銅線鍵合優勢和工藝的優化

韓幸倩，黃秋萍

（蘇州大學，江蘇 蘇州 215021）

1 引言

曾有位封裝界的名人說過，是封裝技術的發展真正促進了半導體應用市場的發展。雖然根據摩爾定律，芯片的尺寸在不斷地縮小，但封裝技術的一次次革命才真正實現了芯片體積的微縮和價格的下降。當今業界對日益小型化和復雜化的半導體封裝不斷提出新要求，對成本控制也變得迫切。近年來，金價顯著提升，而半導體工業對低成本材料的需求更加強烈，作為連接導線，銅線是金線的理想替代品。

2 銅線鍵合的優勢

2.1 更低的成本

早在10年前，銅絲球焊工藝就作為一種降低成本的方法應用于晶片上的鋁焊區金屬化。當時，行業的標準封裝形式為18～40個引線的塑料雙列直插式封裝，其焊區間距為150μm～200μm，焊球尺寸為100μm～125μm，絲焊的長度很難超過3mm。與現在的金絲用量相比，在當時的封裝中金絲用得很少。所以，實際上金的價格并不是主要問題。然而，隨著微電子行業新工藝和新技術的出現及應用，對封裝尺寸和型式都有更高、更新的要求。首先是要求鍵合絲更細，封裝密度更高而成本更低。一般在細間距的高級封裝中，引出端達500個，金絲鍵合長度大于5mm，其封裝成本在0.2美元以上。與以前相比，絲焊的價格成為封裝中的重要問題。表1列出銅和金的封裝成本比較。在大批量的IC封裝工藝中，銅絲成為替代金絲的最佳鍵合材料。

2.2 更低的電阻率

圖1列出銅和金在相同線徑時電阻率的比較，從圖1可以看出銅線電阻率較低，具有優良的電性能。這樣在獲得同等的導電性時，可用更細的銅線。特別在精密節距封裝中，就可以采用更細的銅線而不會影響電學性能。

2.3 更慢的金屬間滲透

由表2可以看出，金屬間化合物的導電性差，硬度高，所以金屬間化合物的存在與發展會影響電路鍵合點的可靠性，應控制其生長。

通過實驗比較，發現Cu/Al比Au/Al的金屬間化合物生長要緩慢得多，如圖2所示。

3 銅線鍵合工藝的優化

3.1 防止銅線氧化的工藝優化

與金絲不同的是，銅絲在空氣中極易氧化，在表面形成一層氧化膜。在自由空氣小球（FAB: Free Air Ball）形成期間的銅氧化反應會導致導線鍵合球的大小和形狀發生變化，會使鍵合力和焊盤形變很難控制，如圖3所示。

在實際操作中，首先在銅絲的生產包裝運輸途中采用真空包裝，目前許多銅絲供貨商都已實現。同時為了減少在焊線過程中Cu:O的生成，主要是對其在空氣中的暴露時間進行控制，空氣中暴露一般不得超過幾天，不用時應存放在保護氣體中，隔絕空氣對銅絲的緩慢氧化。

對于焊接過程中的防氧化方式，目前有兩種：一種是采用保護加還原的方式，即采用H:N 混合保護氣體，混合比率一般按95%的N2和5%H2，加在易出現氧化的EFO燒球點與工作臺的芯片加熱區域，流量一般為lL/min左右，而流量的大小主要視銅球的氧化顏色與銅球的焊接形狀而定，太大會出現高爾夫球情況，太小則會影響保護作用。而另一種是采用100%N2做為保護氣。

3.2 克服銅線硬度大的工藝優化

由于銅本身的硬度比金大，因此鍵合起來有難度。通過增加鍵合力度和超聲能量可以成功實現鍵合。但是如果鍵合力度或超聲能量過大．焊盤下邊的硅襯底就將受損，即出現所謂的“彈坑”，所以銅更容易損壞芯片的表面。

3.2.1 劈刀的選擇

同金線相比較，銅線選用劈刀（圖4）差別不是很大，但還是有一定的差異：

（1）銅線劈刀T太小容易切斷，造成拉力不夠或不均勻；

（2）銅線劈刀CD不能太大，也不能太小，不然容易出現不粘等現象；

（3）銅線劈刀H與金線劈刀無太大區別（H比銅絲直徑大8 μ m即可，太小容易從頸部拉斷）；

（4）銅線劈刀CA太小線弧頸部容易拉斷，太大易造成線弧不均勻；

（5）銅線劈刀FA的選用一般要求8°以下（4°～8°）；

（6）銅線劈刀OR選用大同小異。

3.2.2 壓力和超聲的優化

一種壓力兩級加載技術（圖5），試驗表明運用此技術在一定條件下能夠解決基板裂紋和硅坑問題。先用較大的壓力使焊球能平坦地與Al表面接觸，然后再使用較低的壓力和超聲波壓焊，以防止過大的壓力對Al層的損傷。

4 結語與展望

隨著微電子封裝技術的發展，在工藝上逐漸將傳統的金線換為銅線，用于細間距的器件封裝。對器件超細間距的要求成為降低焊絲直徑的主要驅動力。因而，在今后的微電子封裝發展中，銅線鍵合會成為主流技術。

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