銅線鍵合優(yōu)勢和工藝的優(yōu)化

韓幸倩，黃秋萍

（蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215021）

1 引言

曾有位封裝界的名人說過，是封裝技術(shù)的發(fā)展真正促進了半導(dǎo)體應(yīng)用市場的發(fā)展。雖然根據(jù)摩爾定律，芯片的尺寸在不斷地縮小，但封裝技術(shù)的一次次革命才真正實現(xiàn)了芯片體積的微縮和價格的下降。當今業(yè)界對日益小型化和復(fù)雜化的半導(dǎo)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(dǎo)體工業(yè)對低成本材料的需求更加強烈，作為連接導(dǎo)線，銅線是金線的理想替代品。

2 銅線鍵合的優(yōu)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(yīng)用于晶片上的鋁焊區(qū)金屬化。當時，行業(yè)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(qū)間距為150μm～200μm，焊球尺寸為100μm～125μm，絲焊的長度很難超過3mm。與現(xiàn)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(yè)新工藝和新技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)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(yōu)良的電性能。這樣在獲得同等的導(dǎo)電性時，可用更細的銅線。特別在精密節(jié)距封裝中，就可以采用更細的銅線而不會影響電學(xué)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(dǎo)電性差，硬度高，所以金屬間化合物的存在與發(fā)展會影響電路鍵合點的可靠性，應(yīng)控制其生長。

通過實驗比較，發(fā)現(xiàn)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(yōu)化

3.1 防止銅線氧化的工藝優(yōu)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(yīng)會導(dǎo)致導(dǎo)線鍵合球的大小和形狀發(fā)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(chǎn)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(xiàn)。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(yīng)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(xiàn)氧化的EFO燒球點與工作臺的芯片加熱區(qū)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(xiàn)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(yōu)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)不粘等現(xiàn)象；

（3）銅線劈刀H與金線劈刀無太大區(qū)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(yōu)化

一種壓力兩級加載技術(shù)（圖5），試驗表明運用此技術(shù)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(jié)語與展望

隨著微電子封裝技術(shù)的發(fā)展，在工藝上逐漸將傳統(tǒng)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(qū)動力。因而，在今后的微電子封裝發(fā)展中，銅線鍵合會成為主流技術(shù)。

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