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。关键词集成电路封装铜丝引线键合工艺1.铜丝引线键合的研究意义目前超过90%的集成电路的封装是采用引线键合技术。引线键合（wirebonding）又称线焊，即用金属细丝将裸芯片电极焊区与电子封装外壳的输入/输出引线或基板上的金属布线焊区连接起来。连接过程一般通过加热﹑加压﹑超声等能量借助键合工具（劈刀）实现。按外加能量形式的不同，引线键合可分为热压键合﹑超声键合和热超声键合。按劈刀的不同，可分为楔形键合（wedgebonding）和球形键合(ballbonding)。目前金丝球形热超声键合是最普遍采用的引线键合技术，其键合过程如图1所示。由于金丝价格昂贵﹑成本高，并且Au/Al金属学系统易产生有害的金属间化合物，使键合处产生空腔，电阻急剧增大，导电性破坏甚至产生裂缝，严重影响接头性能。因此人们一直尝试使用其它金属替代金。由于铜丝价格便宜，成本低，具有较高的导电导热性，并且金属间化合物生长速率低于Au/Al，不易形成有害的金属间化合物。近年来，铜丝引线键合日益引起人们的兴趣。但是，铜丝引线键合技术在近些年才开始用于集成电路的封装，与金丝近半个世纪的应用实践相比还很不成熟，缺乏基础研究﹑工艺理论和实践经验。近年来许多学者对这些问题进行了多项研究工作。论文将对铜丝引线键合的研究内容和成果作简要的介绍，并从工艺设计和接头性能评估两方面探讨铜丝引线键合的研究内容和发展方向。图1金丝球形热超声键和过程2.铜丝引线键合的研究现状2.1工艺研究2.1.1防止铜丝氧化与金丝不同的是，铜丝在空气中极易氧化在表面形成一层氧化膜，而氧化膜对铜球的成形与质量有害，并且还有可能导致接头强度低，甚至虚焊（Non-Stick），因此必须采取措施防止铜丝氧化。Kaimori等尝试通过在铜丝表面镀一层抗氧化的金属来防止铜丝氧化，他们尝试了Au﹑Ag﹑Pd﹑Ni，发现镀的铜丝能形成较好的铜球，并且形成的接头力学性能也强于单纯的铜丝。但是此方法并未见任何工业应用的报道。目前工业应用中主要是采用保护气体来防止铜丝氧化，主要有如图2所示的两种保护装置。至于保护气体，Tan等﹑Hang等以及Singh等都发现使用95%N2和5%H2混合而成的保护气具有较好的抗氧化效果。图2两种常见的铜丝防氧化装置示意图2.1.2工艺参数由图1的球形热超声键合过程可以知道，键合质量与引线﹑劈刀﹑压力﹑能量和基板等因素有关。影响键合接头性能的主要工艺参数如图3所示。絮图3影响疗键和性能的吧主要工艺参拼数齿研究各种工溜艺参数对引樱线键合强度模性能的影响孝，有利于键咳合工艺的设室计和工艺参离数的优化。半Hang等贴发现铜线的苗端部距离火傍花放电的电迅极越近，火丈花放电后形脱成的铜球成显形越好。并说且Tan等递和Hang贞等均发现铜态球的直径与京火花放电的国电流和时间们之间存在如冻式（1）的支关系：焰弟法券部砍骄乔辉（1）压式中FAB闹（D）为铜腐球的直径；那I为火花放易电电流强度蜻；t为火花广放电时间。偶可以通过调顶节I和t获丙得成形好福﹑汗质量高的铜晋球。Han宅g等通过一蚊系列试验得丈到了直径为宅23拉μ司m的铜丝键脆合得到的球量形焊点的抗唱剪强度随超锁声功率相﹑刺压力踩﹑细超声频率挥和温度变化忙的曲线（图右4），为工博艺参数的优甜化提供了一丈定的基础。至图4抗剪啦强度随超声缠功率朽﹑泡压力和超声链频率变化的罗曲线唤目前铜丝引斜线键合应用奇中，多依赖伙经验来确定童工艺参数，闭尚未得到比羽较完善的工址艺参数范围些。梳2.2铜丝较引线键合的州接头性能评老估捆引线键合的渔接头性能主平要表现为接轮头强度以及锅热疲劳寿命故等。Toy攀ozawa雁等和Kh凶oury等亚的试验结果复均表明，铜准丝球形焊点碧抗拉强度与计抗剪强度都犯强于相同作直径的金丝梢焊点，其中旧抗剪强度的炭优势尤为明饱显。Cu/夜Al金属间喝化合物生长膊速率低于A凭u/Al，偿尤其是在高靠温下（图5税），因此在滩交界层不会延形成柯肯德芦尔空洞（K航irk-e胃ndall偷Void刊），使铜丝邀键合的接头牵性能优于金私丝键合。H窜ong等研咏究了铜丝球劣形焊点退火缝后的力学性怜能，发现接括头抗剪强度捕随着退火时务间的增加而垦变大，认为找是由于界面说金属的扩散航而导致。K兄houry战等做了一系惕列铜丝接头救和金丝接头短在相同温度傍下工作费﹑坛以及经受相苗同温度范围宅的热循环等合试验，认为桌铜丝键合的滨热疲劳寿命买至少不低于看金丝键合。来图5Cu扫/Al金属抗间化合物生付长速率低于祸Au/Al躁目前，对铜曲丝引线键合间的接头性能悄的研究主要饼集中在相同习条件下铜丝竞与金丝键合疲接头性能的悉对比试验研普究方面，缺财乏详尽的显鹿微组织分析盘和力学性能锻测试。先2.3超声颗波的机理研牧究陈热超声键合唐中，超声是芬主要的外加关能量之一。尾目前人们对季超声的作用网机理做了一易些研究，发静现在超声键委合中，超声问至少起到两促方面的作用燃：超声软化由和摩擦。醉伴超声软化征金属在超声怪激励下强度南和硬度减小弦的现象称为柿超声软化。饥Lange欣necke筛r把这种现姥象归因于超认声的能力，航认为位错优来先吸收声能上，使位错从晌钉扎位置开涝动，暂时迫使金属软化业，增加塑性欢能力，允许差金属在相对量较低的压力思下变形。目喜前人们对超炎声软化的机钥理尚无定论喜，而且热超锄声键合中超浪声波对金属抽力学行为影凭响的定量分枝析尚未见报标道。享抚摩擦枕Mayer愧通过显微传烤感器研究金妈丝热超声键牢合时发现金是球与基板接筝触面之间的贪摩擦是形成醉键合的重要况条件，并且透认为没有摩区擦就没有键猪合。Lum汁等在研究金欠丝键合在铜贪基板上所留宝下的痕迹时贸，发现许多设痕迹呈明显闸的环状（图妥6），正好狗可以用Mi赢ndlin瓦的弹性接触欧理论来解释轰。在相同的娇压力下，随谱着超声功率绘的增大，葵圆环的内径盲减小，直至坡由微摩擦（云micro君slip）升变为相对滑挽动（gro锅sssl壳iding会）（图7脆）。根据以绝上研究，合参理的设计压晃力和超声波董功率，能够凡得到良好的坛键合点。至言于铜丝键合修中超声的摩蚊擦作用如何翻，是否与金宾丝相似，目黄前尚未有报若道。委图6环状誓键和痕迹嫩图7超声害功率增加，驶键合痕迹由错微摩擦变为宋相对滑动的才示意图邀2.4实时酬监测与有限膜元分析远殖实时监测疾实时监测键原合过程中的售温度暖﹑蓝应力应变等测参数的变化乱，根据监测文到的数据实伞时调节输入完参数，对引凭线键合过程码的机理研究炊以及质量控纹制均十分有报利。Sch变neuwl脊y等提出一水种热电偶温海度测量技术护，他们在键渠合点处通过卸改进的劈刀脊引入Ni线仿和Au球形蛛成热电偶来任在线测量键昏合过程温度飘的瞬时变化洽，试验设置坊及操作过程字都比较复杂匹，结果离散昆性较大。S文uman等岂通过在基板肤中植入一种早兼容的铝-忆硅热电偶传史感器实现了共实时监测键冰合过程的温痛度。May吉er等开发圈了新型的原爆位监测方栽法，通过在精连接处植入类集成传感器居，可实现连锈接过程中温浮度和压力信奏号的实时监份测（图8）价。链图8集成伟传感器旷压有限元分析慰目前，随着标商业有限元稀软件的发展允，有限元方迟法越来越多潮的应用于引恢线键合的质贡量评估与分宪析中。引线逝键合是一个翁热力耦合的争过程，并且谋伴随着超声扣振动和内部红扩散，难以雅模拟。为了音简化，现在宜大多数模型速都采用2维缘轴对称结构介，并且把超赵声简化为热箩源处理。Z改hang等搞建立了一个梯3维模型，响并且通过改匀变接触面上源的摩擦系数浮来尝试模拟丸超声的摩擦烧作用。Vi愉swana件th等也建惕立了一个3衬维模型来模乏拟热超声引眨线键合在C瞒u/low史-k基板上狸的情形。到灭目前为止，湖在模型中尚超未考虑超声斯软化效果以达及内部扩散省作用，模型犹还不够完善驻。食3.铜丝引遗线键合存在驶的问题感铜丝引线键堤合与金丝相孟比具有价格君便宜备﹑稀成本低障﹑蔽导电导热性怜高和接头强猫度高等一系房列优点，然遭而铜丝键合委也存在一些壁金丝键合所峡不易出现的欣缺陷，主要冻有基板裂纹雾（Unde宰rpad败Crack畅）贴﹑夺硅坑（Si厅licon卧Crat盯ering娇，图9）记﹑绸接头强度低哄（Weak弹Bond汗）和虚焊（则Non-S痒tick）竹等。一般认新为由于铜丝糖硬度高于金茂丝，这意味舒着铜丝键合挑时需要更高反的超声功率躬和更大的压申力，这样比匀较容易对硅积基板造成损盼害，从而导省致基板裂纹看和硅坑缺陷量的产生，而夜如果超声功急率和压力设贸置偏小，又堆会导致接头奶强度低甚至珍导致虚焊。王另外，由于请同种金属焊法接无金相的脂差异，铜址丝可以直接秃键合在封装槽外壳的铜基津上，因此封竿装外壳的铜葵基上不必像匹金丝键合那鱼样镀银，这窗样导致铜基哄表面氧化，这即使采用保搅护气体也不雄能完全防止斧，所以第二欧焊点往往强贵度较低，甚赏至虚焊。稻图9硅坑常缺陷禽为了防止缺里陷的产生，挎人们采取了友各种措施。花Mori向烤纯的6N奥Cu中加入筋一种不影响尊铜丝硬度的惑成分，制成师一种新的铜月丝。试验表跑明这种新铜淘丝能够解决丽一些问题，皮如硅基板的似损坏问题，炎但并未说明海所加入是何候种成分。K知aimor晌i等在铜丝币表面镀Pd缓来防止铜丝淹氧化，并且欢获得质量较缎好的第二焊孔点。Toy厅ozawa提等提出了一李种压力两级帖加载技术（杂图10），泻试验表明运哨用此技术在为一定条件下飘能够解决基棋板裂纹和硅理坑问题。目返前工业应用较中，主要运慕用这种加载样技术。但是西基板缺陷仍严然存在，人竭们尚未能够培解决，这些逢缺陷严重影仁响了铜丝键谜合的大规模顺应用。营图10压固力加载结论与展望暂铜丝由于成应本低动﹑起导电导热性梁好摩﹑降接头强度高蚊等优点在集治成电路封装樱工业中得到冈越来越多的谣应用，铜丝坐引线键合技强术的研究发救展迅速。在绳防止铜丝氧蒜化，工艺优现化以及接头篇