铜丝引线键合技术

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1、‰．蒯专题综述·鳝掳万方数据铜丝引线键合技术的发展清华大．学(北京市100084)黄华都东常保华Univer$ityofWatedoo(CanadaN2L3G1)ZhouYunhong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中图分类号：TN405．9

2、701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【1“J。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

3、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Cu／Al金属间化合物生长速率低于Au／Al，不易形成有害的金属问化合物。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

4、发展方向。收稿日期：2008一10一19基金项目：国家自然科学基金(50628506，50705049)资助。电极、压、超形成球焊点(a)火花放电，形成(b)劈刀移到第一(c)形成第一焊点金属球焊点位置球(d)升到线弧顶端位置(e)移到第二焊点位置热、压，超形成楔焊点封装焊区(f)形成第二焊点焊点(g)劈刀升到控制线尾的位置图l金丝球形热超声键合过程‘112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2008年第12期15万方数据形成一层氧化膜，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(No

5、n—Stick)，因此必须采取措施防止铜丝氧化。Kajmori等¨1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Pd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¨0

6、、Hang等【21以及Singh等[41都发现使用95％N：和5％H：混合而成的保护气具有较好的抗氧化效果。子(b)图2两种常见的铜丝防氧化装置示意图‘2·712．1．2工艺参数由图l的球形热超声键合过程可以知

7、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。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[21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n们和Hang等【21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：FAB(D)=以，2·‘)(1)式中：FAB(D)为铜球的直径；，为火花放电电流强度；f为火花放电时间。可以通过调节，和￡，获得成形好、质量高的铜球。Hong等¨1通过一系列试验得到了直径为23斗m的铜丝键合得到的球形焊点的

8、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。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162008年第12期图3影响键合性能的主要工艺参数．‰兹化．蒯专题综述-蜉掳万方数据Z暑釜耀辐密蝎奄≥靼辎京螺吕≥柱糍器蝠娄挺繇畚js超声功率p／mW(a)抗剪强度随超声功率变化的曲线医丸F，珏忒(b)抗剪强度随压力变化的曲线超声加载时间￡／r啮(c)抗剪