微電子器件封裝銅線鍵合可行性分析

宋慧芳

（上海交通大學微電子學院，上海 200240）

1 引言

近半個世紀以來，半導體科技的飛速發展給我們的日常生活帶來了日新月異的變化，從電腦、手機、數碼相機這些生活必備品的出現，以及它們的快速更新、升級，這一切都歸功于半導體技術的飛速發展。緊跟摩爾定律的“神話”，半導體技術革新向著更小、更快、更低功耗、更低成本的目標不斷前進。

在大環境的激烈競爭下，半導體不同領域的公司都在想盡辦法研發出具有市場競爭力的產品或者提供優勢服務，包括上游IC設計公司，中游外包服務廠Fab、Assembly、Test house，還有下游的材料、設備供應商等。尤其經歷了2008～2009年世界范圍的金融危機，更加激勵半導體技術朝向低成本、高品質方向不斷革新和發展，例如IC設計更加趨于高密度集成，晶圓尺寸更加趨于大尺寸制造等等。

趨于如上的發展方向，芯片的制造成本越來越低，但對于封裝廠來說，材料的選用基本沒有太大變化，而且隨著原材料價格不斷上漲（例如金價目前已超過1500美金/蠱司，未來將有超過2000美金的趨勢），原材料價格占封裝成本中的比例越來越凸顯出來，基本上金線成本占所有封裝成本的30%左右，而且封裝外包廠占據產業下游，更面臨價格戰的考驗。在此種嚴峻的情況下，封裝廠需要找出替代金線鍵合的方案，目前行業內正在大力研發銅線替代金線鍵合的方案。因為銅線的價格優勢，加之良好的導電、導熱、機械性能，替代金線鍵合并實現量產具有很高的可行性。但是金線鍵合已存在半個世紀，加之完善的制程工藝，要完全替代是有難度的，而且銅導線的制備、應用，包括后續產品可靠性方面還存在諸多問題有待解決，例如銅易氧化影響鍵合質量和產品壽命，銅的硬度較高容易造成Al墊受損等劣勢，同樣面臨巨大考驗。于是封裝外包廠應該多同客戶、材料供應商、設備供應商合作，共同研究，找出解決方案，將該方案盡快由設想或者小規模生產轉變為大規模量產，這樣就可以在保證產品品質的前提下大幅降低生產成本，使封裝外包商在整個產業鏈中更具有市場競爭力。

2 銅導線和金導線比較

2.1 銅導線優勢

2.1.1 價格

2009年11月國際金價突破1000美元/盎司大關，時隔兩年，2012年初國際金價已經達到1700美元/盎司，而同期國際銅價約為3.8美元/磅（1公斤＝2.2磅=35.274蠱司）。一面是金價持續攀升，一面是電子消費類產品的價格不斷走低，封裝廠尋找替代金線的新型焊接材料勢在必行。在這種嚴峻環境下，銅導線以其良好的電學、熱學、機械特性及低成本優勢走進了封裝領域研究人員的視野。

2.1.2 導電率

銅線的導電率為0.62μΩ/cm，金的導電率為0.42μΩ/cm，可見銅的電學特性高于金導線，即相同直徑的鍵合線，銅比金可以承載更多的電流。

2.1.3 導熱率

銅線的熱導率為401W/(m·k)，金的熱導率為318W/(m·K)，可見銅的熱導率高于金導線。因此銅線比金線更加容易將封裝中的熱散掉，這樣就減少了它本身所受的熱應力。

2.1.4 化合物生長率

銅鋁化合物的生長率低于金鋁化合物的生長率，這樣將提高器件封裝的可靠性。同時銅相比于金線更適合高密度細絲引線封裝。

2.2 銅導線劣勢

2.2.1 銅易氧化

銅易氧化，這有可能降低材料的使用壽命，并給材料的儲存環境和條件帶來一定的要求。另外在鍵合過程中高溫作用容易氧化成CuO，影響焊合性能，降低產品可靠性。

2.2.2 硬度

銅的硬度比金要大，金導線硬度＜60，而銅導線硬度＞64；金球硬度＜39，而銅球硬度＞50。氧化的銅會變得更加硬，所以鍵合就更加困難。

3 銅導線制備工藝和性能研究

如想實現銅導線鍵合，必須先實現其原材料的制備，所以如何制備適用于低成本、細間距、高引出端元器件封裝的銅導線同樣獲得半導體材料制造商的關注。

3.1 焊合導線的性能要求

表面清潔，無油污，無拉伸潤滑痕跡，無顆粒附加物和其他任何臟污；表面無大于直徑5%的刻痕、凹坑、劃痕、裂紋、凸起和其他任何有可能降低器件使用壽命的缺陷；導線在放開即自由伸展時應無明顯彎曲，導線的彎曲應不降低其使用性能；導線無軸向彎曲；高的表面質量；可拉性。

由于銅絲球焊在長引線、超微細絲的高密度封裝中的獨特優勢，作為替代金導線的超微細絲具有廣闊的市場前景，但由于其標準要求嚴格并且加工困難，因此對拉制單晶銅鍵合導線的坯料性能提出更高的要求。

拉線性能是微細拉線的特性標志。在銅桿標準中，規定了化學成分、延伸率、電阻系數、表觀狀況和用扭絞試驗判斷內在缺陷。另外國際有一個參數指標來衡量短線率，即每次短線可拉至的銅線重量：T/B值（T為銅線重量，B為短線次數）。

3.2 不同單晶銅的性能研究

不同晶向彈性模量的差異，如銅單晶的E100=91 GPa，E111=165 GPa，E110=137GPa，不同取向單晶的應力應變曲線也有很大的差異，銅絲中〈111〉結構為主時，銅絲的剛度大，加工硬化率高，形變抗力大，鍵合時劈刀攜帶銅絲快速沖擊可能對硅芯片造成損傷。相反，〈100〉取向晶粒形變抗力小，可能降低絲本身的強度，即降低拉拔強度。

3.3 銅導線焊合組織和微結構變化研究

如果想更好地實現銅導線代替金導線制程，最好清楚了解銅導線在每個鍵合階段的組織和微結構變化。銅線鍵合的基本過程包括：（1）由鑄錠拉拔及退火制備出銅線；（2）通過高壓放電（EFO過程）造成局部熔化在絲的端部形成自由球；（3）銅絲球第一鍵合實現銅絲球與芯片的連接；（4）絲的另一端與引線框架實現楔形鍵合。

3.3.1 形成自由球過程

銅線與金線最大的差異在于銅易氧化，焊合過程中因放電極加熱板加熱，會形成氧化銅。已氧化的FAB（Free Air Ball）球不圓，容易造成打不黏。

在1000℃以下形成黑色氧化物，反應為2Cu+O2→2CuO；1000℃以上形成褐色氧化物，反應為4CuO→2Cu2O+O2

3.3.2 一焊點鍵合

所謂一焊點，即焊線同芯片PAD進行鍵合形成的焊點。目前由于Foundry的制程分Al制程和Gu制程兩種，即焊墊也存在Al和Gu兩種，但是目前行業內鋁墊占多數。在加熱狀態下，銅球會和Al Pad或者Gu Pad達到熔融狀態并實現鍵合，需要著重分析銅鍵合線針對此兩種PAD的鍵合狀態。

4 銅導線焊合技術難點

4.1 如何控制氧化

在加熱過程中加入惰性氣體和混合氣體進行抗氧化保護，因氧化稀釋作用不會燃燒或起化學反應，借以防止氧化。

混合氣體成份為95% N2和5% H2。為了防止氧化，必須在加熱區吹N2保護，隔離空氣中的氧；利用H2燃燒產生高溫，燒球比較圓，H2含量越高燒球越圓。

4.2 銅的高硬度造成焊合困難

因為銅的硬度高于金，銅絲鍵合時需要更高的超聲功率和更大的壓力，這樣比較容易對PAD造成傷害，而如果降低超聲功率和壓力，又會造成虛焊。如何在實際工藝中尋找合適的參數，需要利用DOE試驗分析方法。

5 銅導線和金導線焊點可靠性對比分析

實際生產過程中，關于焊合制程的缺陷通常為基板裂紋、硅坑、接頭強度低和虛焊等等。這些不良基本上是和金導線相同，但是由于銅焊線的高硬度，例如基板裂紋或者硅坑應該更容易出現在銅焊線制程當中。另外銅易氧化，高濕環境下對產品的可靠性是否有明顯影響也是一個問題。另外銅導線制程又給可靠性分析帶來一定的挑戰，例如銅線會跟硝酸進行反應，所以不能用傳統的噴射刻蝕來對封裝器件做失效模式分析。

雖然銅絲鍵合在制備、實際生產、后續產品可靠性問題上都存在諸多問題待確認和解決，但是隨著半導體技術的不斷發展，該技術必將日臻完善。

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