以直接接鍵合在在封裝外外殼的銅銅基上，因因此封裝裝外殼的的銅基上上不必像像金絲鍵鍵合那樣樣鍍銀，這這樣導致致銅基表表面氧化化，即使使采用保保護氣體體也不能能完全防防止，所所以第二二焊點往往往強度度較低，甚甚至虛焊焊。圖9 硅坑坑缺陷為了防止缺缺陷的產產生，人人們采取取了各種種措施。MMorii向純的的6N Cu中中加入一一種不影影響銅絲絲硬度的的成分，制制成一種種新的銅銅絲。試試驗表

16、明明這種新新銅絲能能夠解決決一些問問題，如如硅基板板的損壞壞問題，但但并未說說明所加加入是何何種成分分。Kaaimoori等等在銅絲絲表面鍍鍍Pd來來防止銅銅絲氧化化，并且且獲得質質量較好好的第二二焊點。TToyoozawwa等提提出了一一種壓力力兩級加加載技術術（圖110），試試驗表明明運用此此技術在在一定條條件下能能夠解決決基板裂裂紋和硅硅坑問題題。目前前工業應應用中，主主要運用用這種加加載技術術。但是是基板缺缺陷仍然然存在，人人們尚未未能夠解解決，這這些缺陷陷嚴重影影響了銅銅絲鍵合合的大規規模應用用。圖10 壓壓力加載載結論與展望望銅絲由于成成本低導電導導熱性好好接頭強強度高等等優點在在集成電電路封裝裝工業中中得到越越來越多多的應用用，銅絲絲引線鍵鍵合技術術的研究究發展迅迅速。在在防止銅銅絲氧化化，工藝