铜丝引线键合技术的发展

铜丝引线键合技术的发展1铜丝引线键合技术的发展摘要铜丝引线键合有望取代金丝引线键合，在集成电路封装中获得大规模应用。论文从键合工艺﹑接头强度评估﹑键合机理以及最新的研究手段等方面简述了近年来铜丝引线键合技术的发展情况，讨论了现有研究的成果和不足，指出了未来铜丝引线键合技术的研究发展方向，对铜丝在集成电路封装中的大规模应用以及半导体集成电路工业在国内高水平和快速发展具有重要的意义。关键词集成电路封装铜丝引线键合工艺1.铜丝引线键合的研究意义目前超过90%的集成电路的封装是采用引线键合技术。引线键合（wirebonding）又称线焊，即用金属细丝将裸芯片电极焊区与电子封装外壳的输入/输出引线或基板上的金属布线焊区连接起来。连接过程一般通过加热﹑加压﹑超声等能量借助键合工具（劈刀）实现。按外加能量形式的不同，引线键合可分为热压键合﹑超声键合和热超声键合。按劈刀的不同，可分为楔形键合（wedgebonding）和球形键合(ballbonding)。目前金丝球形热超声键合是最普遍采用的引线键合技术，其键合过程如图1所示。由于金丝价格昂贵﹑成本高，并且Au/Al金属学系统易产生有害的金属间化合物，使键合处产生空腔，电阻急剧增大，导电性破坏甚至产生裂缝，严重影响接头性能。因此人们一直尝试使用其它金属替代金。由于铜丝价格便宜，成本低，具有较高的导电导热性，并且金属间化合物生长速率低于Au/Al，不易形成有害的金属间化合物。近年来，铜丝引线键合日益引起人们的兴趣。但是，铜丝引线键合技术在近些年才开始用于集成电路的封装，与金丝近半个世纪的应用实践相比还很不成熟，缺乏基础研究﹑工艺理论和实践经验。近年来许多学者对这些问题进行了多项研究工作。论文将对铜丝引线键合的研究内容和成果作简要的介绍，并从工艺设计和接头性能评估两方面探讨铜丝引线键合的研究内容和发展方向。铜丝引线键合技术的发展2图1金丝球形热超声键和过程2.铜丝引线键合的研究现状2.1工艺研究2.1.1防止铜丝氧化与金丝不同的是，铜丝在空气中极易氧化在表面形成一层氧化膜，而氧化膜对铜球的成形与质量有害，并且还有可能导致接头强度低，甚至虚焊（Non-Stick），因此必须采取措施防止铜丝氧化。Kaimori等尝试通过在铜丝表面镀一层抗氧化的金属来防止铜丝氧化，他们尝试了Au﹑Ag﹑Pd﹑Ni，发现镀的铜丝能形成较好的铜球，并且形成的接头力学性能也强于单纯的铜丝。但是此方法并未见任何工业应用的报道。目前工业应用中主要是采用保护气体来防止铜丝氧化，主要有如图2所示的两种保护装置。至于保护气体，Tan等﹑Hang等以及Singh等都发现使用95%N2和5%H2混合而成的保护气具有较好的抗氧化效果。铜丝引线键合技术的发展3图2两种常见的铜丝防氧化装置示意图2.1.2工艺参数由图1的球形热超声键合过程可以知道，键合质量与引线﹑劈刀﹑压力﹑能量和基板等因素有关。影响键合接头性能的主要工艺参数如图3所示。图3影响键和性能的主要工艺参数研究各种工艺参数对引线键合强度性能的影响，有利于键合工艺的设计和工艺参数的优化。Hang等发现铜线的端部距离火花放电的电极越近，火花放电后形成的铜球成形越好。并且Tan等和Hang等均发现铜球的直径与火花放电的电流和时间之间存在如式（1）的关系：tIf2DFAB（1）铜丝引线键合技术的发展4式中FAB（D）为铜球的直径；I为火花放电电流强度；t为火花放电时间。可以通过调节I和t获得成形好﹑质量高的铜球。Hang等通过一系列试验得到了直径为23μm的铜丝键合得到的球形焊点的抗剪强度随超声功率﹑压力﹑超声频率和温度变化的曲线（图4），为工艺参数的优化提供了一定的基础。图4抗剪强度随超声功率﹑压力和超声频率变化的曲线目前铜丝引线键合应用中，多依赖经验来确定工艺参数，尚未得到比较完善的工艺参数范围。2.2铜丝引线键合的接头性能评估引线键合的接头性能主要表现为接头强度以及热疲劳寿命等。Toyozawa等和Khoury等的试验结果均表明，铜丝球形焊点抗拉强度与抗剪强度都强于相同直径的金丝焊点，其中抗剪强度的优势尤为明显。Cu/Al金属间化合物生长速率低于Au/Al，尤其是在高温下（图5），因此在交界层不会形成柯肯德尔空洞（Kirk-endallVoid），使铜丝键合的接头性能优于金丝键合。Hong等研究了铜丝球形焊点退火后的力学性能，发现接头抗剪强度随着退火时间的增加而变大，认为是由于界面金属的扩散而导致。Khoury等做了一系列铜丝接头和金丝接头在相同温度下工作﹑以及经受相同温度范围的热循环等试验，认为铜丝键合的热疲劳寿命至少不低于金丝键合。铜丝引线键合技术的发展5图5Cu/Al金属间化合物生长速率低于Au/Al目前，对铜丝引线键合的接头性能的研究主要集中在相同条件下铜丝与金丝键合接头性能的对比试验研究方面，缺乏详尽的显微组织分析和力学性能测试。2.3超声波的机理研究热超声键合中，超声是主要的外加能量之一。目前人们对超声的作用机理做了一些研究，发现在超声键合中，超声至少起到两方面的作用：超声软化和摩擦。2.3.1超声软化金属在超声激励下强度和硬度减小的现象称为超声软化。Langenecker把这种现象归因于超声的能力，认为位错优先吸收声能，使位错从钉扎位置开动，暂时使金属软化，增加塑性能力，允许金属在相对较低的压力下变形。目前人们对超声软化的机理尚无定论，而且热超声键合中超声波对金属力学行为影响的定量分析尚未见报道。2.3.2摩擦铜丝引线键合技术的发展6Mayer通过显微传感器研究金丝热超声键合时发现金球与基板接触面之间的摩擦是形成键合的重要条件，并且认为没有摩擦就没有键合。Lum等在研究金丝键合在铜基板上所留下的痕迹时，发现许多痕迹呈明显的环状（图6），正好可以用Mindlin的弹性接触理论来解释。在相同的压力下，随着超声功率的增大，圆环的内径减小，直至由微摩擦（microslip）变为相对滑动（grosssliding）（图7）。根据以上研究，合理的设计压力和超声波功率，能够得到良好的键合点。至于铜丝键合中超声的摩擦作用如何，是否与金丝相似，目前尚未有报道。图6环状键和痕迹图7超声功率增加，键合痕迹由微摩擦变为相对滑动的示意图2.4实时监测与有限元分析2.4.1实时监测实时监测键合过程中的温度﹑应力应变等参数的变化，根据监测到的数据实时调节输入参数，对引线键合过程的机理研究以及质量控制均十分有利。Schneuwly等提出一种热电偶温度测量技术，他们在键合点处通过改进的劈刀引入Ni线和Au球形成热电偶来在线测量键合过程温度的瞬时变化，试验设置及操作过程都比较复杂，结果离散性较大。Suman等通过在基板中植入一种兼容的铝-硅热电偶传感器实现了实时监测键合过程的温度。Mayer等开发了新型的原位监测方法，通过在连接处植入集成传感器，可实现连接过程中温度和压力信号的实时监测（图8）。铜丝引线键合技术的发展7图8集成传感器2.4.2有限元分析目前，随着商业有限元软件的发展，有限元方法越来越多的应用于引线键合的质量评估与分析中。引线键合是一个热力耦合的过程，并且伴随着超声振动和内部扩散，难以模拟。为了简化，现在大多数模型都采用2维轴对称结构，并且把超声简化为热源处理。Zhang等建立了一个3维模型，并且通过改变接触面上的摩擦系数来尝试模拟超声的摩擦作用。Viswanath等也建立了一个3维模型来模拟热超声引线键合在Cu/low-k基板上的情形。到目前为止，在模型中尚未考虑超声软化效果以及内部扩散作用，模型还不够完善。3.铜丝引线键合存在的问题铜丝引线键合与金丝相比具有价格便宜﹑成本低﹑导电导热性高和接头强度高等一系列优点，然而铜丝键合也存在一些金丝键合所不易出现的缺陷，主要有基板裂纹（UnderpadCrack）﹑硅坑（SiliconCratering，图9）﹑接头强度低（WeakBond）和虚焊（Non-Stick）等。一般认为由于铜丝硬度高于金丝，这意味着铜丝键合时需要更高的超声功率和更大的压力，这样比较容易对硅基板造成损害，从而导致基板裂纹和硅坑缺陷的产生，而如果超声功率和压力设置偏小，又会导致接头强度低甚至导致虚焊。另外，由于同种金属焊接无金相的差异，铜丝可以直接键合在封装外壳的铜基上，因此封装外壳的铜基上不必像金丝键合那铜丝引线键合技术的发展8样镀银，这样导致铜基表面氧化，即使采用保护气体也不能完全防止，所以第二焊点往往强度较低，甚至虚焊。图9硅坑缺陷为了防止缺陷的产生，人们采取了各种措施。Mori向纯的6NCu中加入一种不影响铜丝硬度的成分，制成一种新的铜丝。试验表明这种新铜丝能够解决一些问题，如硅基板的损坏问题，但并未说明所加入是何种成分。Kaimori等在铜丝表面镀Pd来防止铜丝氧化，并且获得质量较好的第二焊点。Toyozawa等提出了一种压力两级加载技术（图10），试验表明运用此技术在一定条件下能够解决基板裂纹和硅坑问题。目前工业应用中，主要运用这种加载技术。但是基板缺陷仍然存在，人们尚未能够解决，这些缺陷严重影响了铜丝键合的大规模应用。图10压力加载结论与展望铜丝由于成本低﹑导电导热性好﹑接头强度高等优点在集成电路封装工业中得到越来越多的应用，铜丝引线键合技术的研究发展迅速。在防止铜丝氧化，工艺优化以及接头性能的评估等方面取得很多成果。但同时也暴露出键合机理不铜丝引线键合技术的发展9明﹑缺乏详尽的显微组织分析和力学性能测试﹑工艺参数窗口不完善等问题，尤其是基板裂纹和硅坑等重大缺陷尚未解决，严重地影响了铜丝键合的大规模应用。随着大规模集成电路的发展和对铜丝引线键合技术的不断关注和投入，影响铜丝键合的缺陷定能得到很好的解决，铜丝引线键合技术必将日臻完善，铜丝在集成电路封装中的大规模应用的时代必将来临。