銅絲引線鍵合技術(shù)的發(fā)展

1、銅絲引線鍵合技術(shù)的發(fā)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(guī)模 應(yīng) 用。論文從鍵合工藝、接頭強(qiáng)度評(píng)估、鍵合機(jī)理以及最新的研究手段等方面簡(jiǎn)述了 近年來(lái)銅絲引線鍵合技術(shù)的發(fā)展情況，討論了現(xiàn)有研究的成果和不足，指出了未來(lái) 銅絲引線鍵合技術(shù)的研究發(fā)展方向，對(duì)銅絲在集成電路封裝中的大規(guī)模應(yīng)用以及半 導(dǎo)體集成電路工業(yè)在國(guó)內(nèi)高水平和快速發(fā)展具有重要的意義。關(guān)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(guò)90%的集成電路的封裝是采用引線鍵合技術(shù)。弓I線鍵合(wire bon di ng)又稱線焊，即用金屬細(xì)絲將裸芯片電極焊區(qū)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(qū)連接起來(lái)。連接過(guò)程一般通過(guò)加熱、加壓、超 聲 等能量 借助鍵合工具(劈刀)實(shí)現(xiàn)。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(shù)， 其鍵合過(guò)程如圖1所示。由于金絲價(jià)格昂貴、成本高，并且Au/AI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，電阻急劇增大，導(dǎo)電性破壞甚至產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)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(jià)格便宜，成本低，具有 較高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，并且金屬間化合物生長(zhǎng)速率

3、低于Au/AI,不易形成有害的金屬間化合物。近年來(lái)，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(shù)在近些年才開(kāi)始用于集成電路的封裝，與金絲近半個(gè)世紀(jì)的應(yīng)用實(shí)踐相比還很不成熟，缺乏基礎(chǔ)研究、工藝?yán)碚摵蛯?shí)踐經(jīng)驗(yàn)。近年 來(lái)許多學(xué)者對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了多項(xiàng)研究工作。論文將對(duì)銅絲引線鍵合的研究?jī)?nèi)容和 成果作簡(jiǎn)要的介紹，并從工藝設(shè)計(jì)和接頭性能評(píng)估兩方面探討銅絲引線鍵合的研究 內(nèi)容和發(fā)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(guò)程2銅絲引線鍵合的研究現(xiàn)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(duì)銅球的成形與質(zhì)量有害，并且還有可能導(dǎo)致接頭強(qiáng)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(guò)在銅絲表面鍍一層抗氧化的 金屬來(lái)防止銅絲氧化，他們嘗試了 Au、Ag、Pd、Ni,發(fā)現(xiàn)鍍的銅絲能形成較 好的 銅球，并且形成的接頭力學(xué)性能也強(qiáng)于單純的銅絲。但是此方法并未見(jiàn)任何 工業(yè)應(yīng) 用的報(bào)道。目前工業(yè)應(yīng)用中主要是采用保護(hù)氣體來(lái)防止銅絲氧化，主要有如圖2所示的兩種保護(hù)裝置。至于保護(hù)氣體，Tan等、Hang等以及Singh等都發(fā)現(xiàn) 使用95%N2和5%H2混合而成的保護(hù)氣具有較好的抗氧化效果。圖2兩種常見(jiàn)的銅絲防氧化裝置示意圖2.

5、 1.2 1藝參數(shù)由圖1的球形熱超聲鍵合過(guò)程可以知道，鍵合質(zhì)量與引線、劈刀、壓力、能量 和基板等因素有關(guān)。影響鍵合接頭性能的主要工藝參數(shù)如圖3所示。吐無(wú)憶見(jiàn)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(shù)研究各種工藝參數(shù)對(duì)引線鍵合強(qiáng)度性能的影響，有利于鍵合工藝的設(shè)計(jì)和工藝 參數(shù)的優(yōu)化。Ha ng等發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)銅球的直徑與火花放電的電流和時(shí)間 之間存在如式（1）的關(guān)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(qiáng)度；t為火

6、花放電時(shí)間。可以通過(guò)調(diào)節(jié)I和t獲得成形好、質(zhì)量高的銅球。Hang等通過(guò)一系列試驗(yàn)得至IJ 了直徑為23呵的銅絲鍵合得到的球形焊點(diǎn)的抗剪強(qiáng)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(shù)的優(yōu)化提供了一定的基礎(chǔ)。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(qiáng)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(yīng)用中，多依賴經(jīng)驗(yàn)

7、來(lái)確定工藝參數(shù)，尚未得到比較完善的 工藝參數(shù)范圍。22銅絲引線鍵合的接頭性能評(píng)估引線鍵合的接頭性能主要表現(xiàn)為接頭強(qiáng)度以及熱疲勞壽命等。Toyozawa.等和Khoury等的試驗(yàn)結(jié)果均表明，銅絲球形焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度都強(qiáng)于相同直徑 的金絲焊點(diǎn)，其中抗剪強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)尤為明顯。Cu/AI金屬間化合物生長(zhǎng)速率低于Au/AI,尤其是在高溫下(圖5),因此在交界層不會(huì)形成柯肯德?tīng)柨斩?Kirk-endall Void),使銅絲鍵合的接頭性能優(yōu)于金絲鍵合。Hong等研究了銅 絲球形焊點(diǎn)退火后的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)接頭抗剪強(qiáng)度隨著退火時(shí)間的增加而變大，認(rèn)為是由于界面金屬的擴(kuò)散而導(dǎo)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(jīng)受相同溫度范圍的熱循環(huán)等試驗(yàn)，認(rèn)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(zhǎng)速 率低于Au/AI如40麗20101U AlUlt F/X(L札茁況目前，對(duì)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(duì)比 試驗(yàn)研究方面，缺乏詳盡 的顯微組織分析和力學(xué)性 能測(cè)試。23超聲波的機(jī)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(duì)超聲的作用機(jī)理做T 一些研究，發(fā)現(xiàn)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(lì)下強(qiáng)度和硬度減小的現(xiàn)象稱為超聲軟化。 Langen ecker把這 種現(xiàn)象歸因于超聲的能力，認(rèn)為位錯(cuò)優(yōu)先吸收聲能，使位錯(cuò)從釘扎位置開(kāi)動(dòng)，暫時(shí) 使金屬軟化，增加塑性能力，允許金屬在相對(duì)較低的壓力下變形。目前人們對(duì)超聲軟化的機(jī)理尚無(wú)定論，而且熱超聲鍵合中超聲波對(duì)金屬力學(xué)行為影響的定量分 析尚未見(jiàn)報(bào)道。2. 3. 2摩擦Mayer通過(guò)顯微傳感器研究金絲熱超聲鍵合時(shí)發(fā)現(xiàn)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(rèn)為沒(méi)有摩擦就沒(méi)有鍵合。Lum等在研究金絲鍵合在銅基板上所留下的痕跡時(shí)，發(fā)現(xiàn)許多痕跡呈明顯的環(huán)狀（圖 6）,正 好可以用Mindlin的彈性接觸理論來(lái)解釋。在相同的壓力

10、下，隨著超聲功率的增 大，圓環(huán)的內(nèi)徑減小，直至由微摩擦（microslip）變?yōu)橄鄬?duì)滑動(dòng)（gross sliding）（圖7）。根據(jù)以上研究，合理的設(shè)計(jì)壓力和超聲波功率，能夠得到良好目前尚未有報(bào)的鍵合點(diǎn)。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(huán)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?yōu)橄鄬?duì)滑動(dòng)的示意圖2. 4實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與有限元分析2. 4. 1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍵合過(guò)程中的溫度、應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)的變化，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí) 時(shí)調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù)，對(duì)引線鍵合過(guò)程的機(jī)理研究以及質(zhì)量控制均十分有利。Sohn euwly等提出一種熱電偶溫度測(cè)量技術(shù)，他們?cè)阪I合點(diǎn)處

11、通過(guò)改進(jìn)的劈刀引入 Ni線和Au球形成熱電偶來(lái)在線測(cè)量鍵合過(guò)程溫度的瞬時(shí)變化，試驗(yàn)設(shè)置及操作過(guò) 程都比較復(fù)雜，結(jié)果離散性較大。Suman等通過(guò)在基板中植入一種兼容的鋁-硅熱電 偶傳感器實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍵合過(guò)程的溫度。Mayer等開(kāi)發(fā)了新型的原位監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)在連接處植入集成傳感器，可實(shí)現(xiàn)連接過(guò)程中溫度和壓力信 號(hào)的 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（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(yè)有限元軟件的發(fā)展，有限元方法越來(lái)越多的應(yīng)用于引線鍵合的 質(zhì)量評(píng)估與分析中。引線鍵合是一個(gè)熱力耦合的過(guò)程，并且伴隨著超聲振動(dòng)和內(nèi)部 擴(kuò)散，難以模擬。為了簡(jiǎn)化，現(xiàn)在大多數(shù)模型都采用2維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并且把超

12、聲簡(jiǎn)化為熱源處理。Zhang等建立了一個(gè)3維模型，并且通過(guò)改變接觸面上 的 摩擦系數(shù)來(lái)嘗試模擬超聲的摩擦作用。Viswanath等也建立了一個(gè)3維模型來(lái) 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(nèi)部擴(kuò)散作用，模型還不夠完善。3銅絲引線鍵合存在的問(wèn)題銅絲引線鍵合與金絲相比具有價(jià)格便宜、成本低、導(dǎo)電導(dǎo)熱性高和接頭強(qiáng)度高 等一系列優(yōu)點(diǎn)，然而銅絲鍵合也存在一些金絲鍵合所不易出現(xiàn)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(qiáng)度低 (Weak Bo nd)和虛焊(Non-Sti

13、ck )等。一般認(rèn)為由于銅絲硬度高于金絲，這意 味 著銅絲鍵合時(shí)需要更高的超聲功率和更大的壓力，這樣比較容易對(duì)硅基板造成損 害，從而導(dǎo)致基板裂紋和硅坑缺陷的產(chǎn)生，而如果超聲功率和壓力設(shè)置偏小，又會(huì) 導(dǎo)致接頭強(qiáng)度低甚至導(dǎo)致虛焊。另外，由于同種金屬焊接無(wú)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(dǎo)致銅基表面氧化，即使采用保護(hù)氣體也不能完全防止，所以第 焊點(diǎn)往往強(qiáng)度較低，甚至虛焊。圖9硅坑缺陷為了防止缺陷的產(chǎn)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(yàn)表明這種新銅絲能夠解決一些 問(wèn)題，如硅基板的損壞問(wèn)題，但并未說(shuō)明所加入是何種成分。Kaimori等在銅絲表面鍍Pd來(lái)防止銅絲氧化，并且獲得質(zhì)量較好的第二焊點(diǎn)。Toyozawa等提出了 一種壓力兩級(jí)加載技術(shù)（圖10）,試驗(yàn)表明運(yùn)用此技術(shù)在一定條件下能夠解決基板 裂紋和硅坑問(wèn)題。目前工業(yè)應(yīng)用中，主要運(yùn)用這種加載技術(shù)。但是基板缺陷 仍然存 在，人們尚未能夠解決，這些缺陷嚴(yán)重影響了銅絲鍵合的大規(guī)模應(yīng)用。結(jié)論與展望銅絲由于成本低、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、接頭強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)在集成電路封裝工業(yè)中得 到越來(lái)越多的應(yīng)用，銅絲引線鍵合技術(shù)的研