固體繼電器采用銅絲鍵合的可行性與評價研究

Research on the Feasibility and Evaluation of Copper Wire Bonding in Solid Relays

WANG Jue ZHANG Qiu (China Electronics Standardization Institute)

Abstract:With the increasing maturityofcopper wire bonding technology，more and more civilian semiconductordevices arebonded with copper wire.Someequipment manufacturers have to choose copper wire bonding devices，but copper wire bonding devices are prone toreliabilityisues due to materialsand processes.This paper analyzes the feasibilityof copper wirebonding forsolidrelays.Basedontheresearchonforeignevaluationstandards forcopper wirebondingquality，thepaper discusses the evaluation of copper wire bonding in solid relays.

Keywords:copperwire;bonding; feasibility;evaluation

0 引言

固體繼電器從20世紀70年代發展至今，由最初簡單的分立結構已經發展到采用混合集成結構的固體繼電器，混合集成結構固體繼電器結合了傳統機械繼電器和固體繼電器的特點，具有小體積、高可靠性、長壽命、高靈敏度、低控制功率等特點。在固體繼電器小型化、智能化的應用需求下，高密度封裝技術成為固體繼電器技術發展的趨勢。隨著半導體技術的發展，目前微電子封裝領域已經采用使用銅線鍵合工藝技術，銅絲相比于金絲價格低、導熱性好、電導率大，相同直徑可承受更大電流，高剛度、直徑更小，因此近些年民用半導體行業逐步采用銅絲替代金絲。隨著大功率固體繼電器的研制與使用，行業逐步也在嘗試采用銅絲作為鍵合材料。

1 固體繼電器采用銅線鍵合的可行性分析

固體繼電器作為一種廣泛應用于工業自動化、電力電子等領域的電子開關器件，其內部鍵合工藝對器件的可靠性和性能具有重要影響。固體繼電器需要利用金屬絲與芯片、基底、引線框架鍵合實現芯片與外部的電連接，鍵合工藝是產品裝配過程中一道關鍵工藝，鍵合的質量直接關系到產品的性能和可靠性。傳統的鍵合材料多采用金絲或鋁絲和硅鋁絲，金絲具有化學性質穩定、抗氧化性好、導熱性和導電性良好等特點，廣泛應用于半導體器件，缺點是成本較高；鋁絲和硅鋁絲有電阻率高、導熱性差、機械強度低、焊點大、成本低等特點，需要較大的焊盤，不適于高密度封裝，在高電流負載下易發生電遷移現象。

隨著材料成本的上升和工藝的不斷優化，銅絲鍵合作為一種潛在的替代方案，逐漸受到關注。銅絲因其低成本、高導電率的特點，近年來在半導體封裝領域得到了廣泛應用。但銅線鍵合技術在實際使用中面臨著多個技術難點，這些難點主要涉及銅線的物理和化學特性、鍵合過程中的工藝控制以及設備精度和穩定性等方面，主要難點體現在以下幾個方面。

（1）銅線的氧化問題：銅線在空氣中容易氧化，形成氧化物層。這些氧化物會影響銅線的焊接性能和鍵合質量，導致焊球形狀和尺寸不一致，增加鍵合難度，并可能損壞鍵合焊盤，因此通常鍵合時需要利用氮氣進行保護。

(2）焊接一致性：銅線鍵合過程中的焊接一致性是一個關鍵挑戰。焊接一致性的問題直接影響到芯片與基板之間的連接強度和電氣導通性，進而影響電子產品的整體性能和可靠性。

（3）設備精度和穩定性：銅線鍵合設備的精度和穩定性對焊接一致性有重要影響。設備精度的高低決定了焊接過程中各工藝參數的準確性和可控性，而設備的穩定性則關系到焊接過程中各參數的一致性和重復性。

(4)銅線的硬度：銅線硬度較高，鍵合時需要更高的超聲功率與鍵合壓力，鍵合過程中容易對芯片形成損傷，導致鍵合區域下方的介質層、金屬化布線等結構出現破裂、損傷，造成彈坑損傷。這些問題可能在產品檢測時難以發現，但隨著時間的推移和使用環境的影響，可能導致開短路或軟擊穿等問題。

（5）塑封材料的腐蝕：封裝后的銅線易受到塑封材料中鹵化物的腐蝕，造成不可靠性不合格，焊線形成虛焊。

(6）操作人員的技能和經驗：熟練的操作人員能夠更準確地控制焊接過程中的各項參數和操作步驟，從而提高焊接質量和一致性。因此，加強操作人員的培訓和技能提升是提高焊接一致性的必要措施。

銅絲鍵合現實存在的這些難點使固體繼電器在應用中面臨諸多挑戰，如氧化問題、硬度較高導致的芯片損傷風險等，在生產過程中可以研究和開發新的保護措施和技術，通過優化鍵合工藝參數、提高鍵合設備精度和穩定性、加強操作人員的培訓和技能提升等一系列措施，解決銅線鍵合技術難點，有效降低固體繼電器鍵合點的電阻、提高器件效率，降低固體繼電器產品的生產成本，提高繼電器承受的機械應力。

（1）優化鍵合工藝參數：銅絲鍵合的成功實施依賴于工藝參數的優化，包括鍵合溫度、壓力、超聲波能量等。研究表明，采用適當的保護氣體（如：氮氣或氫氣）可以有效防止銅絲氧化，提高鍵合質量。此外，通過優化超聲波能量和鍵合壓力，可以減少對芯片表面的損傷。

（2）提高鍵合界面可靠性：銅絲鍵合的界面可靠性是其在固體繼電器中應用的關鍵。實驗表明，銅絲與芯片焊盤之間的金屬間化合物（IMC）

形成速度較快，且IMC層的厚度和均勻性對鍵合點的長期可靠性具有重要影響。通過控制鍵合溫度和時間，可以優化IMC層的形成，提高鍵合點的抗熱疲勞性能。

（3)改進鍵合材料：固體繼電器通常工作在高溫、高濕等惡劣環境中，因此銅絲鍵合的耐環境性能尤為重要。實驗表明，采用鍍層銅絲（如：鍍鈀銅絲）可以有效提高鍵合點的抗氧化性和耐腐蝕性，從而增強器件的環境適應性。

通過民用半導體行業采用銅絲鍵合的已有數據和使用經驗的研究分析，固體繼電器采用銅絲鍵合工藝是可行的。

2 國內外標準對銅絲鍵合拉力的試驗判據要求

鍵合拉力試驗是評價鍵合質量的最直接和有效的方法。鍵合拉力試驗包括破壞性鍵合拉力和非破壞性鍵合拉力，其中破壞性鍵合拉力是對鍵合絲施加拉力直至鍵合絲被拉斷或出現其他失效模式（如：鍵合點被拉脫）。

目前，我國已有的鍵合拉力標準GB/T4937.22—2018《半導體器件機械和氣候試驗方法第22部分：鍵合強度》\\`、GJB 128B—2021《半導體器件試驗方法》2和GJB548B—2021《微電子器件試驗方法和程序》3中，尚無銅絲鍵合拉力試驗的判據。

固態技術協會（JointElectronDeviceEngineeringCouncil，JEDEC)對銅絲器件的鍵合拉力試驗方法和判據進行研究后發現，如果針對銅絲制定鍵合拉力判據，需要考慮到不同類型銅絲材料（純銅或鍍鈀銅絲）的差異、不同鍵合界面的差異、不同鍵合工藝的差異等，試驗驗證的工作量非常大。經行業內長期對采用金絲鍵合的判據作為銅絲鍵合判據的數據跟蹤，未發生重大的技術問題。因此JEDEC決定采用金絲的鍵合拉力判據作為銅絲的鍵合拉力判據

2022年12月JEDEC發布的JESD47L《基于應力試驗的集成電路鑒定要求》4中規定封裝前的銅絲鍵合和金絲鍵合采用相同的鍵合拉力判據。但考慮到塑封器件開封可能會對鍵合絲或鍵合點造成一定的破壞，影響鍵合拉力試驗的結果，因此該標準不要求進行開封后的鍵合拉力試驗，也未規定器件開封后的鍵合拉力判據。

美國雷神公司在2022年發布的研究報告“Evaluation of Copper and Gold Wire Bonds inPEM Devices”（塑封器件金絲和銅絲性能對比）[5]顯示，該公司將金絲的最小拉力值的2倍作為銅絲的鍵合拉力判據。

美國國防部2019年發布的MIL-STD-1580C《電子、電磁和機電元器件破壞性物理分析方法》的第16部分“微電子器件（單片集成電路、混合集成電路、光耦和多芯片模塊）詳細要求”增加了對（封裝后）銅絲鍵合器件的破壞性物理分析要求：除另有規定外，銅絲和銀絲的鍵合拉力應滿足金絲的要求。

3典型銅絲鍵合質量評價標準分析

目前汽車行業及部分高可靠領域對銅絲鍵合質量評價采用的標準是汽車電子委員會制定的AEC-Q006《銅絲鍵合器件鑒定要求》規定了采用銅絲鍵合的汽車級塑封集成電路和塑封分立器件應進行的試驗項目和應力。AEC-Q101《基于失效機理的汽車用分立器件應力試驗鑒定要求》明確規定采用銅絲鍵合的器件鑒定檢驗時，用AEC-Q006規定的試驗項目取代AEC-Q101規定的同類試驗項目，其他試驗項目按AEC-Q101的規定。美國導彈防御局推薦使用該標準評價銅絲鍵合器件的可靠性，美軍標MIL-STD-1580C也規定依據AEC-Q006評價銅絲鍵合的質量。

3.1試驗應力要求

AEC-Q006規定的檢驗主要包括溫度循環、強加速穩態濕熱、高溫貯存和壽命試驗，而且為獲得更加充分的可靠性數據，規定要進行2次應力試驗，或者在與用戶就試驗條件、抽樣方案以及印制板的材料達成一致意見的前提下，可以用板級試驗替代第2次試驗；每次試驗前進行超聲掃描，試驗后進行電參數測試、超聲掃描、鍵合強度試驗、剖面分析等檢測。以分立器件為例，具體的試驗項目見表1所示。

3.2關鍵試驗項目

3.2.1溫度循環試驗

溫度循環試驗主要評價銅絲承受溫度變化帶來的內部剪切應力的能力，試驗條件為1000次循環。溫度變化過程中，鍵合絲不斷受到塑封料的拉扯，造成鍵合絲出現熱疲勞。由于銅絲鍵合的硬度較高，柔韌性比金絲和鋁絲差，因此銅絲鍵合比金絲和鋁絲更容易出現熱疲勞失效，更容易出現分層。

3.2.2強加速穩態濕熱/高溫高濕反偏試驗

強加速穩態濕熱/高溫高濕反偏試驗的作用是加速塑封料中氯離子對銅絲鍵合和焊盤界面生成的金屬間化合物的腐蝕，嚴重的腐蝕可導致界面處出現裂紋。試驗時施加的偏置電壓為 80% 的額定電壓，試驗結果表明，試驗時的偏置電壓越高，金屬間化合物越容易產生退化。強加速穩態濕熱試驗的條件為 130^°C ，相對濕度 85% ， 96h ，高溫高濕反偏試驗的條件為 85°C ，相對濕度 85% ， 1000h 。

3.2.3高溫貯存或高溫柵偏或高溫反偏

高溫可以加速銅/鋁（A1)界面金屬間化合物的生長，從而產生開路失效，還會降低第二焊點鍵合的機械性能。試驗在最高貯存溫度下進行，時間為1000h 。

3.2.4間歇工作壽命試驗

間歇工作壽命試驗通過電壓、電流、溫度的綜合作用加速器件的老化，考核芯片的可靠性，但在AEC-Q006B的草案中省略了該項試驗，認為通過溫度循環試驗可以充分評價銅絲承受熱-機械應力的能力，這項試驗要求變化需要后續跟蹤關注。

3.3試驗分析要求

對試驗結果分析是對采用銅絲鍵合器件質量評價的重點，AEC-Q006規定的試驗分析項目包括超聲掃描、鍵合強度試驗和剖面分析。

3.3.1超聲掃描

超聲檢測是非破壞性分析試驗，可以發現器件內部出現的分層、空洞、裂紋等情況。通過對試驗前、試驗后的超聲掃描圖像進行對比，可以判斷分層等缺陷的發展情況。AEC-Q006重點關注銅絲鍵合點附近塑封料的分層情況，并提出了有針對性的判據，見表2。由于認為器件出現分層并不一定表示器件可靠性存在問題，因此AEC-Q006規定制造商可以就分層情況與用戶進行協商，由用戶決定分層是否可以接受。

3.3.2鍵合強度

鍵合強度試驗可以有效地評價鍵合點和鍵合工藝的質量，AEC-Q006標準規定：封裝前，確定焊球鍵合點的剪切力與鍵合點面積的關系，確定鍵合點能夠承受的最大拉力，進行焊盤彈坑檢測；封裝后，對器件開封在第一鍵合點進行鍵合拉力試驗和鍵合球剪切試驗（適用時），在第2鍵合點進行鍵合拉力試驗。

3.3.3剖面分析

剖面分析的目的是評估鍵合點的質量和可靠性，剖面后通過顯微鏡觀察和掃描電子顯微鏡觀察，檢查鍵合點是否出現裂紋、金屬間化合物生長等問題。

AEC-Q006標準規定，應選擇應力試驗后基于超聲掃描觀察到的最壞情況器件進行剖面分析。對球形焊鍵合進行檢查包括：一是檢查鍵合區形成的金屬間化合物情況；二是檢查裂紋的初始位置和擴展情況；三是檢查應力試驗后的腐蝕情況。對于楔形焊鍵合進行檢查包括：接觸面積、楔形焊鍵合絲的角度、裂紋的初始位置和擴展情況、應力試驗后的腐蝕情況、鍵合區形成的金屬間化合物的情況等。

3.4試驗樣品

AEC-Q006標準規定每項試驗的樣品需從3個非連續批中各抽取77只樣品，抽樣數量較大，這是因為該標準是為器件制造商進行銅絲鍵合的汽車級器件進行補充鑒定準備的。

AEC-Q006標準允許按芯片、封裝工藝和封裝廠3個主要因素將器件分布不同的技術族系，同一族系內的器件允許用其他已通過鑒定的器件的數據替代該器件的鑒定，從而降低器件的鑒定成本。

4結語

金絲和鋁絲在鍵合領域已經大量使用，積累了大量的數據，隨著銅絲鍵合工藝日益成熟，越來越多的民用半導體器件采用銅絲進行鍵合，銅絲替代傳統的金絲鍵合已經成為半導體封裝工藝發展的必然趨勢。但由于銅絲鍵合的失效機理與傳統使用的金絲鍵合不同，銅絲鍵合器件的可靠性數據尚不充分，因此在銅絲鍵合器件用于高可靠系統時，如何對銅絲鍵合器件進行科學考核評價方法是目前國內部分用戶正在關注研究的問題。

固體繼電器技術發展高度依賴半導體技術的發展，隨著固體繼電器小型化、智能化的發展，固體繼電器內部采用銅絲鍵合工藝實現互聯從材料特性、工藝可行性及可靠性等方面綜合考慮都具有顯著的可行性和良好的應用前景。與傳統金絲鍵合相比，銅絲鍵合的材料成本可降低 50% 以上，盡管銅絲鍵合工藝的初期設備投入較高，但隨著工藝的成熟和規?；a，其綜合成本優勢將更加顯著。未來的研究應聚焦于銅絲表面處理技術、鍵合工藝的精細化控制以及長期可靠性評估，以推動銅絲鍵合在固體繼電器中的廣泛應用。

AEC-Q006標準規定的銅絲鍵合考核項目和應力針對銅絲鍵合的失效機理和失效模式制定，能夠滿足汽車對器件的應用需求，得到了美國國防部的認可，在當前國內尚缺少銅絲鍵合質量評價標準的情況下，為了科學有效地對固體繼電器進行考核，可以參考AEC-Q006標準的考核思路，對采用銅絲鍵合工藝的固體繼電器進行質量評價不失為一種解決問題的思路。

參考文獻

[1] 全國半導體器件標準化技術委員會.半導體器件機械和氣候試驗方法第22部分：鍵合強度：GB/T4937.22-2018[S].北京：中國標準出版社，2018.

[2] 中央軍委裝備發展部.半導體器件試驗方法：GJB128B-2021[S].北京：國家軍用標準出版發行部，2021.

[3] 中央軍委裝備發展部.微電子器件試驗方法和程序：GJB548B-2021[S].北京：國家軍用標準出版發行部，2021.

[4] JEDEC.Stress-Test-DrivenQualificationofIntegratedCircuits:JESD47L:2022[S].Arlington，USA:JEDEC，2022.

[5] BrianMyer.EvaluationofCopperandGoldWireBondsinPEMDevices[R].Waltham，USA:Raytheon，2022.

[6] UnitedStatesDepartmentofDefense.MIL-STD-750FTest Methods For SemiconductorDevices[S].WashingtonD.C，USA:U.S. Department of Defense，2022.

[7] Automotive Electronics Council.AEC-Q006AQualification Requirements For Components Using copper(Cu)WireInterconnections[S].Dearborn，USA，2016.

[8] Automotive Electronics Council.AEC-Q1o1 FailureMechanismBased StressTestQualification ForDiscreteSemiconductors[S].Dearborn，USA，2021.

[9] United StatesDepartmentofDefense.MIL-STD-1580C Destructive Physical Analysis For Electronic，Electromagnetic，And Electromechanical Parts[S].WashingtonD.C，USA:U.S.DepartmentofDefense，2019.