1、1铜丝引线键合2铜丝键合的意义铜丝键和的现状铜丝键和的困扰 INDEX3MEANINGPeriodI 目前，很大一部分集成电路的生产是依靠引线键和来完成的。 引线键和（wire bounding）是指使用细金属丝 将半导体芯片的电极焊区与电子封装外壳的I/O引线或基板上技术布线焊区连接起来的工艺技术。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPERBACKGROUND 焊接方式主要有热压焊、超声键和焊和金丝球焊。 原理是采用加热、加压和超声等方式破坏被焊表面的氧化层和污染，产生塑性变形，使得引线与被焊面亲密接触，达到原子间的引力范围并导致界面间原子扩散而形成焊合点。4MEANINGPeriodI
2、I 引线键和的金属丝主要是使用数十微米至数百微米的金（Au）丝、铝（Al）丝或硅铝（Si-Al）丝。其中，使用最广泛的是金丝。 金丝具有非常好的延展性，而且质地柔软。在引线键合工艺中，Au-Al键合具有非常高的可靠性铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPERAu wire 但是由于金丝昂贵、成本高，而且Au/Al金属学系统易产生有害的金属间化合物，使键合处产生空腔，电阻极急剧增大，导电性破坏甚至产生裂缝，严重影响接头性能。因此人们一直尝试寻找其他金属代替金。5MEANINGPeriodIII 与金丝相比，铜丝拥有一些更为优秀的特性，这使其拥有替代金作为新型键和材料的可行性。铜丝主要拥有以下
3、几个优点：成本低廉、机械性能优越、电阻低、导热好以及金属间化合物生长缓慢。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPERFEATURE OF COPPER 成本低廉键合工艺中使用的各种规格的铜丝，其成本一般只有金线的.在一些长引线的键合中这种价格优势是不言而喻的。在一些大功率的电子封装中，这种优势进一步扩大。较大的电流使得键合所使用的金属线直径也较大。这样就增加了材料的使用，价格与成本问题就更为突出。6MEANINGPeriodIII 与金丝相比，铜丝拥有一些更为优秀的特性，这使其拥有替代金作为新型键和材料的可行性。铜丝主要拥有以下几个优点：成本低廉、机械性能优越、电阻低、导热好以及金属间化合
4、物生长缓慢。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPERFEATURE OF COPPER 机械性能优越一般情况下,经过退火热处理的键合铜丝,无论是在室温下还是在高温环境里,所表现出来的抗拉强度和延伸率都接近或优于金丝。另外,由于铜的强度较大、刚性较好,在存储和运输过程中可以降低由于人为误操作而造成的对铜丝的损坏。这不仅会在一定程度上降低生产成本,对保证键合焊点质量具有重要意义。7MEANINGPeriodIII 与金丝相比，铜丝拥有一些更为优秀的特性，这使其拥有替代金作为新型键和材料的可行性。铜丝主要拥有以下几个优点：成本低廉、机械性能优越、电阻低、导热好以及金属间化合物生长缓慢。铜丝键和
5、 WIRE BONDINGCOPPERFEATURE OF COPPER 电阻低铜键合丝的高导电性(比金丝高约23%)使其在高品质器件中具有更广阔的应用前景,适用于高性能电气电路。在精细键合技术领域有助于提高功率器件性能和可靠性。对于相同直径的铜丝和金丝通过相同的电流,单位长度的铜丝将产生较少的热量,这对微电子封装具有重要的意义。此外,在承载电流一定的条件下,可以采用直径更小的铜丝。这为减小焊盘尺寸、间距,实现高密度封装提供了潜在可能性。8MEANINGPeriodIII 与金丝相比，铜丝拥有一些更为优秀的特性，这使其拥有替代金作为新型键和材料的可行性。铜丝主要拥有以下几个优点：成本低廉、机械
6、性能优越、电阻低、导热好以及金属间化合物生长缓慢。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPERFEATURE OF COPPER 导热好随着芯片密度的提高和体积的缩小,芯片制造过程中的散热是设计和工艺考虑的一个重要内容。采用铜材料做为键合丝,可以使封装体器件内的热量很快且更有效的散发出来,达到快速冷却的目的,应力被尽快释放。这一点是很重要的,因为产生的热量会促进导线内晶粒的生长,降低其机械性能。在成球的过程中,高导热性还有一个优点就是:影响键合丝机械性能的热影响区(HAZ)变得更短,因而保证更高的键合性能。而且,铜的热膨胀系数比铝低,因而其焊点的热应力也较低。因此,在对散热要求越来越高的高密
7、度芯片封装工艺中,选取铜丝来代替金丝和铝一硅丝是非常有意义的。9MEANINGPeriodIII 与金丝相比，铜丝拥有一些更为优秀的特性，这使其拥有替代金作为新型键和材料的可行性。铜丝主要拥有以下几个优点：成本低廉、机械性能优越、电阻低、导热好以及金属间化合物生长缓慢。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPERFEATURE OF COPPER 金属间化合物生长缓慢焊点处金属间化合物的生长情况不仅对能否产生牢固结合的焊点,而且对电子元器件的可靠性有着非常大的影响。对丝球焊点而言,一定程度的扩散和金属间化合物的生长对焊点能够满足特定的剪切、拉伸强度是有利的。但是,金属间化合物层的过度生长将对
8、焊点的机械性能、电性能、热性能均产生不良影响。有文献报道,影响Cu/Al，Au/A1焊点剪切强度的主要因素之一就是金属间化合物层的厚度,随着金属间化合物层厚度的增加,焊点的剪切强度随之近似成线性降低10MEANINGPeriodIII 与金丝相比，铜丝拥有一些更为优秀的特性，这使其拥有替代金作为新型键和材料的可行性。铜丝主要拥有以下几个优点：成本低廉、机械性能优越、电阻低、导热好以及金属间化合物生长缓慢。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPERSUMMARY 纵上分析可以看出铜丝球焊满足了降低生产成本的需求;由于铜材料极佳的电特性和热性能,它为减小焊盘尺寸、间距,实现器件小型化提供了可能
9、性;在芯片引线键合工艺中取代金丝和铝一l%硅丝可缩小焊接间距,提高芯片频率、散热性和可靠性的特性决定了其在替代金键合丝中铜在在需要长引线、超微细丝的高密度封装中,可以有效缓解工艺难度、避免丝摆、坍塌等现象,提高产品质量;在一些大功率器件、电源器件的封装中,所需的丝的直径较大,使用铜可以有效缓解材料成本问题。11PRESENT SITUATIONPERIODI概要 关于铜丝键和的理论已经进行了超过20年，但是它实际投入实际生产却是近几年的事情。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPER 铜丝键和也有着许多切实的问题与缺点。目前关于铜丝键和工艺仍有着大量研究，使其能满足目前的主要需求。在氧化层
10、的处理、熔球以及焊盘的工艺参数、可靠性等方面的工艺要求也在日益完善。键合丝材料质量的好坏直接影响焊接质量,从而对器件的可靠性和稳定性产生很大影响。理想的引线材料应具备以下特点:(l)能与半导体材料形成低电阻欧姆接触,与电流方向无关;(2)化学性能稳定,不会形成有害的金属间化合物;(3)与半导体材料结合力强;(4)可塑性好,容易实现键合;(5)弹性好,在键合过程中能保持一定的几何形状。键合丝的表面应达到下列要求:(1)键合丝表面应清洁,无指痕、油污,无拉伸润滑痕迹、颗粒附加物和其它粘污。(2)键合丝表面应无超过键合丝直径5%的刻痕、凹坑、划痕、裂纹、凸起和其他降低器件使用寿命的缺陷。(3)键合丝
11、由轴上放开时应无明显卷曲,键合丝的轻微卷曲应不降低其实用性能。(4)键合丝应无轴向扭曲。12PRESENT SITUATIONPERIODII键和条件 铜丝相较于金丝更易被氧化，所以其键和条件也与普通的金丝键合有区别。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPER 由于铜丝和金丝的物理性能，如延展性，硬度，活泼性等都有不同。在键合过程中施加的压力、温度、气体条件也有着区别。 因为铜的硬度大于常用的金和铝，所以在键合时压力必须合理控制以防止因为压力过大而破坏焊盘，形成弹坑。 铜的熔点比金要高，所以在温度上也会有所不同。同时为了防止过高的温度造成氧化，在通入保护气的同时必须将温度控制在一定范围内。
12、 为了防止铜丝的氧化，必须采用特制的防氧化装置通入保护气。保护气的选择大多采用了95%N2和5%H2的搭配，这样的抗氧化性能比较好。13PRESENT SITUATIONPERIODIIIBALL 铜丝键和的第一步骤就是烧球。烧球的好坏与否，会直接影响到后续各步骤的质量，甚至关乎整个IC制造的成败。 球的质量由很多因素共同影响，如焊头的形状大小等参数，混合气的使用、电流等。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPER 不同的电流对于球的影响主要体现在其硬度的影响上，电流越大，球就越坚硬而更容易从焊盘上脱落。 这与铜丝自身的材料性能也有联系 。纯的铜丝相较于Cu-Pd丝更牢固，不容易产生脱落而
13、造成损伤14 铜丝键和的成球大小受到电流以及混合气体成份、浓度、流速的影响，同时也与丝自身的成分、点火的时间有关。 下列图表很详细的反映出了这些因素对FAB的影响PRESENT SITUATIONPERIODIIIBALL铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPER 15PRESENT SITUATIONPERIODIVBONDING 在铜丝FAB结束之后，紧接着的是与焊盘的键合过程，这是最容易产生失效问题的一个步骤，对于焊盘材料、大小、厚度等的选择，以及对焊接的工艺都有着很高的要求。 烧球的质量也会对BONDING的效果产生影响，如图。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPER 16P
14、RESENT SITUATIONPERIODIVBONDING PAD 铜丝键和与其他键和对于BONDINGPAD的设计也会有所差异，在焊盘的构造、大小、厚度方面的参数要求会有很大不同。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPER 铜丝与焊盘间IMC的形成比起其他的材料来说相对较薄，而且生长的速度会慢很多。比起Au要慢上一个数量级之多。17PRESENT SITUATIONPERIODV可靠性 目前，铜丝键和的可靠性要低于金丝以及铝丝等传统材料。铜丝比较容易氧化，而且其硬度不利于焊接，容易产生弹坑损伤焊盘。这对于工艺的要求十分之高。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPER 18PRES
15、ENT SITUATIONPERIODV可靠性 在力学性能方面，铜丝键和比起金丝键和更具稳定性。铜丝焊点的抗拉强度与抗剪强度都大于同直径的金丝焊点。 Cu/Al金属间化合物生长速度远低于Ag/Al，尤其是在高温下，所以在交界层不会形成科肯德尔空洞，使铜丝键和的接头强度高于金丝键和。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPER 铜丝焊球的退火后力学性能，抗剪强度会随着退火时间增加而变大。 将铜丝与金丝在同一温度下工作，经受相同温度范围下的热循环实验。发现铜丝的热疲劳寿命至少不低于金丝键和。 19TROUBLEPERIODI 随着市场对高纯度、耐高温、超微细、超长度的键合丝需求迅速增长,使键合铜
16、丝的发展面临机遇与挑战。 目前键合铜丝生产与应用仍然存在一些的突出问题有待进行深入的研究。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPER 1.超微细铜线的拉制 目前,特别是拉制线径在l mil以下的超微细丝,对拉线的断头率、表面质量和单轴长度(重量)都有较高的要求,同时为了提高生产率、扩大品种、增加技术经济效益,在线材的拉线速度和头数的要求越来越高;为键合铜丝的制备提出更为苛刻的要求。目前,对于普通无氧铜来说,由于其存在大量晶界和铸造缺陷,当线径达到0.025mm以下时,其内部的杂质、铸造缺陷、晶界等会对裂纹变得非常敏感,使得超细微丝拉制非常困难。近年来,用低纯度(3N)电解铜生产的单晶铜杆,
17、虽然具有致密的定向凝固组织,消除了横向晶界,大大降低缩孔、气孔等铸造缺陷,结晶方向与拉丝方向相同,能承受更大的塑性变形能力,从理论上分析是拉制键合丝(线径小于0.O25mm)的理想材料。20TROUBLEPERIODI 随着市场对高纯度、耐高温、超微细、超长度的键合丝需求迅速增长,使键合铜丝的发展面临机遇与挑战。 目前键合铜丝生产与应用仍然存在一些的突出问题有待进行深入的研究。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPER 但是对于低纯度单晶铜杆进行超微细丝的拉制生产中,断线率仍然非常高,造成单盘丝重量无法满足要求,而且线材的成材率及其低下,致使浪费严重。因此需要对单晶铜线材的化学成分及断线原
18、因进行认真分析,弄清楚材料的化学成分及拉拔工艺对拉制超微细丝的微观影响,为实现高性能键合铜丝的顺利产业化生产提供必要的理论依据。21TROUBLEPERIODII 随着市场对高纯度、耐高温、超微细、超长度的键合丝需求迅速增长,使键合铜丝的发展面临机遇与挑战。 目前键合铜丝生产与应用仍然存在一些的突出问题有待进行深入的研究。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPER 2.微细丝表面质量 键合丝良好的表面质量是高性能指标的必要条件,在生产中,控制键合铜线表面质量和力学性能指标同样重要。目前,在拉制过程中,出现表面质量不合格的情况有:表面三角口、拉丝液及其他附着物、表面圆度不高、严重刮伤和划痕等
19、缺陷。对于表面质量不好的线材,在后续键合过程中,容易造成第一焊点成球不好和第二点有效焊接面积缩小等,使键合机械强度达不到工业生产的要求,会严重影响封装器件的可靠性和稳定性。22TROUBLEPERIODII 随着市场对高纯度、耐高温、超微细、超长度的键合丝需求迅速增长,使键合铜丝的发展面临机遇与挑战。 目前键合铜丝生产与应用仍然存在一些的突出问题有待进行深入的研究。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPER 引起键合丝表面质量不好的原因可归结为两个方面,一方面是铜原材料的纯度、熔炼设备的污染、铸型的质量和牵引机构的挤压等引起铜线坯料的缺陷:另一方面是拉丝过程中,有关设备、模具、润滑、环境和
20、人力因素等直接造成铜线表面缺陷。该研究旨在通过综合考虑上述多个因素,确定合理工艺参数,解决了上述问题,生产出表面无缺陷、性能稳定、能够达到用户所要求长度的高性能键合铜丝产品。23TROUBLEPERIODIII 随着市场对高纯度、耐高温、超微细、超长度的键合丝需求迅速增长,使键合铜丝的发展面临机遇与挑战。 目前键合铜丝生产与应用仍然存在一些的突出问题有待进行深入的研究。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPER 3.铜线的硬度 由于铜的硬度比金高,所以在焊接时往往需要更大的焊接压力、更高的超声功率,这样在加工过程中容易对铝焊盘下面的Si芯片造成损伤。这成为将铜丝球焊尤其是大直径铜丝球焊用于
21、工业生产必须要解决的一个重要问题.24TROUBLEPERIODIII 随着市场对高纯度、耐高温、超微细、超长度的键合丝需求迅速增长,使键合铜丝的发展面临机遇与挑战。 目前键合铜丝生产与应用仍然存在一些的突出问题有待进行深入的研究。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPER 针对铜丝球焊对铜丝的硬度要求,人们开始寻找那些既软又易于成型加工的铜丝,并做了不少比较和研究,比如提出了使用SNC。6NCu以及其他的一些经过特殊处理的铜丝。美国的KuliC晚&Sofa公司己经研制出适用于铜丝球焊的铜丝:DHF和1Cu两个系列。前者适用于一些电源设备中的球焊和楔焊,后者可以应用到一些高端IC的高密度封
22、装中。在对键合方式的改进方面,由于铜线的机械强度高,焊接所需的能量大。在焊接时一般采用较高的超声波频率(100一120kHz),以获得高能量。这种方法会造成基板破坏。实验采用输入双相垂直较低频率的超声波以获得焊接能量,减少焊接时的破坏。25TROUBLEPERIODIV 随着市场对高纯度、耐高温、超微细、超长度的键合丝需求迅速增长,使键合铜丝的发展面临机遇与挑战。 目前键合铜丝生产与应用仍然存在一些的突出问题有待进行深入的研究。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPER 4.铜线键合时的氧化 铜表面在室温下就很容易被氧化,其氧化物的粘结性能很差,几乎不能和铝等金属粘结。更为重要的是这层氧化
23、物层的性质和铜的性质相似,在丝球焊过程中不容易被破碎、去除,往往导致丝球焊过程无法进行。因此如何防止铜在键合过程中被氧化,是铜丝球焊技术面临的一个难题。26TROUBLEPERIODIV 随着市场对高纯度、耐高温、超微细、超长度的键合丝需求迅速增长,使键合铜丝的发展面临机遇与挑战。 目前键合铜丝生产与应用仍然存在一些的突出问题有待进行深入的研究。铜丝键和 WIRE BONDINGCOPPER 铜的氧化有两种情况:一种是在室温下由于其外表面长期与空气接触而产生的氧化现象,成份为Cu2O,其反:4Cu+02=2Cu2O;另一种是在焊接加工过程中高温作用下铜与氧气发生的反应,其成份为CuO反应式为:2Cu+O2=2CuO。铜线在焊接过程中存在这两种氧化物,正是它们影响了铜线的焊接性能。同时会给电子元器件的可靠性带来很大影响。在Cu一AI结合界面处出现的铜的氧化物可能使键合处出现裂缝,削弱了Cu一A1的结合强度,进一步发展可能会使焊点失效。因而,尽管保护气体的使用会在一定程度上增加生产成本,在采用铜引线键合时仍然必须使用还原性气体(N2/H2、Ar/H2)进行保护,键合后的器件如果有可能也尽量采用气密性封装。27THANK YOUFor Your Potential Watching
