微電子封裝用主流鍵合銅絲半導體封裝技術

雒繼軍

（佛山市藍箭電子股份有限公司，廣東佛山，528051）

0 引言

半導體封裝技術的主要工序為晶圓劃片切割、芯片貼裝、引線鍵合以及后面的塑封、成型、測試等。其中，引線鍵合主要利用金、鋁、銅、錫等金屬導線建立引線與半導體內部芯片之間的聯系，引線鍵合能夠將金屬布焊區或微電子封裝I/O 引線等與半導體芯片焊區連接，是半導體封裝工藝的重要工序環節，其施工質量對于半導體功能應用的發揮具有較大影響。相對于金絲而言，鍵合銅絲具有更低的生產成本和良好的導電性能，使其在半導體封裝以及集成電路、LED 等眾多領域得到推廣應用。

1 鍵合銅絲的應用優勢分析

在材料成本方面，金絲是銅絲材料價值的60～70 倍，隨著微電子行業的發展，半導體封裝時的封裝密度持續提升且鍵合線直徑持續降低，100 個引出端、3mm 鍵合金絲長度的高級封裝通常需耗費約0.8 美元的封裝成本，線焊成為影響成本的重要因素，相關對比結果詳見表1。在MRP、OP2、EFP 等眾多工藝的作用下，銅絲堅實展現出更低成本的同時也凸顯出更加穩定、牢固的性能，這為鍵合銅絲的推廣應用奠定了基礎[1]。

表1 1mil直徑、5mm長度銅絲與金絲封裝成本比較

在電學性能方面，銅絲的電導率約為金絲的1.33 倍，能夠在高密度半導體封裝器件中以更低的直徑尺寸承載更多電流，滿足半導體期間的運行需求。在熱學性能方面，銅絲具有比金、鋁等材料更高的熱傳導系數，而且在熱膨脹性能方面銅的熱膨脹系數更低，在高密度半導體器件中能夠具有更良好的散熱性能和熱穩定性能[2]。在機械性能方面，銅的硬度更高，鍵合銅絲無論是伸長率還是破斷力都優于金絲，不僅對機械應力的抵抗力更強，在規避塌陷問題、提升成弧性和一致性方面更具優勢，能夠有效提升所封裝半導體的性能可靠性。

2 鍵合銅絲應用期間的主要問題分析

■2.1 銅線氧化問題

相對而言，銅絲比金絲更容易氧化，在銅絲表面氧化反應的影響下，銅絲鍵合期間形成的自由空氣小球將產生形狀與尺寸的改變，導致操作人員難以有效控制鍵合力，導致焊盤形變量超出標準范圍，影響半導體封裝成品率。

■2.2 銅絲硬度大，超聲能量或鍵合力難以控制

為解決銅絲硬度大帶來的鍵合難度，半導體封裝企業通常選擇應用超聲工藝或鍵合壓力工藝提升鍵合效果，這也導致焊接期間需要耗費更多的時間完成鍵合工作[3]。在鍵合期間，如果操作人員對超聲能力或壓力控制不到位，將導致硅襯底在焊盤下方出現彈坑等破損情況，隨著作用力的增加，銅絲的第二焊點存在更低的可靠性，良品率相對較低。在鍵合壓力或超聲能量的作用下，銅線鍵合期間更容易出現鋁從焊盤擠出的情況，這與鍵合時間過長有關，為利用更高的鍵合強度實現對高強度銅絲的鍵合處理，焊盤將長時間承受超聲功率或鍵合壓力影響，最終引發該情況，詳見圖1。此外，在熱超聲焊接過程中，如果操作人員對作用力和能量控制不到位不僅會影響焊接效果，還會導致基板下方氧化層受損，引發電解質泄漏失效等問題。

圖1 銅線鍵合焊盤被擠出示意圖

3 鍵合銅絲半導體封裝優化措施分析

■3.1 添加微量元素改善銅絲性能

如前文所述，銅絲的氧化性對于半導體封裝成品率具有較大影響，為改善鍵合銅絲性能，相關生產單位可以利用堿土元素作為脫氧劑，常用的元素主要包括Sr、Ca、Mg 以及Be。其中，Mg 能夠作為一種強脫氧劑改善銅絲的氧化性能，有效減少銅絲中氧化鐵或氧化亞銅的含量，銅鎂融合應用生產的鍵合銅合金能夠在焊接高溫的影響下維持優異的抗氧化性，有效規避銅球不良問題；Ca 元素的應用能有效改善銅絲材料的抗氧化性、高溫塑性、封裝性能以及力學性能，Sr 元素的應用則可以通過增強表面致密性與晶界完整性的方式使抗氧原子深入銅絲內部，強化鍵合銅絲的抗氧化能力，避免在銅絲熔球期間出現不穩定情況。過渡元素的應用也能夠有效改善鍵合銅絲的性能，如提升抗氧化、抗腐蝕性能的Ru 元素，改善焊接效果和抗氧化性能的Nb 元素，提升銅絲高溫塑性、規避雜質危害、細化晶粒、改善銅絲結晶溫度的Zr 元素，降低銅絲硬度并細化晶粒以改善銅絲鍵合性能的Ti 元素，相關生產單位需要結合實際需求選擇微量元素添加比例，有效改善鍵合銅絲性能，增強半導體封裝質量。

■3.2 使用絕緣涂層改善封裝效果

雖然金、銀、鉑等貴金屬材料以及鎳、鈷、鈦等抗腐蝕材料作為涂層能夠有效改善鍵合銅絲的抗氧化、抗腐蝕等性能，考慮到鍵合銅絲本身直徑相對較低，應用金屬涂層的成本相對難以接受，因此生產單位可以選擇應用種類繁多且價格低廉的絕緣材料作為鍵合銅絲的涂層改善其鍵合效果。在相關研究成果中，某專利通過5～60nm 的有機涂層涂抹于鍵合銅絲表面，最終形成能夠在長期運輸存儲中維持較強的抗氧化能力，同時也可以在200℃以上的高溫中維持涂層的穩定性；某專利通過聚合物絕緣涂層防止鍵合銅絲氧化問題，在焊接高溫的影響下涂層材料還能夠自動分解，避免對銅絲與其他部件的導通行產生影響，有效提升了半導體封裝質量。在絕緣涂層應用期間，生產單位需要充分考慮絕緣涂層的耐高溫性能，相關研究指出，絕緣涂層雖然在鍵合期間不易出現分解反應，但容易在銅絲熔球期間出現碳化情況，導致鍵合銅絲的輸送與鍵合受到影響，而且絕緣涂層還存在結合性差、易剝離等問題，需相關生產單位進行優化改進。

■3.3 超聲的工藝優化

超聲設備是確保銅絲鍵合工藝順利開展的關鍵設備，主要包括聚能器、換能器以及發生器幾個部分[4]。其中，換能器是超聲設備的核心部件，起到將電能轉化為機械能的作用，能夠從振幅和軌跡兩方面實現對鍵合工具的調整；聚能器與鍵合工具則起到放大和傳遞超聲能量的作用，對于系統諧振頻率具有直接影響。銅絲鍵合常用的超聲設備通常為雙向垂直超聲系統，通過將壓電陶瓷裝設于雙向垂直桿部位，控制系統產生兩種不同的振動頻率并形成兩種軌跡，研究發現，方形與圓形的軌跡相對線形軌跡能夠展現出更高的焊接強度、焊接變形量和焊接升溫效果。

銅絲鍵合期間的球焊需要同時利用超聲、壓力以及熱能三種能量，彈坑失效模式通常與超聲波震動存在關聯。相關研究發現，超聲鍵合的效果主要與超聲軟化以及摩擦有關，對超聲工藝的優化也可以從這兩點入手。其中，超聲軟化的具體現象為超聲能量作用于銅絲等金屬材料并將其硬度與強度降低，Langenecker 研究發現，銅絲晶體中存在的位錯優先選擇將聲能吸收，從釘扎位置開動位錯，最終起到強化銅絲塑性，促使銅絲在更低壓力的作用下產生變形情況，這種情況下的存在對于改善鍵合銅絲性能具有積極意義，能夠進一步縮短其與金絲材料的差距。在針對鍵合銅絲的研究中發現，銅絲的熱超聲鍵合條件之一是強化基板接觸面與銅球之間的摩擦力，由此可以確認摩擦的銅絲鍵合的關鍵點之一。銅絲鍵合期間在基板上的遺留痕跡形狀主要為環狀，這與彈性接觸理論相貼合，證明在壓力相同的情況下，超聲功率的提升能夠縮減圓環內徑，使得原有的細微摩擦狀態轉化為相對滑動狀態。為此，在鍵合工藝優化時，生產單位需要積極探尋超聲能量與壓力兩者的契合點，實現對銅絲鍵合期間摩擦力的有效改善，持續增強銅絲鍵合質量，提升半導體封裝良品率。

■3.4 火花放電的工藝優化

火花放電工藝對于銅球引線鍵合期間引線球的形成具有重要作用，第二點楔鍵合完成后，在電弧放電的作用下能夠熔化尾線，并在溫度梯度、表面張力以及自重的影響下形成銅球。銅絲尾線的長度與第二鍵合的質量存在關聯，下一個第一點鍵合的質量將受到上一個第二點鍵合質量的直接影響，第一鍵合點的尺寸也與引線、熔球兩者的直徑比存在較大關聯，在始終應用銅絲作為鍵合引線的情況下，熔球直徑與火花放電的距離、時間、電流大小存在直接關聯，而且時間和電流大小的影響更大，通常需要以ms 級精度控制放電時間，以10mA 級精度控制放電電流大小，以此來規避熔球直徑存在的誤差問題。

當銅絲在鍵合焊接期間形成銅球時，火花放電的溫度較高，銅球急速膨脹并達到真空氣氛狀態，在與大氣快速混合的同時也導致銅球的氧化變形概率更高。相對而言，銅球氧化后將展現出更加堅硬的質地，導致焊接的難度進一步增加，容易因此出現較大的焊接誤差。針對這一問題，操作人員可以利用5%氫氣與95%氮氣的混合氣體進行防氧化保護，通過在EPO 燒球點與芯片加熱區噴放保護氣體，起到防護作用，具體應用情況詳見圖2。通過測試發現，氮氫混合氣體的防護使得鍵合期間形成的銅球相對無防護環境下的銅球具有更均勻的形狀和光滑的表面，構建的線弧也更加流暢、光滑，結果表明了保護氣體對火花放電工藝的改善效果。

圖2 保護氣體裝置

保護氣體流量的大小對于銅球形狀具有較大影響，銅線鍵合期間的氣體流量通常控制在每分鐘0.7～1L 左右。不同流量下的銅球形狀存在差異，大流量會導致偏頭問題出現，小流量將導致尖頭問題，而中流量的形狀更加優異，在實際操作時，生產單位需要通過現場測試決定保護氣體的流量大小，具體可以參看銅球氧化顏色的變化情況以及焊接銅球的形狀等對流量進行調整。

研究發現，火花放電電極與銅絲端部的間距對于電流大小和銅球成形效果具有較大影響，隨著間距的縮小，銅球將趨于穩定的圓球形，但硬度也會產生一定幅度的提升，不同鍵合銅絲的火花放電電流詳見表2。

表2 電流范圍

4 結語

綜上所述，銅絲相對金絲、鋁絲等材料在成本、導電性、熱學性能以及機械性能等各方面更具優勢，更能夠適應微電子工業的發展趨勢，符合半導體產品的封裝需求。在鍵合銅絲應用過程中，相關單位需要充分考慮銅絲易氧化以及硬度大等問題對鍵合質量的影響，積極采取涂抹絕緣涂層、添加微量堿土、過渡元素等方式改善銅絲的抗氧化相關性能，同時也需要積極優化超聲、打火、保護氣流量等相關工藝，不斷提升半導體封裝質量。