铜丝引线键合技术的发展

1、PAGE PAGE 13铜丝引线键合技术的发展铜丝引线键合技术的发展摘要 铜丝引线键合有望取代金丝引线键合，在集成电路封装中获得大规模应用。论文从键合工艺接头强度评估键合机理以及最新的研究手段等方面简述了近年来铜丝引线键合技术的发展情况，讨论了现有研究的成果和不足，指出了未来铜丝引线键合技术的研究发展方向，对铜丝在集成电路封装中的大规模应用以及半导体集成电路工业在国内高水平和快速发展具有重要的意义。关键词 集成电电路封装装 铜铜丝引线线键合 工艺艺 1.铜丝引引线键合合的研究究意义目前超过990%的的集成电电路的封封装是采采用引线线键合技技术。引引线键合合（wiire bonndinng） 又

2、称线线焊，即即用金属属细丝将将裸芯片片电极焊焊区与电电子封装装外壳的的输入/输出引引线或基基板上的的金属布布线焊区区连接起起来。连连接过程程一般通通过加热热加压超声等等能量 借助键键合工具具（劈刀刀）实现现。按外外加能量量形式的的不同，引引线键合合可分为为热压键键合 超声声键合和和热超声声键合。按按劈刀的的不同，可可分为楔楔形键合合（weedgee boondiing）和和球形键键合(bballl boondiing)。目前前金丝球球形热超超声键合合是最普普遍采用用的引线线键合技技术，其其键合过过程如图图1所示示。由于金丝价价格昂贵贵成本高高，并且且Au/Al金金属学系系统易产产生有害害的金属

3、属间化合合物， 使键合合处产生生空腔，电电阻急剧剧增大，导导电性破破坏甚至至产生裂裂缝，严严重影响响接头性性能。因因此人们们一直尝尝试使用用其它金金属替代代金。由由于铜丝丝价格便便宜，成成本低， 具有较较高的导导电导热热性，并并且金属属间化合合物生长长速率低低于Auu/All，不易易形成有有害的金金属间化化合物。近近年来，铜铜丝引线线键合日日益引起起人们的的兴趣。但是，铜丝丝引线键键合技术术在近些些年才开开始用于于集成电电路的封封装，与与金丝近近半个世世纪的应应用实践践相比还还很不成成熟，缺缺乏基础础研究工艺理理论和实实践经验验。近年年来许 多学者者对这些些问题进进行了多多项研究究工作。论论文

4、将对对铜丝引引线键合合的研究究内容和和成果作作简要的的介绍，并并从工艺艺设计和和接头性性能评估估两方面面探讨铜铜丝引线线键合的的研究 内容和和发展方方向。图1 金丝丝球形热热超声键键和过程程2.铜丝引引线键合合的研究究现状 2.1工艺艺研究2.1.11防止铜铜丝氧化化与金丝不同同的是，铜铜丝在空空气中极极易氧化化在表面面形成一一层氧化化膜，而而氧化膜膜对铜球球的成形形与质量量有害，并并且还有有可能导导致接头头强度低低，甚至至虚焊（NNon-Stiick），因因此必须须采取措措施防止止铜丝氧氧化。KKaimmorii等尝试试通过在在铜丝表表面镀一一层抗氧氧化的金金属来防防止铜丝丝氧化，他他们尝试

5、试了AuuAgPdNi，发发现镀的的铜丝能能形成较较好的铜铜球，并并且形成成的接头头力学性性能也强强于单纯纯的铜丝丝。但是是此方法法并未见见任何工工业应用用的报道道。目前前工业应应用中主主要是采采用保护护气体来来防止铜铜丝氧化化，主要要有如图图2所示示的两种种保护装装置。至至于保护护气体，TTan等等Hanng等以以及Siinghh等都发发现使用用95%N2和和5%HH2混合合而成的的保护气气具有较较好的抗抗氧化效效果。图2 两种种常见的的铜丝防防氧化装装置示意意图2.1.22工艺参参数由图1的球球形热超超声键合合过程可可以知道道，键合合质量与与引线劈刀压力能量和和基板等等因素有有关。影影响键

6、合合接头性性能的主主要工艺艺参数如如图3所所示。图3 影响响键和性性能的主主要工艺艺参数研究各种工工艺参数数对引线线键合强强度性能能的影响响，有利利于键合合工艺的的设计和和工艺参参数的优优化。HHangg等发现现铜线的的端部距距离火花花放电的的电极越越近，火火花放电电后形成成的铜球球成形越越好。并并且Taan等和和Hanng等均均发现铜铜球的直直径与火火花放电电的电流流和时间间之间存存在如式式（1）的的关系： （11）式中FABB（D）为为铜球的的直径；I为火火花放电电电流强强度；tt为火花花放电时时间。可以通过调调节I和和t获得得成形好好质量高高的铜球球。Haang等等通过一一系列试试验得到

7、到了直径径为233m的铜铜丝键合合得到的的球形焊焊点的抗抗剪强度度随超声声功率压力 超声声频率和和温度变变化的曲曲线（图图4），为为工艺参参数的优优化提供供了一定定的基础础。图4 抗剪剪强度随随超声功功率压力和和超声频频率变化化的曲线线目前铜丝引引线键合合应用中中，多依依赖经验验来确定定工艺参参数，尚尚未得到到比较完完善的工工艺参数数范围。2.2铜丝丝引线键键合的接接头性能能评估引线键合的的接头性性能主要要表现为为接头强强度以及及热疲劳劳寿命等等。Tooyozzawaa等 和和Khoouryy等的试试验结果果均表明明，铜丝丝球形焊焊点抗拉拉强度与与抗剪强强度都强强于相同同 直径径的金丝丝焊点，

8、其其中抗剪剪强度的的优势尤尤为明显显。Cuu/All金属间间化合物物生长速速率低于于Au/Al，尤尤其是在在高温下下（图55），因因此在交交界层不不会形成成柯肯德德尔空洞洞（Kiirk-enddalll Vooid），使使铜丝键键合的接接头性能能优于金金丝键合合。Hoong等等研究了了铜丝球球形焊点点退火后后的力学学性能，发发现接头头抗剪强强度随着着退火时时间的增增加而变变大，认认为是由由于界面面金属的的扩散而而导致。KKhouury等等做了一一系列铜铜丝接头头和金丝丝接头在在相同温温度下工工作以及经经受相同同温度范范围的热热循环等等试验，认认为铜丝丝键合的的热疲劳劳寿命至至少不低低于金丝丝键

9、合。图5 Cuu/All金属间间化合物物生长速速率低于于Au/Al目前，对铜铜丝引线线键合的的接头性性能的研研究主要要集中在在相同条条件下铜铜丝与金金丝键合合接头性性能的对对比试验验研究方方面，缺缺乏详尽尽的显微微组织分分析和力力学性能能测试。2.3超声声波的机机理研究究热超声键合合中，超超声是主主要的外外加能量量之一。目目前人们们对超声声的作用用机理做做了一些些研究，发发现在超超声键合合中，超超声至少少起到两两方面的的作用：超声软软化和摩摩擦。2.3.11超声软软化金属在超声声激励下下强度和和硬度减减小的现现象称为为超声软软化。LLanggeneeckeer把这这种现象象归因于于超声的的能力

10、，认认为位错错优先吸吸收声能能，使位位错从钉钉扎位置置开动，暂暂 时使使金属软软化，增增加塑性性能力，允允许金属属在相对对较低的的压力下下变形。目目前人们们对超声声软化的的机理尚尚无定论论，而且且热超声声键合中中超声波波对金属属力学行行为影响响的定量量分析尚尚未见报报道。2.3.22摩擦Mayerr通过显显微传感感器研究究金丝热热超声键键合时发发现金球球与基板板接触面面之间的的摩擦是是形成键键合的重重要条件件，并且且认为没没有摩擦擦就没有有键合。LLum等等在研究究金丝键键合在铜铜基板上上所留下下的痕迹迹时，发发现许多多痕迹呈呈明显的的环状（图图6），正正好可以以用Miindllin的的弹性接

11、接触理论论来解释释。在相相同的压压力下，随随着超声声功率的的增大， 圆环的的内径减减小，直直至由微微摩擦（mmicrrosllip）变变为相对对滑动（ggrosss ssliddingg） （图图7）。根根据以上上研究，合合理的设设计压力力和超声声波功率率，能够够得到良良好的键键合点。至至于铜丝丝键合中中超声的的摩擦作作用如何何，是否否与金丝丝相似，目目前尚未未有报道道。图6 环状状键和痕痕迹图7 超声声功率增增加，键键合痕迹迹由微摩摩擦变为为相对滑滑动的示示意图2.4实时时监测与与有限元元分析2.4.11实时监监测实时监测键键合过程程中的温温度应力应应变等参参数的变变化，根根据监测测到的数数

12、据实时时调节输输入参数数，对引引线键合合过程的的机理研研究以及及质量控控制均十十分有利利。Scchneeuwlly等提提出一种种热电偶偶温度测测量技术术，他们们在键合合点处通通过改进进的劈刀刀引入NNi线和和Au球球形成热热电偶来来在线测测量键合合过程温温度的瞬瞬时变化化，试验验设置及及操作过过程都比比较复杂杂，结果果离散性性较大。SSumaan等通通过在基基板中植植入一种种兼容的的铝-硅硅热电偶偶传感器器实现了了实时监监测键合合过程的的温度。MMayeer等开开发了新新型的原原位 监监测方法法，通过过在连接接处植入入集成传传感器，可可实现连连接过程程中温度度和压力力信号的的实时监监测（图图8

13、）。图8 集成成传感器器2.4.22有限元元分析目前，随着着商业有有限元软软件的发发展，有有限元方方法越来来越多的的应用于于引线键键合的质质量评估估与分析析中。引引线键合合是一个个热力耦耦合的过过程，并并且伴随随着超声声振动和和内部扩扩散，难难以模拟拟。为了了简化，现现在大多多数模型型都采用用2维轴轴对称结结构，并并且把超超声简化化为热源源处理。ZZhanng等建建立了一一个3维维模型，并并且通过过改变接接触面上上的摩擦擦系数来来尝试模模拟超声声的摩擦擦作用。VViswwanaath等等也建立立了一个个3维模模型来模模拟热超超声引线线键合在在Cu/loww-k基基板上的的情形。到到目前为为止，

14、在在模型中中尚未考考虑超声声软化效效果以及及内部扩扩散作用用，模型型还不够够完善。3.铜丝引引线键合合存在的的问题铜丝引线键键合与金金丝相比比具有价价格便宜宜成本低低导电导导热性高高和接头头强度高高等一系系列优点点，然而而铜丝键键合也存存在一些些金丝键键合所不不易出现现的缺陷陷，主要要有基板板裂纹（UUndeerpaad CCracck）硅坑（SSiliiconn Crrateerinng，图图9）接头强强度低（WWeakk Boond）和和虚焊（NNon-Stiick）等等。一般般认为由由于铜丝丝硬度高高于金丝丝，这意意味着铜铜丝键合合时需要要更高的的超声功功率和更更大的压压力，这这样比较较

15、容易对对硅基板板造成损损害，从从而导致致基板裂裂纹和硅硅坑缺陷陷的产生生，而如如果超声声功率和和压力设设置偏小小，又会会导致接接头强度度低甚至至导致虚虚焊。另另外，由由于同种种金属焊焊接无金金相的差差异， 铜丝可可以直接接键合在在封装外外壳的铜铜基上，因因此封装装外壳的的铜基上上不必像像金丝键键合那样样镀银，这这样导致致铜基表表面氧化化，即使使采用保保护气体体也不能能完全防防止，所所以第二二焊点往往往强度度较低，甚甚至虚焊焊。图9 硅坑坑缺陷为了防止缺缺陷的产产生，人人们采取取了各种种措施。MMorii向纯的的6N Cu中中加入一一种不影影响铜丝丝硬度的的成分，制制成一种种新的铜铜丝。试试验表

16、明明这种新新铜丝能能够解决决一些问问题，如如硅基板板的损坏坏问题，但但并未说说明所加加入是何何种成分分。Kaaimoori等等在铜丝丝表面镀镀Pd来来防止铜铜丝氧化化，并且且获得质质量较好好的第二二焊点。TToyoozawwa等提提出了一一种压力力两级加加载技术术（图110），试试验表明明运用此此技术在在一定条条件下能能够解决决基板裂裂纹和硅硅坑问题题。目前前工业应应用中，主主要运用用这种加加载技术术。但是是基板缺缺陷仍然然存在，人人们尚未未能够解解决，这这些缺陷陷严重影影响了铜铜丝键合合的大规规模应用用。图10 压压力加载载结论与展望望铜丝由于成成本低导电导导热性好好接头强强度高等等优点在在集成电电路封装装工业中中得到越越来越多多的应用用，铜丝丝引线键键合技术术的研究究发展迅迅速。在在防止铜铜丝氧化化，工艺