半导体铜线键合工艺研究

1、研究生姓名 汤 振 凯申请学位类别工程硕士学科专业电子与通信工程研究方向半导体元器件的球焊工艺答辩委员会主席林明导师姓名学 位授予单位论 文提交日期论文答辩日期评阅人朱志宇江苏科技大学2014 年 4 月 19 日2014年 6月 7日10289TN606级：公开号： 103030005江苏科技大学（在职攻读专业学位）半导体铜线键合工艺研究2014 年 4 月 22 日II分类号：TN606密 级： 公开学号： 103030005硕士学位论文（工程硕士）半导体铜线键合工艺研究学生姓名汤 振 凯指导教师朱志宇教授江苏科技大学O 一四年四月A Thesis Submitted in Fulfill

2、ment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringResearch of semiconductor copper wire bonding processSubmitted byTang ZhenkaiSupervised byProfessor Zhu ZhiyuJiangsu University of Science and TechnologyApril, 2014 I #摘要摘要在当今 21世纪，半导体产业蓬勃发展，半导体IC和半导体器件已经在各行各业广为使用，从卫星通信、军事产品、信息工业至普通家用产品、

3、小家电，同时伴随着半导体产业和器件的发展，人们的生活愈来愈便捷和智能。半导体产业在发展的过程中，分工逐渐精细，而半导体封装产业也成为了一个在半导体产品中占据较大比例的产业，如何能够提高半导体封装的效率和性能，降低成本， 就摆在了所有半导体产业人员面前。随着产品的I/O 口变多， 半导体封装中的键合成本也占据着较大比例，在键合中采取新的材料，新的工艺，在保证产品性能和可靠性的前提下，降低材料成本，是产业发展的一个趋势。随着设备技术的发展，采用铜丝代替原来的金丝作为焊丝，已经成为了可能。由于金和铜的材料价格存在着较大差异，很多公司和研究人员投入了很大精力，进行各方面的尝试，经过多年的研究，长电科技

4、已经在这方面取得了较大的突破。本文主要研究用铜丝代替传统的金丝材料，采用新的技术和工艺参数，运用DOE试验法， 找到了最佳的铜线球焊的工艺参数（主要是球焊功率、球焊压力、球焊时间）窗口，加上设备的改进（原有将焊线高温熔化时加上氢气和氮气保护装置），并将做出来的成品与原来的产品进行性能和可靠性的比较，发现铜线球焊产品的主要电性能参数与原来金线产品的参数分布一致，可靠性能还能避免原有的金铝合金的脆化现象，推进了半导体封装产业和半导体器件的不断发展。关键词 球焊；焊接工艺；封装；铜线球焊；可靠性Abstract IIIAbstract IIAbstractIn twenty-first Centur

5、y, the semiconductor industry with development, IC and semiconductor device has been widely used in all walks of life to carry out, from the satellite communications, military products, information technology industry and ordinary household products, small household electrical appliances, accompanie

6、d by the development of the semiconductor industry and devices, peoples life more and more convenient and intelligent.The semiconductor industry in the development process, gradually fine division, and semiconductor packaging industry has also become a occupy a larger proportion of semiconductor pro

7、ducts in the industry, how to improve the efficiency and performance, semiconductor packaging cost reduction, is placed in front of all of our semiconductor industry personnel. Along with the product I/O port number, bonding the semiconductor package also occupy a great proportion, adopt new materia

8、ls in the bonding process, new technology, in order to ensure the product performance and reliability, reduce the cost of the materials, is an industry trend. Instead of the original with gold as the wire, the wire material and technology, with the development of equipment and technology, has become

9、 possible, since there are large differences between gold and copper material prices, many companies and researchersh ave devoted great energy, trying various aspects, after years of research, with the experience accumulation, JCET technology has made a great breakthrough in this respect.This paper

10、mainly studies the copper wire instead of the traditional gold wire material, the technology and the new process parameters, plus improvement of equipment performance and reliability, compared to do out of the finished product and the original product, promote the continuous development of semicondu

11、ctor device and semiconductor packaging industry.Keywords wire bonding; bonding technology; packaging; copper ball bonding, reliability;江苏科技大学工程硕士学位论文 #江苏科技大学工程硕士学位论文 II I目录摘 要 I TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark14 o Current Document Abstract II HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 第一章 绪论 1 HY

12、PERLINK l bookmark20 o Current Document 引言 1 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 国内外研究现状、发展动态1 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 本文的内容安排3 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 第二章 半导体封装中引线键合的基本原理4 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 引言 4 HYPERLINK l bookmark30 o Current Docum

13、ent 半导体封装介绍5 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 键合工艺的特点 5超声波球焊的原理 6 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 超声波球焊的过程 7初始位置 8第一焊接检查 9第一焊接 9拉线位置 9第二焊接瞄准 9第二焊接检查位置 9第二焊接 9扯丝 9成球位置 10 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 本章小结10 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 第三章 超声波球焊设备的结构和作用11

14、HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 引言 11 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document KS 公司球焊机介绍11 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 第四章 铜线超声球焊工艺的几个重要因素14 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 引言 14 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 铜线超声球焊的劈刀 14 HYPERLINK l bookmark52 o Curre

15、nt Document 键合的工艺参数 15键合超声能量 15键合压力温度时间 16 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 铜线 16 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 焊盘 17 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 本章总结 17 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 第五章 铜线工艺设备和参数的优化调整18 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 引言 18

16、HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 铜线焊接工艺要求18焊接位置 18焊点状况 18弧度要求 18焊线要求 18芯片外观 19键合强度 19 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 铜线材料的性能 19铜线的力学性能 19铜线的电性能 20铜线的热学性能 20铜线优势 21试验材料及方法 21球焊机设备与改进 21用 DOE试验法对铜线球焊参数进行改进 22 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 试验结果与分析 30剪切力与拉力 30弧度 31可靠性 31不

17、良品 31金铜丝球焊焊点金属间化合物生长 31金铜丝球焊焊点剪切断裂载荷和失效模式 32金铜丝球焊拉伸断裂载荷和失效模式 32 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 铜丝球焊产品的电性能 33铜丝球焊产品的电性能可靠性 33 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 结论 34 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 本章小结 34 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 总结与展望 35 HYPERLINK l boo

18、kmark78 o Current Document 参考文献 36致 谢 38第一章 绪论 -江苏科技大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论引言随着半导体技术和产品的发展，摩尔定律接近失效的边缘。半导体产业链上IC 设计、晶圆制造、封装测试各个环节的难度不断加大，技术门槛也越来越高，资本投入越来越大。由单个企业覆盖整个产业链工艺的难度显著加大。半导体产业链向专业化、精细化分工发展是一个必然的大趋势。全球半导体产业整体成长放缓，产业结构发生调整，产能在区域上重新分配。半导体产业发达地区和不发达地区将会根据自身的优势在半导体产业链中有不同侧重地发展。封装产能转移将持续，外包封装测试行业

19、的增速有望超越全行业。芯片设计行业的技术壁垒和晶圆制造行业的资金壁垒决定了，在现阶段，封装测试行业将是中国半导体产业发展的重点。在传统封装工艺中，黄金的成本占比最高。目前采用铜丝替代金丝是一个大的趋势。用铜丝引线键合的芯片产品出货占比的上升有助于提高封装企业的盈利能力。半导体封装的发展朝着小型化和多I/O 化的大趋势方向发展。具体的技术发展包括多I/O 引脚封装的BGA 和小尺寸封装的CSP等。WLSCP和 TSV等新技术有望推动给芯片封装测试带来革命性的进步。随着半导体产品脚位的变多，I/O 口的增多，对焊线材料的性能要求和成本要求也越来越高。中国本土的大型封装测试企业为以下几个，各有特点：

20、通富微电最直接享受全球产能转移；长电科技在技术上稳步发展、巩固其行业龙头地位，产业规模全球第七；华天科技依托地域优势享受最高毛利率的同时通过投资实现技术的飞跃。在半导体分立器件行业中，封装成本占了很大比例，而传统球焊材料金丝在其中占了封装成本的较大比例。由于近几年国际金价等原材料价格不断上升，电子产品的小型化发展趋势越来越明显，分立器件产品的引脚数不断增加，电流特性的增大、焊线丝的变多，导致金丝材料在分立器件产品成本中的所占比例越来越大。而铜金属相对金而言，成本只是金价的1/5000， 并且从材料特性上来看，铜丝的热传导性和导电性能比金好，可以考虑用铜丝代替金丝。但因为铜线容易被空气中的氧气氧

21、化，易引起接触不良，并且铜硬度较高，只要克服了这些困难就可以大批量的用铜线代替金线，节约大量的成本。国内外研究现状、发展动态在半导体芯片后段封装工艺中，用金属线将半导体芯片上的电极焊盘与引线框架焊线工艺是一个最为重要而且具有挑战性的工艺环节。 传统的焊线工艺包括热超声焊 ， 热压焊 ， 超声楔焊。超声波压焊(Wire Bonding) 是一种初级内部互连方法，用作连到实际的裸片表面或器件逻辑电路的最初一级的内部互连方式，这种连接方式把逻辑信号或芯片的电讯号与外界连起来。其它的初级互连方式包括倒装芯片和卷带自动焊接 (TAB)，但是超声波压焊在这些连接方法中占有绝对优势，所有互连方式中有90%以

22、上都是用这种方法。在这个数字中又有约90%采用金线超声波压焊，其余的则使用铝及其它贵金属或近似贵金属的材料。近些年来 , 半导体芯片的开发和生产技术发展非常迅速，单个芯片的内部连线数已增加到 600 线以上， 而且每个内部连线允许焊接的区域也随之缩小到44 微米。 所有这些关键的技术参数的改变，都意味焊线工艺技术需要有一个全面的改进和提升以适应新要求，焊线工艺全面改进和提升将包括相应焊线关键原材料的改进，工艺参数的优化和全面质量控制。键合丝主要应用与晶体管、集成电路等半导体器件和微电子封装的电极部位或芯片与外部引线的连接。铜键合丝由于其较高的电导率，优良的力学性能和热学性能，在很大程度上提高了

23、芯片频率和可靠性，适应了低成本、细间距、高引出端元器件封装的发展，成为替代传统键合丝的最佳材料。早在 10 年前， 就有人试着用铜线代替金丝作为半导体球焊的引线材料，但当时由于工艺有缺陷，对该工艺研究不是非常熟悉，在生产过程中控制不好，引起产品质量有缺陷，并且由于当时对产品的体积、密度要求、电流特性要求不是非常高，球焊间距也相对较大，对铜丝替换金丝的要求不是太迫切。但随着近年来对产品成本、质量、电流密度的要求越来越高，金丝占整个产品比例越来越高，对铜丝成熟替换金丝的迫切需求也越来越明显摆在半导体器件生产厂家的面前。按照2011 年世界封装材料市场的统计：2011 年全世界封装材料市场的规模达到

24、了228 亿美元。而其中键合丝的市场规模大概占整个材料市场的18.9%，仅次于刚性封装基板，位于十一种封装材料的第二位。随着半导体线宽从90 纳米降低到65 甚至 45 纳米，提高输入输出密度成为必需，要提高输入输出密度需要更小键合间距，或者转向倒装芯片技术，铜线连接时一个很好的解决方案，它可以规避应用倒装芯片所增加的成本。以直径为20um的焊丝为例，纯铜线的价格是同样直径的金线的10%左右，并且随着金价的不断上涨，键合铜丝制造技术的不断提高与应用领域的不断扩大，这种键合铜丝取代键合金丝的竞争更加紧迫。除了较低的成本之外，铜线在导电性方面也是优于金丝的。铜线比金线导电性强33%。 就机械性能而

25、言，铜丝的强度也大于金丝的强度。铜线形成高稳定线型的能力强过金线，特别是在模压注塑的过程中，当引线收到注塑料的外力作用时，铜线的稳定性强过金线，原因是因为铜材料的机械性能优于金材料的机械性能。正因为如此，所以应用要认真研究铜线键合工艺。与金丝球焊技术相比，铜丝球焊技术中存在几个主要问题亟待解决：铜丝易氧化，氧化后可焊性差。由于铜线自身的高金属活性，铜线在高压烧球时极易氧化。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，其成分是CU2O， 另一种是在焊接过程中高温作用下铜与氧气发生的反应，其成分为CUO，铜线在焊线过程中存在这2 种氧化物，影响了铜线的焊接性能。铜

26、丝及铜球硬度高，在键合过程中易对芯片形成损伤，造成弹坑，而这种弹坑比较难以发现，产品在产线上检测测试时可能还是好品，但随着时间的变化和使用的外界环境的影响，而最终形成开短路或者软击穿，带来一系列的可靠性问题；形球过程中铜球表面易形成铜氧化物层；封装后铜丝易受到塑封材料中卤化物的腐蚀，造成可靠性不合格，焊线形成虚焊等，正是因为存在这些问题，所以必须要研究利用铜线作为键合丝的工艺技术，扬长避短， 形成可靠的电性和机械物理性能的连接，从而适应半导体行业和器件的发展。本文的内容安排本课题主要研究了在半导体产品封装键合的工艺中，用铜线球焊的工艺代替传统的金线焊接工艺，在大规模工业化生产中，克服铜线材料的

27、容易氧化和硬度高的弊端，采用设备改进和工艺参数调整的方法，取得产品的更高性能价格比。本文以 K&S 公司的打线机设备为基础，详细介绍了工艺参数和设备改进方法，并研究了产品的电性能、可靠性性能等，对打线过程中出现的问题提出了改进方法，并付诸实施，明显改善了产品的稳定性并提高了产品的性能价格比，保证了产品质量，提高了公司的信誉度和知名度。第 1 章首先介绍了课题研究背景、国内外研究现状及发展动态、并阐述了本文主要研究内容。第 2章首先介绍半导体封装引线键合的原理和概念，介绍了半导体封装的各个工艺流程，指出了引线键合的特点，超声波球焊的原理，详细介绍了超声波球焊的过程，并分析了其基本工作原理。第 3

28、 章介绍了KS公司的球焊设备的工作原理和主要关键部分的结构。第 4 章讨论了铜线超声球焊过程中铜球形成的原理和铜丝氧化的机理，首先介绍了劈刀对铜线超声球焊的影响，然后介绍了超声球焊过程中各个参数对铜线球焊过程的影响。第 5 章讨论了优化调整铜线产品工艺参数和设备的方法，并针对产品进行了性能和可靠性对比。首先介绍了铜线工艺要求和标准，然后讨论了如何改进焊线设备，消除弊端，讨论了试验材料和方法，并对球焊设备进行了具体的调整与优化，对参数进行了试验和研究，并对生产出来的产品进行了综合性能的评估，包括电性能和可靠性方面。第二章 半导体封装中引线键合的基本原理2.1 引言自然界的物质，按导电能力的强弱可

29、分为导体、绝缘体和半导体三类。物质的导电能力可以用电导率或电阻率 来衡量，二者互为倒数。物质的导电能力越强，其电 TOC o 1-5 h z 导率越大，电阻率越小1。导电能力很强的物质称为导体。金属一般都是导体，如银、铜、铝、铁等。原因是其原子最外层的电子受原子核的束缚作用很小，可以自由移动，成为自由电子。在外电场个用下，自由电子逆电场方向运动而形成电流。导体的主要特征是电阻率很小，例如铜的电阻率为1.75 10-8m。绝缘体是导电能力极弱的物质。这种物质的核外电子被束缚得很紧，因而不能自由移动。如橡胶、塑料、陶瓷、石英等都是绝缘体。绝缘体的电阻率大于1014m。半导体是导电能力介于导体和绝缘

30、体之间的物质。其电阻率在10 1013m之间。如硅、 锗、 硒、 砷化镓等都属于半导体。例如， 在 27时， 纯硅的电阻率为21 108m；纯锗的电阻率为47 108m。本章重点研究的是半导体产品的制程。半导体产品从原材料加工成为可以使用的半导体器件需要经过半导体芯片设计、半导体芯片制程和半导体产品的封装测试等主要 3个方面的流程。芯片设计主要是由设计者通过了解当前的工艺能力，根据电子产品线路的需要，利用计算机工具软件，对芯片的功能和具体线路图进行设计。芯片流片厂主要是通过现有的大规模投资，具备了时代最前沿的设备和工厂，根据芯片设计者的要求，将硅片通过光刻、掩模、腐蚀、扩散、再光刻、掩模、腐蚀

31、、扩散、蒸铝等步骤，将单纯的硅片变成具有特定功能的半导体芯片2。因为芯片本身比较脆弱，并且对环境要求很高，不能直接在线路板上使用，所以必须要通过封装等工艺将芯片本身封装起来，并且引出电性脚出来，便于使用时候与外部线路进行电路的连接。最后还需要对产品进行电性测试，正品出货给客户使用。随着科技的进步，产业化也趋向于专业加工生产为主，在现代的半导体企业中，一般都具有比较大型的企业对这些步骤进行加工：如专门进行芯片流片的中芯国际、华虹 NEC、台积电、台联电等，这些都是芯片制成中的大型企业，而专门以封装测试为主的也有一些，如台湾的日月光、美国的Amkor、大陆的长电科技等都是业界的专业工厂。本文这里主

32、要研究封装工序中最重要的一个工序：焊线。第二章 半导体封装中引线键合的基本原理 -江苏科技大学工程硕士学位论文 2.2 半导体封装介绍半导体封装是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程。封装过程为：来自晶圆前道工艺的晶圆通过划片工艺后被切割为小的晶片( Die)，然后将切割好的晶片用胶水贴装到相应的基板(引线框架)架的小岛上，再利用超细的金属(金锡铜铝)导线或者导电性树脂将晶片的接合焊盘(Bond Pad)连接到基板的相应引脚(Lead)，并构成所要求的电路；然后再对独立的晶片用塑料外壳加以封装保护，塑封之后还要进行一系列操作，封装完成后进行成品测试，通常经过入检 In

33、coming、测试Test和包装Packing等工序，最后入库出货3。具体流程如下图 2.1 所示。2.1 半导体封装流程图Fig2.1 semiconductor packaging flow chart2.3 键合工艺的特点如上图2.1所示工序中，焊线是将芯片的内引线通过金属线键合工艺，连接到半导 体 IC 或 器 件 的 外 引 脚 的 工 序 ， 该 焊 线 工 艺 一 共 分 为 3种 ： 热 压 键 合(Thermo compression Bonding)，超声波键合(Ultrasonic Bonding与热压超声波键合(Thermo sonic Bonding)。 热压键合是引

34、线在热压头压力下，高温加热(250 )金属线发生形变，通过对时间、温度和压力的调控进行的键合方法4。键合时，被焊接的金属无论是否加热都需施加一定的压力。金属受压后产生一定的塑性变形，而两种金属的原始交界面处几乎接近原子力的范围，两种金属原子产生相互扩散，形成牢固的焊接。超声波键合不加热（通常是室温），是在施加压力的同时，在被焊件之间产生超声频率的弹性振动，破坏被焊件之间界面上的氧化层，并产生热量，使两固态金属牢固键合。这种特殊的固相焊接方法可简单地描述为：在焊接开始时，金属材料在摩擦力作用下发生强烈的塑性流动，为纯净金属表面间的接触创造了条件。而接头区的温升以及高频振动，又进一步造成了金属品格

35、上原子的受激活状态。因此，当有共价键性质的金属原子互相接近到以纳米级的距离时，就有可能通过公共电子形成了原子间的电子桥， 即实现了所谓金属 “键合” 过程 5。 超声波焊接时不需加电流、焊剂和焊料，对被焊件的理化性能无影响，也不会形成任何化合物而影响焊接强度，且具有焊接参数调节灵活，焊接范围较广等优点。热压超声波键合工艺包括热压键合与超声波键合两种形式的组合。就是在超声波键合的基础上，采用对加热台和劈刀同时加热的方式，加热温度较低（大约150 ）， 加热增强了金属间原始交界面的原子相互扩散和分子（原子）间作用力，金属的扩散在整个界面上进行，实现金属线的高质量焊接。热压超声波键合因其可降低加热温

36、度、提高键合强度、有利于器件可靠性而取代热压键合和超声波键合成为引线键合的主流。引线键合有两种基本形式：球形键合与楔形键合。这两种引线键合技术的基本步骤包括：形成第一焊点（通常在芯片表面），形成线弧，最后形成第二焊点（通常在引线框架基板上）。两种键合形式的不同之处在于：球形键合中在每次焊接循环的开始会形成一个焊球，然后把这个球焊接到焊盘上形成第一焊点，而楔形键合则是将引线在加热加压和超声能量下直接焊接到芯片的焊盘上7。2.4 超声波球焊的原理球形键合时将金属线穿过键合机毛细管劈刀（capillary） ， 到达其顶部，利用氢氧焰或电气放电系统产生电火花以熔化金属线在劈刀外的伸出部分，在表面张力

37、作用下熔融金属凝固形成标准的球形（Free Air Ball ， FAB），球直径一般是线径的2 3 倍，紧接着降下劈刀，在适当的压力和定好的时间内将金属球压在电极或芯片上。键合过程中， 通过劈刀向金属球施加压力，同时促进引线金属和下面的芯片电极金属发生塑性变形和原子间相互扩散，并完成第一焊点，然后劈刀运动到第二点位置，第二点焊接包括楔形键合、扯线和送线，通过劈刀外壁对金属线施加压力以楔形键合方式完成第二焊点，之后扯线使金属线断裂，劈刀升高到合适的高度送线达到要求尾线长度，然后劈刀上升到成球的高度。成球的过程是通过离子化空气间隙的打火成球过程实现的。球形键合是一种全方位的工艺（即第二焊点可相对

38、第一焊点360o任意角度），球形键合一般采用直径75 m以下的细金丝，因为其在高温受压状态下容易变形、抗氧化性能好、成球性好，一般用于焊盘间距大于100 m 的情况下。球形键合工艺设计原则：（1） 焊球的初始直径为金属线直径的2 3 倍。 应用于精细间距时为1 5 倍， 焊盘较大时为3 4 倍； (2) 最终成球尺寸不超过焊盘尺寸的3 4， 是金属线直径的2 5 5 倍；(3) 线弧高度一般为150 um，取决于金属线直径及具体应用；(4) 线弧长度不应超过金属线直径的100 倍； (5) 线弧不允许有垂直方向的下垂和水平方向的摇摆。超声波球焊的过程焊丝球焊机是一款利用超声波焊线技术，在压力和

39、超声波能量共同作用下，用细小的金线连接IC 芯片电极与框架上的焊盘，从而实现封装前的芯片(硅片 )内部引线焊接的高科技机电一体化设备。主要应用于发光二极管、中小型功率三极管、集成电路及一些特殊半导体器件等内部引线的焊接。首先对焊线机的动作过程作适当了解。在焊线前，必须先做好准备工作，包括机器的自检、劈刀的安装、劈刀穿线，调整尾丝长度，手动打火烧球一次，将尾丝烧制成一个金丝直径2- 5 倍的金球。焊线机焊一条线的动作流程如下图所示，主要包括以下动作：图 2.2 球焊示意图Fig2.2 bonding sketch map初始位置开机或复位后劈刀停留的位置，或者每次第二焊点焊接完成后，劈刀上升回到

40、的一般要求在初始位置时，劈刀尖到焊接面距离要大于5 且小于7mm，第一焊接检查焊头架开始下降，线夹张开，劈刀下降把金丝拉至劈刀尖端，同时拉下金丝，当劈刀尖下降至焊件一定距离时停止，该距离调整为2 倍金球高度，这一位置称第一焊接检查位置，此时线夹处于张开状态，在此位置可检查焊点与劈刀是否对准，如果劈刀未对准焊打，可移动工作台，对准焊点位置。第一焊接第一焊接检查完成后，劈刀慢速下移，劈刀碰到被焊面，使变幅杆前端上抬，焊头尾部检测触打断开，焊头停止下移，此时第一焊接压力、第一超声功率通过劈刀施加于焊件上，进行第一打焊接，并计时。此时，劈刀在焊件上停留的时间称为第一焊接时间， 第一焊接时间结束后，超声

41、功率输出结束，此时金球焊于IC 芯片内部相应的焊盘上。拉线位置第一焊接时间结束后（ 即第一焊接完毕后） ，焊头架快速回升，此时线夹张开，金丝处于释放状态，劈刀上升至预定位置，这一位置称拉线位置，也叫拱丝位置。第二焊接瞄准移动工作台，用聚光点瞄准第二焊打，此时线夹处于张开状态，焊丝拉移一定角度，第二焊点移至劈刀下。第二焊接检查位置在第二焊接瞄准位置，焊头架下降至焊件一定距离停下，该距离应调整为2 倍金丝高度，此位置称第二焊接检查位置，可进行检查和调整。第二焊接第二焊接检查完成后，劈刀慢速下移，劈刀碰到被焊面，使变幅杆前端上抬，焊头尾部检测触打断开，焊头停止下移，此时第二焊接压力、第二超声功率通过

42、劈刀施加于焊件上，进行第二打焊接，并计时。此时，劈刀在焊件上停留的时间称为第二焊接时间， 第二焊接时间结束后，超声功率输出结束，此时金线焊于IC 芯片内部相应的焊盘上。扯丝第二焊接完成后，焊头快速上升，线夹夹紧金线并将其扯断。成球位置金线被扯断的瞬间，打火杆尖对金线高压放电，将劈刀尖下的金线烧成金球，(10)回到初始位置打火烧球工序完成后，焊头回到初始位置，完成一条焊线的焊接。本章小结本章主要介绍了半导体封装和其中焊接工艺的概念和特点，从中可以知道，超声球焊工艺在半导体封装中起到举足轻重的作用，因此，要将传统的金丝球焊改成铜丝球焊，就必须从设备、材料、工艺、性能等方面进行研究和验证，保证产品的

43、性能和可靠性，从而提高半导体器件的性能价格比。第四章 铜线超波球焊工艺的几个重要因素 -江苏科技大学工程硕士学位论文 第四章 铜线超波球焊工艺的几个重要因素 第三章 超声波球焊设备的结构和作用引言金丝球焊机，是一款利用超声波焊线技术，在压力和超声波能量共同作用下，用细小的金线连接IC芯片电极与框架上的焊盘，从而实现封装前的芯片（硅片）内部引线焊接的高科技机电一体化设备。它的功能主要在封装前，用金丝连接芯片内部电路或将内部电路与管脚连接。KS 公司球焊机介绍1、了解球焊机器上的设备原理。下图 3.1 所示设备是KS公司生产的球焊设备。该设备广泛应用于各半导体公司的焊线工序，一般来说包括以下几个部

44、分：图 3.1 KS 公司球焊机Fig 3.1 wire bonding of KS图 3.2 KS 公司球焊机结构Fig 3.2 structure of wire bonding machine（ 1）电源控制台包括电源供应器、资料存储系统、电路控制以及散热系统。（ 2） XY工作台（XY Table）包括有二个线性伺服马达以驱动整个工作台到达定点位置。（ 3）焊线头（Bond Head） ：位于XY工作台上，主要是完成产品的焊线动作。（4） 影像处理系统：将产品的影像进行辨认工作并将影像传送到屏幕，包含有两个改良扫描的镜头、直斜灯装置、透镜与反射镜与影像控制板，主要作用为辨识及搜寻芯片与

45、引线框架，控制影像的亮度以及提供软件与硬件所支援影像和图像的使用界面。（ 5）送线系统：提供焊线到焊线头以进行焊线动作，送线系统控制板处理光学感应器的讯号驱动。12 英寸直径的线轴，提供充足的焊线完成送线的动作。并且提供真空清洁焊线，另外还有侦测焊线的质量的功能。6） 进料系统：将待焊线产品从进料区导入焊线工作区以及完成的产品退料到成品区，包含有进料升降机构、工作台和退料升降机构。7）紧急停止按钮：在紧急状态下，停止机台的电源供应。8）人机界面：提供操作者与机台的沟通界面。9）显微镜：在调试机器时，观察机器的各个动作是否正常。10）信号灯塔：设置的各个信号灯的控制和显示，主要是在正常工作时能及

46、时起到提示操作人员和维修员便捷的知道机器的状态。11）蜂鸣器：与信号灯塔一起工作，提示该机台处于何种状态下。12）工作灯：起到照明作用。13）屏幕：人机交互界面，输入输出工作设置和机台的参数与状态。13.3 本章小结本章主要介绍了KS公司的球焊机的设备构成，包括总体架构和关键的结构两部分，介绍了各个部分构成和功能。第四章 铜线超声球焊工艺的几个重要因素引言铜线超声球焊工艺是在金线球焊工艺的基础上进行的，但由于铜线与金线的物理性质的区别，所以，需要对各项工艺因素进行优化和改进。如果只是按照金线球焊的 设备和工艺参数进行铜线球焊工艺，会对产品造成很严重的影响。因此，需要先了解 有哪些重要的材料和参

47、数需要优化，做什么样的优化，从而才能对铜线超声球焊工艺 试行批量性的生产。本章针对铜丝球焊技术的键合因素，包括劈刀、工艺参数（超声 能量、压力、温度）以及铜丝、焊盘制造工艺等几个方面开展了一系列研究工作。铜线超声球焊的劈刀铜丝球焊中所使用的键合设备与金丝球焊大致相同。为解决形球过程中铜球易氧化的问题，研究人员研制出铜丝球焊形球防氧化保护装置，如Kulicke&Sofa 开发的“ Copper Kit ”。该装置在形球过程中引入纯氮或氮氢混合气体，对铜球进行保护以防氧化物的形成。铜丝键合技术对键合工具劈刀的设计也提出了新的要求。劈刀的主要结构特征有内腔、劈刀嘴部外圆直径、面角度、劈刀嘴部表面抛光

48、度、中心角等。与金丝球焊用劈刀相似，铜丝球焊用劈刀设计主要考虑因素有焊盘间距、焊盘窗口尺寸以及金属丝直径等。铜丝球焊技术对劈刀面角度以及劈刀嘴部外圆直径要求更高，合适的面角度与外圆直径匹配能够键合出理想的第一、二焊点，并有效提高焊点可靠性。铜丝球焊中劈刀的面角度适用范围为011O度。另外，由于铜球、铜丝硬度较高，铜丝球焊用劈刀需要进行表面耐磨处理，选择更耐磨的陶瓷作为劈刀材料，以提高铜丝球焊用劈刀的使用寿命。随着塑封材料的发展，无卤化物环保型塑封料成功取代传统塑封料，封装后铜丝易受腐蚀的问题得到有效缓解。球焊所使用的劈刀外形与焊线过程的位置如下图4.1 所示。图 4.1 焊线劈刀的外形与焊线过

49、程的位置Fig 4.1 shape of capillary and position for bonding键合的工艺参数键合超声能量键合超声能量是焊点质量的主要影响因素。超声能量的作用包括增加金属球的变形，挤压焊盘上金属层，增加金属原子的迁移率和晶格位错密度，减小金属材料的屈服强度以利于金属间的扩散连接。铜丝球焊中由于铜丝、焊盘表面附着氧化物、污染物，必须依靠超声能量去除它们以改善可焊性能。超声能量过大将导致焊点疲劳，降低其连接强度；能量过小，去除污染物不充分，导致焊点连接失败或形成虚焊。针对这一矛盾，Nguyen等人提出采用两阶段的超声施加方式，第一阶段能量主要用来去除污染物和氧化物，第

50、二阶段能量主要用于连接，第二阶段超声能量为第一阶段的3050。研究结果表明这种超声能量施加方法可以提高铜球焊点连接强度。另外， 结果还显示铜球焊点的连接强度与第一阶段的超声能量大小有直接关系，与第二阶段关系不大。研究发现超声振动方向对第二焊点的抗拉强度有着较大的影响，当振动方向平行于线弧方向时，低温铜氧化物会直接影响到第二焊点与引线框架的连接质量。研究发现超声振动方向对焊点尺寸也有较大的影响，在金焊盘或陶瓷焊盘上，振动方向平行于线弧方向的第一焊点的直径要大于垂直方向的焊点直径。超声振动频率对键合质量也有一定影响。目前，丝球焊中使用的超声频率多为60140 kHz。研究发现在金焊盘上和铝焊盘上，

51、采用100 kHz超声频率获得的焊点剪切强度要远大于60 kHz超声频率下的焊点。尽管采用超声振动频率为60 kHz后所获得的工艺参数窗口要大于超声振动频率为100 kHz 的工艺参数窗口，但100 kHz 超声振动的显著优点是使键合时间降低 20工艺参数窗口增大60%，并保持焊点剪切强度不变。键合压力温度时间键合工艺参数除超声能量以外，键合温度、键合压力以及键合时间等对焊点性能也有着很大的影响。键合压力控制着铜球变形量，对焊点形貌影响很大。键合压力又决定了铜球底部与焊盘的实际接触面积，对焊点连接强度有着很大的影响。在超声施加之前用一个较大的压力使铜球充分变形，并在超声能量施加后适当减小键合压

52、力以减轻对芯片的损伤。两阶段的压力大小比例在24： 1 左右。键合时间的长短会引起焊点尺寸、连接强度的变化。时间过短，能量输入不足，焊点连接不充分；时间过长，能量输入过大，铜球变形过于严重，内部出现滑移、重结晶等现象，还可能引起焊点连接疲劳效应，另外焊点和焊盘之间产生较有影响的内应力，给铜球焊点可靠性带来隐患。如果铜丝表面出现较多的氧化物时，可以适当加长键合时间，以保证充分去除氧化物。键合温度的主要作用有：软化金属表面上的氧化层，确保金属氧化物层在较小的载荷下被撕裂开来；软化金属本身，使得它们在外力作用下更容易发生塑性变形；促进连接面上金属原子的扩散能力；提供除键合能量、压力等以外的能量，促进

53、键合过程的顺利进行。铜丝球焊中，过高的键合温度会加重铜丝的氧化，不利于连接并对产品的可靠性产生不良影响；但过低的键合温度不能保证铜球焊点的连接强度。针对超声功率以及键合压力对铜球焊点质量的影响作了相应研究，结果表明在适当范围内，铜球焊点的剪切力及直径随超声能量的增大而增大，而焊点剪切强度随之减小；键合压力对铜球焊点剪切力的影响不明显，但对铜球焊点外形有较大影响。随着键合压力的增大，铜球焊点直径增大，剪切强度下降过大或过小的键合压力都可能导致芯片出现芯片损伤8。铜线铜材料在常温下极易氧化，在温度高于40的环境中氧化速度更快，并因没有自保护能力而向纵深发展。铜丝球焊工序中有许多场合的环境温度远高于

54、40oC，铜丝的氧化将不可避免并导致铜丝可焊性的退化。铜丝组织结构对第二焊点的形状、强度也有较大的影响。研究发现铜丝球焊第二焊点的形状主要由铜丝晶粒尺寸与铜丝直径的比例所决定的，如果在铜丝横截面上能同时存在数个晶粒并相互交错将能获得可靠的第二焊点。另外当铜丝晶粒尺寸与铜丝直径不匹配时会削弱铜丝拉弧的稳定性。以上问题对铜丝制造工艺提出新的要求。通过掺杂、回火工艺可以使铜丝的机械性能、晶粒组织发生改变，从而提高其可焊性。焊盘金属焊盘作为芯片电路与外界电路联系的窗口，承担着传送电流、疏散热量等任务，在键合过程中还须能有效缓冲外界压力以保护芯片不受损伤。目前焊盘材料多为铝及铝合金焊盘。铝焊盘表面易形成

55、氧化物，对焊点连接有一定的影响，铝焊盘上氧化物层厚度若超过20nm会严重降低焊盘的可焊性能。采用等离子清洗法对焊盘上氧化物及污染物进行表面处理，发现焊盘表面的微观组织有所改变，焊盘表面上的氧成分明显减少。这种方法可以有效去除焊盘表面的氧化物及污染物，但会对焊盘周围的散热层造成一定的伤害。随着电子技术的不断发展，铝焊盘不能很好的满足更快、更可靠的电学性能要求，因此铜丝与铜焊盘的直接连接形式成为新的发展方向。铜焊盘的主要优势在于低电阻率、低电迁移、高响应速度等，铜焊盘的应用对丝球焊工艺提出挑战，其关键问题就是如何防止铜焊盘被氧化。裸露的铜焊盘表面极易形成氧化物层，如果铜焊盘上氧化物层超过5 nm后

56、其可焊性将大大削弱。通过研究发现铜焊盘上的氧化物萌生于晶粒边缘区域并向内部逐渐发展，其氧化速度与晶面取向有关。铜焊盘上氧化面积超过1020时，焊盘可焊性将明显下降。针对以上问题，在铜焊盘上加上保护层，键合过程中再利用超声振动将保护层去除，实现铜丝到铜芯片的直接连接而不需要中介层的过渡。现行发展的保护层材料有金属材料、有机材料和无机材料，研究发现在铜焊盘上覆盖有机材料进行防氧化保护可以获得性能很好的铜球焊点，连接后铜焊盘上的有机材料能被充分去除，形成的铜焊点连接强度高。本章总结在实现铜线球焊的过程中，涉及到的设备和工艺参数的要求都比较高，在利用铜丝的优良的电性能达到产品的优质性能时，也同时需要解

57、决铜线不耐氧化和硬度高的问题。通过各项工艺参数和设备的调整，可以使铜线球焊工艺达到一个较高的性能水平。第五章 铜线工艺设备优和参数的优化调整 -江苏科技大学工程硕士学位论文 第五章 铜线工艺设备和参数的优化调整引言前面一章介绍的是铜线工艺涉及到的各个因素，由于材料不同，相比于传统的金 丝球焊工艺，需要调整和优化设备和工艺参数，根据该工艺的特性，需要制定不同的 检验质量标准。本一章对调整的具体参数、如何调整，成品的性能和可靠性方面进行 研究，找到最为合理的工艺要求和检验标准，并检验了产品的性能和可靠性。铜线焊接工艺要求焊接位置焊接面积不能有1/4 以上在芯片压点之外，或触及其他金属体和没有钝化层

58、的划片方格； TOC o 1-5 h z 在同一焊点上进行第二次焊接时，重叠面积不能大于之前焊接面积的1/3 ；引线焊接后与相邻的焊点或芯片压点相距不能小于引线直径的1 陪。焊点状况键合面积的宽度不能小于引线直径的1 倍或大于引线直径的3 倍；焊点的长度不能小于引线直径的的1 倍或大于引线直径的4 倍；不能因为缺尾而造成键合面积减少1/4 ，丝尾的总长度不能超出引线直径2 倍；键合的痕迹不能小于键合面积的2/3 ，且不能有虚焊和脱焊；焊球大小：焊球的直径应该大于2 倍金线直径，小于4 陪金线直径。焊球厚度：焊球的厚度应该大于1.2 倍金线直径，小于2.5 倍金线直径。弧度要求 最低：第一点的高

59、度应该高出低二点的高度，形成第一由点到第二点的抛物线形状；最高：不能高出晶片本身厚度的2 倍。拉力控制：焊线要求引线不能有任何超过引线直径1/4 的刻痕，损伤，死弯等；引线不能有任何不自然拱形弯曲，且拱丝高度不小于引线直径的6 倍，弯曲后拱丝最高点离芯片的距离不应小于2 倍引线直径；不能让引线下垂，在芯片边缘上或其距离小于引线直径的1 倍；引线松动而造成相邻两引线间距小于引线直径的1 倍或穿过其他引线和压点；焊点预引线之间不能有大于的30 度的夹角。芯片外观不能因为键合而造成芯片的开裂，伤痕和铜线短路；芯片表面不能因为键合而造成的金属熔渣，断丝和其他不能排除的污染物； 芯片压点不能缺丝，重焊或

60、未按照打线图的规定造成错误键合。键合强度对于 25 um线径拉力应该大于5g， 23 um线径拉力应该大于4g， 30um铜线线径拉力应该大于7g(当做破坏性试验时，断点不应该发生在焊点上)；对于 25 um 线径要求铜线剪切力度大于25g；框架不能有明显的变形，管脚，基底镀层表面应该致密光滑，色泽均匀呈白色，不允许有沾污，水迹，异物，发花，起皮，起泡等缺陷。铜线材料的性能铜丝与金丝相比具有明显的优势，采用铜丝超声键合不但可以大大降低器件制造成本，提高竞争优势，而且铜丝各种优良的性能也加速了其在电子封装业的应用。铜丝优良的性能主要表现在以下几个方面：铜线的力学性能键合丝的力学性能，即丝的破断力