先进焊接用软铜线材料特性研究

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1、先进焊接用软铜线材料特性研究作者：JasonKam(jkam@kns.com)、HoHongMeng、DominikStephan、 DodgieReighM.Calpito、KlausDittmer、LingJamin、GohHengMui，Kulicke&Soffa（S.E.A.）铜线焊接应用于超小间距、超高引脚数、低k解决方案时，一些失效模式会严重影响焊接工序的成品率和生产率。这些失效模式包括，焊接垫金属层喷溅或者剥裂，引线针脚拉伸数值低，数值变化范围大，以及短尾线等。因此需要对铜线重新检验，改进它的特性以满足引线焊接工艺的要求。铜线焊的挑战近年来，金价显著提升，而半导体工

2、业对低成本材料的需求更加强烈。作为连接导线，铜线是金线的理想替代品。这主要得益于铜线更高的热导性，更低的电阻率、更高的拉伸力、和更慢的金属间的渗透，以及最主要的因素——更低的价格。铜线已经在分离器件和低功率器件上成功应用。随着技术的进步，市场已经对将铜线应用于超小间距，超高引脚数的焊接产品上表现出了持续增加的兴趣。铜材料本身具有的优越的机械，电性能和更慢的金属间的参透性导致更强更可靠的铜焊接。就机械性能而言，根据Khoury等人的剪切力和拉伸力实验，铜线的强度都大于金线的强度。实验结果显示铜线的电阻率是1.60(μΩ/cm)，电导率是0.42(μΩ/cm)-1.这些结果说明铜线比

3、金线导电性强33%。铜线形成高稳定线型的能力强过金线，特别是在塑封的过程中，当引线受到注塑料的外力作用时，铜线的稳定性强过金线。原因是因为铜材料的机械性能优于金材料的机械性能。虽然铜线有很多优点，但是金线和铜线都有它们各自的问题。在引线焊接工艺中应用铜线的主要问题是它的焊接能力。如果把铜线打在软的、薄的键合垫金属层上，铜材料的硬度能够导致键合垫弹坑和键合垫开裂失效模式出现。由于这种破坏作用，在键合垫下铝金属层的变薄也会导致热老化失效。另外，由于铜材料易氧化，必须在焊接机器上增加一个铜工具包，使其中充满气体(95%N2/5%H2)，在这个铜工具包中才能形成铜真空球。易氧化性导致铜铝

4、接触层开裂，从而相应的削弱铜铝焊接的强度。由于铜的熔点更高，需要更多的能量在合适的惰性气体的环境中形成真空球。应用铜线的第二个挑战是第二键合点的焊接。目前，超小间距焊接技术和超细连线的技术只应用在球栅阵列的基板上。但是，短线这种失效模式会对机器维修间隔平均时间(MTBA)和机器的生产率造成严重的影响。因此，有必要重新考虑铜线的组成成分和制作工艺从而改进它的材料特性以满足高级联线焊接技术的应用。在本论文的研究中，根据第一焊接点和第二焊接点的焊接质量，铜线材料特性被重新检验。为了研究第一焊接点和第二焊接点的相关性，我们选用了几种具有不同微观材料特性的铜线作为实验对象。试验方案铜线焊接

5、试验是在镀镍引脚上涂了金料的普通的球栅阵列基板上进行。两种不同类型的铜线产品样本作为实验对象来进行焊接工艺的优化试验，然后，采用经过充分优化的焊接工艺参数来比较两个铜线实验样本的性能。实验是在相同的焊接工艺参数下，分别使用这两种铜线样本来比较它们的性能。用来做实验的铜线的直径都是25um，两个铜线试验样本A和B都拥有大于99.994%(4N)以上的铜纯度，但是它们掺有不同的杂质和采用了不同的加工工艺，在混合气体(95%N2/5%H2)中形成焊球，所有实验都在加装了铜装置的库力索法8028PPS焊接机台上进行。除了通常的焊接参数，例如接触速度（ContactVelocity），焊接

6、力（BondForce），焊接时间(Time），超声波功率(UltrasonicPower)和时间以外，在这次试验中还使用一个叫做初始焊接力（InitialBondForce）的参数。实验使用库力索法公司的焊嘴(CUPRA)，试验温度是175℃。实验用的测试芯片的焊接垫尺寸为65um,焊接垫与相邻焊接垫中心间间距是80um。焊接垫金属层由98.5%Al-1%Si-0.5%Cu组成，厚度为8000-10000Å。为了获得测量细微结构和硬度的焊球样品，机器上设有一个特殊的程序，可以专门生成焊球用于测量。真空球的目标直径是50um(图1)。所有的实验样品在焊接前都经过等离子清洗以减少焊

7、接面上附着的有机物。试验中使用浓度50%的硝酸溶液除去焊接的铜球，而横断面试验是采用常规的金相学方法。硬度测量分别在从中心横断面切开的真空球上和焊接后的焊接球上进行。第一点焊接特性在焊接过程中，硅弹坑和焊接垫下开裂是两个关键的失效模式。当超声波能量震动和焊接力被使用时，焊接垫的下面会出现开裂。另外，它也许会以焊接垫剥落的失效模式出现。硅弹坑是指在焊接垫金属层下的硅层的破裂。在多数情况下，硅弹坑出现在拉伸测试试验中，这时，硅层被拉开，同时伴随着铜焊球脱离IC芯片。硅弹坑这种失效模式