銅線鍵合的資料

銅線鍵合的資料第1頁(yè)/共28頁(yè)·銅絲鍵合的意義·銅絲鍵和的現(xiàn)狀·銅絲鍵和的困擾INDEX第2頁(yè)/共28頁(yè)MEANINGPeriodI目前，很大一部分集成電路的生產(chǎn)是依靠引線鍵和來(lái)完成的。引線鍵和（wirebounding）是指使用細(xì)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(lái)的工藝技術(shù)。銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPERBACKGROUND

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(dá)到原子間的引力范圍并導(dǎo)致界面間原子擴(kuò)散而形成焊合點(diǎn)。第3頁(yè)/共28頁(yè)MEANINGPeriodII

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WIREBONDINGCOPPERAuwire

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(yán)重影響接頭性能。因此人們一直嘗試尋找其他金屬代替金。第4頁(yè)/共28頁(yè)MEANINGPeriodIII

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(gè)優(yōu)點(diǎn)：成本低廉、機(jī)械性能優(yōu)越、電阻低、導(dǎo)熱好以及金屬間化合物生長(zhǎng)緩慢。銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPERFEATUREOF

COPPER

①．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１／３－１／１０.在一些長(zhǎng)引線的鍵合中這種價(jià)格優(yōu)勢(shì)是不言而喻的。

在一些大功率的電子封裝中，這種優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)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(jià)格與成本問(wèn)題就更為突出。

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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(gè)優(yōu)點(diǎn)：成本低廉、機(jī)械性能優(yōu)越、電阻低、導(dǎo)熱好以及金屬間化合物生長(zhǎng)緩慢。銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPERFEATUREOF

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②．機(jī)械性能優(yōu)越一般情況下,經(jīng)過(guò)退火熱處理的鍵合銅絲,無(wú)論是在室溫下還是在高溫環(huán)境里,所表現(xiàn)出來(lái)的抗拉強(qiáng)度和延伸率都接近或優(yōu)于金絲。

另外,由于銅的強(qiáng)度較大、剛性較好,在存儲(chǔ)和運(yùn)輸過(guò)程中可以降低由于人為誤操作而造成的對(duì)銅絲的損壞。這不僅會(huì)在一定程度上降低生產(chǎn)成本,對(duì)保證鍵合焊點(diǎn)質(zhì)量具有重要意義。

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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(gè)優(yōu)點(diǎn)：成本低廉、機(jī)械性能優(yōu)越、電阻低、導(dǎo)熱好以及金屬間化合物生長(zhǎng)緩慢。銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPERFEATUREOF

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③．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(xì)鍵合技術(shù)領(lǐng)域有助于提高功率器件性能和可靠性。

對(duì)于相同直徑的銅絲和金絲通過(guò)相同的電流,單位長(zhǎng)度的銅絲將產(chǎn)生較少的熱量,這對(duì)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(shí)現(xiàn)高密度封裝提供了潛在可能性。

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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(gè)優(yōu)點(diǎn)：成本低廉、機(jī)械性能優(yōu)越、電阻低、導(dǎo)熱好以及金屬間化合物生長(zhǎng)緩慢。銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPERFEATUREOF

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④．導(dǎo)熱好

隨著芯片密度的提高和體積的縮小,芯片制造過(guò)程中的散熱是設(shè)計(jì)和工藝考慮的一個(gè)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(lái),達(dá)到快速冷卻的目的,應(yīng)力被盡快釋放。這一點(diǎn)是很重要的,因?yàn)楫a(chǎn)生的熱量會(huì)促進(jìn)導(dǎo)線內(nèi)晶粒的生長(zhǎng),降低其機(jī)械性能。

在成球的過(guò)程中,高導(dǎo)熱性還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是:影響鍵合絲機(jī)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(diǎn)的熱應(yīng)力也較低。因此,在對(duì)散熱要求越來(lái)越高的高密度芯片封裝工藝中,選取銅絲來(lái)代替金絲和鋁一硅絲是非常有意義的。

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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(gè)優(yōu)點(diǎn)：成本低廉、機(jī)械性能優(yōu)越、電阻低、導(dǎo)熱好以及金屬間化合物生長(zhǎng)緩慢。銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPERFEATUREOF

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⑤．金屬間化合物生長(zhǎng)緩慢焊點(diǎn)處金屬間化合物的生長(zhǎng)情況不僅對(duì)能否產(chǎn)生牢固結(jié)合的焊點(diǎn),而且對(duì)電子元器件的可靠性有著非常大的影響。對(duì)絲球焊點(diǎn)而言,一定程度的擴(kuò)散和金屬間化合物的生長(zhǎng)對(duì)焊點(diǎn)能夠滿足特定的剪切、拉伸強(qiáng)度是有利的。但是,金屬間化合物層的過(guò)度生長(zhǎng)將對(duì)焊點(diǎn)的機(jī)械性能、電性能、熱性能均產(chǎn)生不良影響。

有文獻(xiàn)報(bào)道,影響Cu/Al，Au/A1焊點(diǎn)剪切強(qiáng)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(diǎn)的剪切強(qiáng)度隨之近似成線性降低

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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(gè)優(yōu)點(diǎn)：成本低廉、機(jī)械性能優(yōu)越、電阻低、導(dǎo)熱好以及金屬間化合物生長(zhǎng)緩慢。銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPERSUMMARY

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(shí)現(xiàn)器件小型化提供了可能性;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(zhǎng)引線、超微細(xì)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(wèn)題。第10頁(yè)/共28頁(yè)P(yáng)RESENTSITUATIONPERIODI概要關(guān)于銅絲鍵和的理論已經(jīng)進(jìn)行了超過(guò)20年，但是它實(shí)際投入實(shí)際生產(chǎn)卻是近幾年的事情。

銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPER

銅絲鍵和也有著許多切實(shí)的問(wèn)題與缺點(diǎn)。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(duì)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(diǎn):(l)能與半導(dǎo)體材料形成低電阻歐姆接觸,與電流方向無(wú)關(guān);(2)化學(xué)性能穩(wěn)定,不會(huì)形成有害的金屬間化合物;(3)與半導(dǎo)體材料結(jié)合力強(qiáng);(4)可塑性好,容易實(shí)現(xiàn)鍵合;(5)彈性好,在鍵合過(guò)程中能保持一定的幾何形狀。鍵合絲的表面應(yīng)達(dá)到下列要求:(1)鍵合絲表面應(yīng)清潔,無(wú)指痕、油污,無(wú)拉伸潤(rùn)滑痕跡、顆粒附加物和其它粘污。(2)鍵合絲表面應(yīng)無(wú)超過(guò)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)鍵合絲由軸上放開時(shí)應(yīng)無(wú)明顯卷曲,鍵合絲的輕微卷曲應(yīng)不降低其實(shí)用性能。(4)鍵合絲應(yīng)無(wú)軸向扭曲。第11頁(yè)/共28頁(yè)P(yáng)RESENTSITUATIONPERIODII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WIREBONDINGCOPPER

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(guò)程中施加的壓力、溫度、氣體條件也有著區(qū)別。因?yàn)殂~的硬度大于常用的金和鋁，所以在鍵合時(shí)壓力必須合理控制以防止因?yàn)閴毫^(guò)大而破壞焊盤，形成彈坑。

銅的熔點(diǎn)比金要高，所以在溫度上也會(huì)有所不同。同時(shí)為了防止過(guò)高的溫度造成氧化，在通入保護(hù)氣的同時(shí)必須將溫度控制在一定范圍內(nèi)。

為了防止銅絲的氧化，必須采用特制的防氧化裝置通入保護(hù)氣。保護(hù)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。第12頁(yè)/共28頁(yè)P(yáng)RESENTSITUATIONPERIODIIIBALL銅絲鍵和的第一步驟就是燒球。燒球的好壞與否，會(huì)直接影響到后續(xù)各步驟的質(zhì)量，甚至關(guān)乎整個(gè)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WIREBONDINGCOPPER

不同的電流對(duì)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(jiān)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)生脫落而造成損傷第13頁(yè)/共28頁(yè)

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(shí)也與絲自身的成分、點(diǎn)火的時(shí)間有關(guān)。

下列圖表很詳細(xì)的反映出了這些因素對(duì)FAB的影響

PRESENTSITUATIONPERIODIIIBALL銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPER

第14頁(yè)/共28頁(yè)P(yáng)RESENTSITUATIONPERIODIVBONDING在銅絲FAB結(jié)束之后，緊接著的是與焊盤的鍵合過(guò)程，這是最容易產(chǎn)生失效問(wèn)題的一個(gè)步驟，對(duì)于焊盤材料、大小、厚度等的選擇，以及對(duì)焊接的工藝都有著很高的要求。

燒球的質(zhì)量也會(huì)對(duì)BONDING的效果產(chǎn)生影響，如圖。

銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPER

第15頁(yè)/共28頁(yè)P(yáng)RESENTSITUATIONPERIODIVBONDINGPAD銅絲鍵和與其他鍵和對(duì)于BONDINGPAD的設(shè)計(jì)也會(huì)有所差異，在焊盤的構(gòu)造、大小、厚度方面的參數(shù)要求會(huì)有很大不同。銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPER

銅絲與焊盤間IMC的形成比起其他的材料來(lái)說(shuō)相對(duì)較薄，而且生長(zhǎng)的速度會(huì)慢很多。比起Au要慢上一個(gè)數(shù)量級(jí)之多。第16頁(yè)/共28頁(yè)P(yáng)RESENTSITUATIONPERIODV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(duì)于工藝的要求十分之高。銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPER

第17頁(yè)/共28頁(yè)P(yáng)RESENTSITUATIONPERIODV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(diǎn)的抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度都大于同直徑的金絲焊點(diǎn)。

Cu/Al金屬間化合物生長(zhǎng)速度遠(yuǎn)低于Ag/Al，尤其是在高溫下，所以在交界層不會(huì)形成科肯德爾空洞，使銅絲鍵和的接頭強(qiáng)度高于金絲鍵和。銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPER

銅絲焊球的退火后力學(xué)性能，抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著退火時(shí)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(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)銅絲的熱疲勞壽命至少不低于金絲鍵和。

第18頁(yè)/共28頁(yè)TROUBLEPERIODI隨著市場(chǎng)對(duì)高純度、耐高溫、超微細(xì)、超長(zhǎng)度的鍵合絲需求迅速增長(zhǎng),使鍵合銅絲的發(fā)展面臨機(jī)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(wèn)題有待進(jìn)行深入的研究。銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPER

1.超微細(xì)銅線的拉制目前,特別是拉制線徑在lmil以下的超微細(xì)絲,對(duì)拉線的斷頭率、表面質(zhì)量和單軸長(zhǎng)度(重量)都有較高的要求,同時(shí)為了提高生產(chǎn)率、擴(kuò)大品種、增加技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,在線材的拉線速度和頭數(shù)的要求越來(lái)越高;為鍵合銅絲的制備提出更為苛刻的要求。目前,對(duì)于普通無(wú)氧銅來(lái)說(shuō),由于其存在大量晶界和鑄造缺陷,當(dāng)線徑達(dá)到0.025mm以下時(shí),其內(nèi)部的雜質(zhì)、鑄造缺陷、晶界等會(huì)對(duì)裂紋變得非常敏感,使得超細(xì)微絲拉制非常困難。近年來(lái),用低純度(3N)電解銅生產(chǎn)的單晶銅桿,雖然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。第19頁(yè)/共28頁(yè)TROUBLEPERIODI隨著市場(chǎng)對(duì)高純度、耐高溫、超微細(xì)、超長(zhǎng)度的鍵合絲需求迅速增長(zhǎng),使鍵合銅絲的發(fā)展面臨機(jī)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(wèn)題有待進(jìn)行深入的研究。銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPER

但是對(duì)于低純度單晶銅桿進(jìn)行超微細(xì)絲的拉制生產(chǎn)中,斷線率仍然非常高,造成單盤絲重量無(wú)法滿足要求,而且線材的成材率及其低下,致使浪費(fèi)嚴(yán)重。因此需要對(duì)單晶銅線材的化學(xué)成分及斷線原因進(jìn)行認(rèn)真分析,弄清楚材料的化學(xué)成分及拉拔工藝對(duì)拉制超微細(xì)絲的微觀影響,為實(shí)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)。第20頁(yè)/共28頁(yè)TROUBLEPERIODII隨著市場(chǎng)對(duì)高純度、耐高溫、超微細(xì)、超長(zhǎng)度的鍵合絲需求迅速增長(zhǎng),使鍵合銅絲的發(fā)展面臨機(jī)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(wèn)題有待進(jìn)行深入的研究。銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPER

2.微細(xì)絲表面質(zhì)量鍵合絲良好的表面質(zhì)量是高性能指標(biāo)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(biāo)同樣重要。目前,在拉制過(guò)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(yán)重刮傷和劃痕等缺陷。對(duì)于表面質(zhì)量不好的線材,在后續(xù)鍵合過(guò)程中,容易造成第一焊點(diǎn)成球不好和第二點(diǎn)有效焊接面積縮小等,使鍵合機(jī)械強(qiáng)度達(dá)不到工業(yè)生產(chǎn)的要求,會(huì)嚴(yán)重影響封裝器件的可靠性和穩(wěn)定性。第21頁(yè)/共28頁(yè)TROUBLEPERIODII隨著市場(chǎng)對(duì)高純度、耐高溫、超微細(xì)、超長(zhǎng)度的鍵合絲需求迅速增長(zhǎng),使鍵合銅絲的發(fā)展面臨機(jī)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(wèn)題有待進(jìn)行深入的研究。銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPER

引起鍵合絲表面質(zhì)量不好的原因可歸結(jié)為兩個(gè)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(jī)構(gòu)的擠壓等引起銅線坯料的缺陷:另一方面是拉絲過(guò)程中,有關(guān)設(shè)備、模具、潤(rùn)滑、環(huán)境和人力因素等直接造成銅線表面缺陷。該研究旨在通過(guò)綜合考慮上述多個(gè)因素,確定合理工藝參數(shù),解決了上述問(wèn)題,生產(chǎn)出表面無(wú)缺陷、性能穩(wěn)定、能夠達(dá)到用戶所要求長(zhǎng)度的高性能鍵合銅絲產(chǎn)品。。第22頁(yè)/共28頁(yè)TROUBLEPERIODIII隨著市場(chǎng)對(duì)高純度、耐高溫、超微細(xì)、超長(zhǎng)度的鍵合絲需求迅速增長(zhǎng),使鍵合銅絲的發(fā)展面臨機(jī)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(wèn)題有待進(jìn)行深入的研究。銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPER

3.銅線的硬度

由于銅的硬度比金高,所以在焊接時(shí)往往需要更大的焊接壓力、更高的超聲功率,這樣在加工過(guò)程中容易對(duì)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)生產(chǎn)必須要解決的一個(gè)重要問(wèn)題.第23頁(yè)/共28頁(yè)TROUBLEPERIODIII隨著市場(chǎng)對(duì)高純度、耐高溫、超微細(xì)、超長(zhǎng)度的鍵合絲需求迅速增長(zhǎng),使鍵合銅絲的發(fā)展面臨機(jī)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(wèn)題有待進(jìn)行深入的研究。銅絲鍵和WIREBONDINGCOPPER

針對(duì)銅絲球焊對(duì)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(guò)特殊處理的銅絲。美國(guó)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(gè)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(duì)鍵合方式的改進(jìn)方面,由于銅線的機(jī)械強(qiáng)度高,焊接所需的能量大。在焊接時(shí)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(huì)造成基板破壞。實(shí)驗(yàn)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(shí)的破壞。第24頁(yè)/共28頁(yè)TROUBLEPERIODIV隨著市場(chǎng)對(duì)高純度、耐高溫、超微