銅鍵合絲資料學習文獻綜述

1、銅鍵合絲摘要：簡要介紹了目前市場中使用的各種鍵合絲，通過與鍵合金絲的對比，重點描述了鍵合銅絲在各方面的優(yōu)勢，以及制備銅絲的基本過程和影響因素、銅絲的織構(gòu)等，并簡要介紹了國內(nèi)外關(guān)于鍵合銅絲的部分專利，最后對目前鍵合銅絲所面臨的一些困難作了總結(jié)，并指出了今后研究的方向。1 鍵合絲鍵合絲主要應用與晶體管、集成電路等半導體器件和微電子封裝的電極部位或芯片與外部引線的連接。雖然現(xiàn)在有不用鍵合絲的鍵合方法，但目前90%的ic的產(chǎn)品仍以鍵合絲來封裝。鍵合絲焊接點的電阻，在芯片和晶片中所占用的空間，焊接所需要的間隙，單位體積的導電率，鍵合絲的延展率，化學性能，抗腐蝕性能和冶金特性等特性必須滿足一定的要求才能得

2、到良好的鍵合特性。具體來說，用于鍵合的鍵合金屬絲應該具有如下特性：尺寸精度要高且 均勻、不彎曲；表面光潔，沒有沾污，沒有傷痕；具有規(guī)定的拉斷力和延伸率；焊接時焊點沒有波紋；球焊時熔球的正圓度要高1。元素周期表中過渡族金屬元素中，金銀銅鋁等四種金屬元素具有較高的導電性能，同時兼有上述性能，可以做為集成電路微電子封裝用的鍵合絲。表1列出了這四種金屬材料的基本性質(zhì)，包括電導、熱導、彈性模量等。表1 金銀銅鋁基本性質(zhì)比較。超大規(guī)模集成電路引線鍵合，使用最多的導電絲材料是金絲。鍵合金絲是指純度為99.99%，線徑為1850的高純金合金絲，通常采用球焊-楔焊方式鍵合，并常用于塑料樹脂封裝。鍵合金絲直徑一般

3、在2050之間，由于大部分使用在高速自動鍵合機上，最高速焊機每秒可完成710根鍵合線，因此要求金絲具有均勻穩(wěn)定的機械性能和良好的鍵合性能。為適應自動化規(guī)模生產(chǎn)，同時要求每軸絲的長度在300，500或1000m，國外的微細絲已達到2000m，甚至3000m。國內(nèi)主要的生產(chǎn)研制單位有4家：山東賀利氏招遠貴金屬材料有限公司，常熟特種電子材料廠，昆明貴金屬研究所，北京有色金屬與稀土應用研究所等，年供應金絲量約1800kg。在陶瓷外殼封裝的高可靠集成電路中, 多采用鋁絲(含有少量的硅或鎂)作為鍵合引線材料。因為鋁絲具有良好的導電導熱能力和抗蝕性，易于與集成電路芯片的鋁金屬化布線形成良好的鍵合, 并且很穩(wěn)

4、定, 也易于拉制成細絲, 且價格比金絲便宜得多。目前硅鋁絲主要有日本田中公司(新加坡)生產(chǎn)的硅鋁絲, 該公司生產(chǎn)的硅鋁絲基本能滿足應用。國產(chǎn)硅鋁絲的主要問題是硬度不一, 表面氧化層過厚等, 不能獲得高質(zhì)量的鍵合引線。由于工藝條件限制, 國內(nèi)目前尚無大批量生產(chǎn)的工廠。銅鍵合絲由于其高的電導率，優(yōu)良的力學性能和熱學性能，在很大程度上提高了芯片頻率和可靠性，適應了低成本、細間距、高引出端元器件封裝的發(fā)展，成為替代傳統(tǒng)鍵合絲的最佳材料。目前，只有日本、美國、瑞士等少數(shù)幾個國家能開發(fā)出銅鍵合絲產(chǎn)品，而我國對銅鍵合絲研究尚處在實驗研究階段。2在目前的集成電路封裝中，鍵合金絲占據(jù)著絕大部分，鍵合鋁絲也只占了

5、很少一部分。據(jù)一份2005年的統(tǒng)計顯示3，鋁線鍵合封裝只占總封裝的5%，而銅線鍵合封裝才占不到1%的份額。盡管銅線封裝占據(jù)著很少的市場份額，但是由于其低廉的封裝成本和優(yōu)良的封裝特性，現(xiàn)在對其的研究不斷增加，并取得一系列重要進展，有望在將來稱為市場的主流鍵合用絲。2 銅鍵合絲 2.1 銅鍵合絲的優(yōu)勢銅鍵合絲的成本引線鍵合中使用的各種規(guī)格的銅絲，其成本只有金絲的1/31/10。銅鍵合絲的力學性能鍵合絲的力學性能，即絲的破斷力和伸長率對引線鍵合的質(zhì)量起關(guān)鍵作用，具有較高破斷力和較好伸長率的絲更利于鍵合。高的破斷力能使絲抵抗一定的機械應力，好的伸長率使鍵合絲在打線鍵合時的成弧性好，一致性好，無塌絲現(xiàn)象

6、，從而提高半導體器件的可靠性。由表2可以看出，銅絲與同規(guī)格的金絲(99.99%)相比有優(yōu)良的力學性能4，它具有高的伸長率和破斷力，這樣在模壓和封閉過程中可以得到優(yōu)異的球頸強度和較高的弧線穩(wěn)定性。并且在滿足相同焊接強度的情況下，可采用更小直徑的銅絲來代替金絲，從而使引線鍵合的間距可以做得更小。此外，銅的楊氏模量比金大40%，這就使得其能更好的控制引線長度，減少下垂和變形。對于銅鍵合絲，絲材長度可超過200mil(1mil=0.0254mm)而直線度總偏差不足1.5mil，在長間距鍵合時比金絲更容易控制5。表2 鍵合銅絲與金絲的力學性質(zhì)比較。銅鍵合絲的電學性能封裝材料的電學性能直接決定了芯片的性能

7、指標，隨著芯片頻率不斷提高，對封裝中的導體材料的電性能提出了更高的要求。銅的電導率比金高出近40%，比鋁高出近2倍。在承受相同電流時，銅絲截面積比金絲小，這樣在微間距封裝中就可以采用更細的焊線，其微間距應用性能優(yōu)異(焊墊尺寸較小)，提高了功率調(diào)節(jié)器件的電流容量和性能。此外，銅絲的寄生電容比金絲小，由寄生電容引起的信號串擾也越小，信號在銅絲上傳輸?shù)乃俣缺仍诮鸾z上快，這對高速ic是非常有利的。因此，銅焊線更適用于多種高端、高速、微間距器件和引線數(shù)量更高、焊墊尺寸更小的元器件的封裝6。銅絲的熔斷電流和抗電遷移性能比金絲要高，用其替代金絲可進一步提高芯片可靠性。銅鍵合絲的熱學性能銅的熱學性能顯著優(yōu)于金

8、和鋁，因此能夠以更細的焊絲直徑達到更好的散熱性能及更高的額定功率。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計和工藝考慮的一個重要內(nèi)容。在常用封裝材料中，銅比金和鋁的傳熱性能都要好，被廣泛地用于電子元器件的生產(chǎn)制造中。在對散熱要求越來越高的高密度芯片封裝工藝中，選取銅線來代替金線和鋁線是非常有意義的。并且，銅的熱膨脹系數(shù)比鋁低，因而其焊點的熱應力也較低，大大提高了器件的可靠性。銅鍵合絲金屬間化合物生長速度慢銅絲與金絲焊點相比，銅線焊點中的金屬間化合物(intermetallic)生長速度顯著減小，這就降低了電阻增加量，減小了產(chǎn)熱，提高了器件的可靠性。瑞典larbiainouz,m

9、etallurgist等人研究了銅線作為互連材料在半導體封裝中的性能7。他們的研究表明，銅絲與金屬化層鍵合的匹配性及可靠性均相當于或優(yōu)于金絲和鋁絲。在鍵合過程中，影響焊接成型以及焊接可靠性的一個關(guān)鍵因素是焊絲與金屬化層之間的金屬間化合物(imc)的增長速率。鍵合時，焊絲與金屬化層的擴散速度越低，使得接觸電阻越低，金屬間化合物的增長速率就越低，產(chǎn)生的熱量就少，從而提高了鍵合強度，并最終提高了焊接可靠性和器件性能。圖1顯示了銅球和金球在鋁焊盤上的金屬化層滲透現(xiàn)象8。從圖中我們可以看出銅絲球焊的金屬間滲透明顯低于金絲球焊，這就使得電阻隨時間的增加量和老化速度同時得到減小，產(chǎn)熱量更小，封裝壽命更長，這

10、也就為大功率分立封裝帶來了超一流的可靠性。圖1 銅球和金球在鋁焊盤上的金屬化層滲透2.2 鍵合銅絲制備過程及影響因素單晶銅鍵合絲是利用單晶銅優(yōu)異的塑性加工性能加工而成的超細線材，可以作為生產(chǎn)集成電路、大型計算機以及電子儀器所需的高級原材料。由于單晶銅材料具有連續(xù)的柱狀晶組織，減少或消除了晶界，避免了鑄造過程的縮孔、縮松等缺陷，在很大程度上提高其可拉性，可滿足將其加工至直徑為0.03mm0.09mm甚至更細小規(guī)格的鍵合絲。單晶銅鍵合絲拉制過程中，從坯料到成品其工藝過程較復雜，主要有坯料、模具、潤滑、清洗和張力控制等幾個工藝過程。制備過程中，應注意如下因素的影響9：（1）坯料的組織不均，純度不高及

11、存在缺陷，直接影響鍵合絲性能。單晶銅具有均勻組織，高的純度且避免了缺陷，能夠保證銅鍵合絲性能。（2）模具定徑區(qū)的不圓整或存在缺陷，會造成鍵合絲表面起皮、劃傷，或造成鍵合絲表面嚴重污染等缺陷。（3）潤滑劑濃度為要適當，一般為0.4%-0.8%，潤滑劑的稀釋采用去離子水，超聲波清洗時其功率要合適，清洗液采用無水酒精代替純水。（4）單晶銅鍵合絲制備過程中，張力較大會造成鍵合絲的應力集中，張力過小導致放線不暢，熱處理過程中張力過大會造成鍵合絲的卷曲和扭轉(zhuǎn)。2.3 銅鍵合絲的組織與微織構(gòu)織構(gòu)的存在可能對絲球鍵合及楔形鍵合產(chǎn)生一定的影響。首先是不同晶體學方向上彈性模量的差異，如銅單晶的e100=91，e1

12、11=165，e110=137，不同取向單晶的應力應變曲線也顯示了很大的差異。銅絲中織構(gòu)為主時，絲的剛度大加工硬化率高，形變抗力大，鍵合時劈刀攜帶銅絲快速“沖擊”可能對硅芯片造成損傷。相反，取向晶粒形變抗力小，可能降低絲本身的強度，即降低拉拔強度。此外，不同晶體學方向?qū)崮芰Σ煌?，形成自由球時柱狀晶內(nèi)的織構(gòu)也可能不同。組織或形變不均勻性也會造成影響。鍵合后絲內(nèi)既有原始細晶組織，也有熱影響區(qū)粗晶組織，還有粗大柱狀晶，性能也不同。圖2 鍵合銅絲取向成像圖圖2為某原始銅絲橫截面上取向成像的結(jié)果。中心區(qū)和邊緣區(qū)為/拉拔軸的取向(黃色)，而兩區(qū)域之間為取向為主的晶粒(紅色)。圖2(b)為晶界類型分布?？?/p>

13、見紅色的孿晶界主要分布在取向晶粒附近。從取向差分布(圖2(c)可見，孿晶關(guān)系的比例并不高。可以看出，原始銅絲內(nèi)存在中心及邊緣的織構(gòu)和它們之間的強織構(gòu)，孿晶主要分布在取向晶粒區(qū)10。2.4 國內(nèi)外專利世界上較早取代金絲的鍵合銅絲的專利是yoshinaga yasuhiko; kurihara kenichi; mukoyama koichiro等人1986年發(fā)明的用于半導體器件的鍵合銅絲11。通過把微量的zr, nb, pd, ag, in, 和 sn等元素中的一種或兩種以上的元素與高純銅混合，得到了可以替代金絲的銅鍵合絲。其具體組分為5-50ppm zr, 5-50ppm nb, 10-100

14、ppm pd, 10-100ppm ag, 10-100ppm in, and 10-100ppm sn中的一種或兩種以上的元素，微量元素總量為5-150ppm，然后是重量分數(shù)為99.99%以上的高純銅。日本的sanki sadahiko等人通過添加很少量的特殊元素到高純銅中，得到了一種較為柔軟的，可以大大減少鍵合損害的鍵合銅絲12。其基本組成為：0.0002到0.002wt.%的稀土元素或zr元素，99.9999wt.%的高純銅。這種銅絲可以防止鍵合中si裂紋的形成，改善環(huán)紋特性和阻止球頸處晶粒的生長。寧波康強電子股份有限公司的房躍波，鄭志法，鄭康定等發(fā)明了一種鍵合銅絲及其制備方法13，其材

15、料配方重量百分比為：鈰0.00050.001，鋅或錫0.00030.0008，余量為銅，銅的純度99.996；鍵合銅絲的制備方法，它包括：用純度為99.99wt的銅電解提純出純度為99.999wt的銅；經(jīng)金屬單晶水平連鑄方法制作出純度為99.9999wt的單晶銅；制作中間合金；按材料配方將純度為 99.9999wt的單晶銅與中間合金經(jīng)金屬單晶水平連鑄方法制作出本鍵合銅絲的坯料；拉伸；退火；分卷；真空包裝。韓國的sung-joon won，oh min kwon，sung mun lee等人申請了一種半導體封裝用的鍵合銅絲專利14，專利中指出該鍵合絲由含量為99.999%的高純銅和含量在20wt

16、 ppm至100wt ppm之間的p或nb中的至少一種，以及含量在1wt ppm至100wt ppm之間的zr、sn、be、nd、sc、ga、fr和ra中的一種或幾種組成。添加元素的總量嚴格限制在20wt ppm至200wt ppm之間， 高純銅的含量大于或等于99.98%。這種鍵合銅絲可以防止鍵合過程中金屬擠壓、芯片縮孔等現(xiàn)象發(fā)生。最近日本的uno tomohiro等人發(fā)明了一種適合半導體鍵合用的銅合金絲15。這種銅合金絲有較低的成本，優(yōu)越的球結(jié)合形狀和線連接特性，以及好的環(huán)紋形成特性和優(yōu)越的生產(chǎn)率。合金絲的基本組分為：總量為10wt ppm至700wt ppm的mg和p中的至少一種，6wt

17、 ppm至30wt ppm范圍內(nèi)的o，余量為銅。3 結(jié)束語3.1 目前面臨的困難盡管銅絲與金絲相比有很大的優(yōu)越性，而且國內(nèi)外都有關(guān)于鍵合銅絲的專利產(chǎn)生，但是目前銅絲球焊所占引線鍵合的比例依然很少，主要是銅絲球焊技術(shù)面臨著一些困難：（1）銅具有極強的親氧性，容易被氧化，需要還原氣體保護，鍵合工藝不穩(wěn)定。（2）對環(huán)境有特殊需要，空氣中的氧氣和濕度以及鍵合時的溫度都會對銅線產(chǎn)生影響。（3）銅的硬度、屈服強度等物理參數(shù)高于金和鋁，鍵合時需要施加更大的超聲能量和鍵合壓力，這樣容易對硅芯片造成損傷甚至是破壞，所以對芯片鍵合區(qū)的鋁層厚度有一定的要求。（4）銅具有較強的親氧性，因此必須對銅焊線進行保護以延長其

18、保存期。為此各卷銅焊線均應采用吸塑包裝，并在塑料袋內(nèi)單獨密封，不可常時間與空氣接觸。（5）銅線在焊線過程中對efo電壓和電流有一定的要求，對劈刀也有特定要求，部分機器使用銅線后會降低uph值，容易產(chǎn)生斷線和對劈刀的堵塞。3.2 今后努力的方向針對以上的各種困難，應從以下幾個方面對鍵合銅絲開展研究工作：（1）優(yōu)化銅鍵合絲的微合金化成分配方及工藝；（2）開展定向凝固連續(xù)鑄造銅棒材工藝技術(shù)研究；（3）進行銅鍵合絲微細拉拔及熱處理工藝研究；（4）進行銅鍵合絲的加工、顯微組織及其性能的關(guān)系研究；（5）完成銅鍵合絲性能分析檢測技術(shù)和方法；（6）開展銅鍵合絲鍵合工藝及鍵合設備的研究。3.3 前景展望最初人們

19、開發(fā)銅鍵合線的動機主要是為了降低鍵合線的成本，而目前人們更加關(guān)注的是它的優(yōu)良特性。盡管銅作為鍵合線存在一定的不足之處，但是，正是因為它具有很多電學和機械等方面的優(yōu)勢，所以人們一直還在關(guān)注研究這種鍵合線，隨著高級ic封裝技術(shù)的發(fā)展，銅鍵合存在的問題將逐漸得到解決，銅作為鍵合線材料是將來電子封裝的必然趨勢。所以在今后的半導體封裝市場上，我們還會看到越來越多的銅鍵合器件。參考文獻：1 引線鍵合工藝與材料，錫焊料，2001年11月2 田春霞，電子封裝用導電絲材料及發(fā)展，稀有金屬，第27卷第6期，2003年11月3 han martin buschbeck, the future is copper.4

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