銅線鍵合氧化防止技術(shù)

1、 銅線鍵合氧化防止技術(shù)摘 要 銅線以其相較傳統(tǒng)金線更加良好的電器機械性能和低成本特點，在半導(dǎo)體引線鍵合工藝中開始廣泛應(yīng)用。但銅線易氧化的特性也在鍵合過程中容易帶來新的失效問題。文中對這種失效機理進(jìn)行了分析，并對防止銅線鍵合氧化進(jìn)行了實驗和研究。關(guān)鍵詞 銅線 鍵合 氧化 失效1、引言半導(dǎo)體引線鍵合（wire bonding）的目的是將晶片上的接點以極細(xì)的連接線（1850um）連接到導(dǎo)線架的內(nèi)引腳或基板的金手指，進(jìn)而籍此將ic晶片之電路訊號傳輸?shù)酵饨?。引線鍵合所使用的連接線一般由金制成。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。銅線已經(jīng)在分離器件和低功率器件上成功應(yīng)用。隨著技術(shù)

2、的進(jìn)步，細(xì)節(jié)距銅引線鍵合工藝已得到逐步的改進(jìn)與完善。銅作為金線鍵合的替代材料已經(jīng)快速取得穩(wěn)固地位。但由于銅線自身的高金屬活性也在鍵合過程中容易帶來新的失效問題。引線鍵合技術(shù)又稱為焊線技術(shù)，根據(jù)工藝特點可分為超聲鍵合、熱壓鍵合和熱超聲鍵合。由于熱超聲健合可降低熱壓溫度，提高鍵合強度，有利于器件可靠性，熱超聲鍵合已成為引線鍵合的主流。本文所討論的內(nèi)容皆為采用熱超聲鍵合。2、銅線鍵合的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)與金線連接相比，銅線連接主要有著成本低廉并能提供更好電氣性能的優(yōu)點。最新的研究工作已經(jīng)擴展到了多節(jié)點高性能的應(yīng)用。這些開發(fā)工作在利用銅線獲得成本優(yōu)勢的同時，還要求得到更好的電氣性能。隨著半導(dǎo)體線寬從90納米降

3、低到65甚至45納米,提高輸入輸出密度成為必需，要提高輸入輸出密度需要更小鍵合間距，或者轉(zhuǎn)向倒裝芯片技術(shù)。銅線連接是一個很好的解決方案，它可以規(guī)避應(yīng)用倒裝芯片所增加的成本。以直徑20um為例，純銅線的價格是同樣直徑的金線的10左右，鍍鈀銅線的價格略高，但仍僅是同樣直徑的金線的20左右。如圖1所示，除了較低的材料成本之外，銅線在導(dǎo)電性方面也優(yōu)于金線。就機械性能而言，根據(jù)khoury等人的剪切力和拉伸力實驗，銅線的強度都大于金線的強度。而實驗結(jié)果顯示銅線的電阻率是1.60 (/cm)，電導(dǎo)率是0.42 (/cm)-1. 這些結(jié)果說明銅線比金線導(dǎo)電性強33%。銅線形成高穩(wěn)定線型的能力強過金線，特別是

4、在模壓注塑的過程中，當(dāng)引線受到注塑料的外力作用時，銅線的穩(wěn)定性強過金線。原因是因為銅材料的機械性能優(yōu)于金材料的機械性能。另一方面，由于銅線自身的高金屬活性，銅線在高壓燒球時極易氧化。氧化物的存在對于鍵合的結(jié)合強度是致命的。氧化銅阻礙銅與鋁電極之間形成共金化合物（imc, intermetallic compound）。其導(dǎo)致的直接后果是銅線無法與芯片電極正常鍵合，出現(xiàn)鍵合或拉力測試焊球脫落，推力測試強度不足。3、氧化防止裝置與金線焊接相同，銅線焊接過程的第一步驟也是燒結(jié)焊球，也就是我們通常所說的自由空氣球（fab，free air ball）。打火桿和焊線之間的電子放電，高溫熔化焊線尾端，表面

5、張力將熔化的尾端拉成一個圓形焊球，然后迅速固化形成fab。如圖2所示。除了需設(shè)定適當(dāng)?shù)姆烹婋娏骱头烹姇r間外，銅線燒球還特別需要相對無氧的環(huán)境以防止高溫下氧化。銅的氧化有兩種情況，一種是在室溫下由于其外表面長期與空氣接觸而產(chǎn)生的氧化現(xiàn)象，其成分為cu2o，反應(yīng)式為：4cu+o2 2cu2o；另一種是在焊接加工過程中高溫作用下銅與氧氣發(fā)生的反應(yīng)，其成分為cuo，反應(yīng)式為：2cu+o2 2cuo。銅線在焊接過程中存在這2種氧化物，影響了銅線的焊接性能。因此，在焊接過程中必需采取措施進(jìn)行處理和保護(hù)。為了提高銅線的焊接性能，焊接過程中采用了增加還原和保護(hù)氣體的方法：在焊接過程中，加入保護(hù)性氣體放置氧氣與

6、銅發(fā)生反應(yīng)，同時還加入適量的氫氣作為還原氣體以去掉銅表面的cu2o，其反應(yīng)式為：cu2o+h2 2cu+h2o。保護(hù)性氣體采用95n2+5%h2作為還原氣體，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。為此，各設(shè)備供應(yīng)商紛紛推出各種可提供無氧環(huán)境的附屬裝置。如圖3所示。庫利索法（k&s, kulicke & soffa）公司是目前業(yè)界最為主要的也是應(yīng)用面最廣的銅線焊接設(shè)備供應(yīng)商。20092010年其提供的焊接設(shè)備獨占全球市場50左右。庫利索法在2009完成研發(fā)并在2010年正式向市場推廣了新一代球焊焊線機iconn。其解決方案具體由兩部分組成：第一部分為使用中空的陶瓷管創(chuàng)造出相對隔絕的

7、環(huán)境，打火桿也隱藏在其中。管內(nèi)持續(xù)吹出惰性氣體，銅線在相對無氧環(huán)境下完成燒球，稱為微環(huán)境（me，micro environment）系統(tǒng)。與同時的競爭者相比，其密閉性，氣體均勻性和氣體耗用量表現(xiàn)都很突出。第二部分為陶瓷管右側(cè)的金屬管，用來將保護(hù)氣體吹向焊接區(qū)域，減少焊接過程中的氧化。如圖4所示。2011年初，庫利索法面向銅線焊接應(yīng)用正式推出了焊線機iconn procu，這是以一款iconn為硬件基礎(chǔ)，高度集成多項針對銅線焊接的功能的加強版本產(chǎn)品。相對于原版iconn機型，procu針對銅線焊接作出了重大變革：全新的燒球防氧化裝置；全新的一焊點焊接參數(shù)系統(tǒng)（舊系統(tǒng)仍有保留）。燒球防氧化方面，p

8、rocu使用了特別設(shè)計的組合式保護(hù)外殼取代陶瓷管，多方向吹氣取代了原版iconn的單一吹氣方向，使氣體均勻度大幅優(yōu)化，并可以降低氣體耗用量3050。一體式設(shè)計也減少組裝和定位的偏差。庫利索法對此設(shè)計已擁有專利。并且此組合式保護(hù)外殼還集成了向焊接區(qū)域吹氣的功能，無需額外搭配側(cè)邊吹氣管。如圖5、6所示。4、保護(hù)性氣體流量研究惰性氣體的流量是優(yōu)化的關(guān)鍵部分。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。氣流量太小時，無法完全排出氧氣從而造成fab氧化；氣流量太大時，氣體出現(xiàn)亂流從而造成fab尺寸大小和形狀不穩(wěn)定，并且加大了氣體供應(yīng)成本。以下實驗皆采用庫利索法的iconn焊線機配合其me燒球保護(hù)

9、配件。使用軟件可以模擬不同流量下氧含量分布情況供設(shè)計者和使用者參考。如圖7所示，藍(lán)色區(qū)域代表氧含量最低，紅色區(qū)域代表氧含量最高，即正?？諝猸h(huán)境，依此類推不同顏色區(qū)域代表不同程度的氧含量。從防止氧化發(fā)生的角度出發(fā)，應(yīng)盡量保證低氧區(qū)域最大化。經(jīng)模擬和觀察，需0.2lpm以上的流量。使用不同直徑的銅線（0.7mil，1.2mil），搭配不同的燒球參數(shù)（efo gap 30mil，50mil）來實驗不同氣體流量對fab的影響。結(jié)果無論銅線直徑或燒球參數(shù)，低氣體流量時發(fā)生fab氧化，這是因為氣體不足，無法建立足夠穩(wěn)定的低氧含量區(qū)域以保證燒球環(huán)境；高氣體流量時發(fā)生fab尺寸和形狀不穩(wěn)定，這是因為過多的保護(hù)

10、氣體在驅(qū)逐氧氣的同時也將燒球的熱量帶走，甚至出現(xiàn)氣流紊亂，影響fab熔融再結(jié)晶的穩(wěn)定性。圖8展示了掃描電子顯微鏡（sem，scanning electron microscope）下觀察到的fab形狀。良好的fab為正圓球形（sphere），不佳的fab形狀頂部突出（strawberry）或存在凹陷（hollow）。經(jīng)實驗，適宜的氣體流量范圍為0.30.8lpm。如圖9所示。5、結(jié)論本文對半導(dǎo)體封裝銅線鍵合技術(shù)中的燒球氧化防止進(jìn)行簡介和論證。講述了銅線鍵合的優(yōu)勢和隨之帶來的新失效模式燒球氧化。通過對比各種不同結(jié)構(gòu)的附屬裝置，和對保護(hù)氣體流量的實驗，得到了氣體流量與燒球fab形狀的關(guān)系?？刂茪怏w流量在0.30.8lpm以內(nèi)，可以得到良好的fab形狀，保證鍵合品質(zhì)。參考文獻(xiàn)：1 harman george, wire bonding in microelectronics (2nd.edition), new york, mcgraw-hill, 1997, 135-1452 丁雨田、曹軍、許廣濟、寇生中、胡勇，電子封裝cu鍵合絲的研究及應(yīng)用，鑄造技術(shù)，2006.9（27），971-9743 anndi，引線鍵合工藝參數(shù)對封裝質(zhì)量的影響因素分析，電子膠水中國，2007.34 陳宏仕，新型銅線鍵合技