微细铜线键合技术的研究进展

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1、微细铜线键合技术的研究进展张衡，郭钟宁，李远波，袁聪，陈玉娇（广东工业大学机电工程学院，广东广州510006）摘要：目柯电子封装行业中铜线健合技术备受关注，很多国内外的学校、科研机构、企业正总从寧这方面的研究,在铜线惊合技术方面有了很大的进展.主要介绍了铜线镀合技术、佬合铜线旳特性、铜线钱合拽K們难題及械合工艺的研究进展，为侗线恢合技术的发展提供了有益的歩考，关键词：电子封装；铜线键合技术；键合铜线：键合工艺半导体封装用键台金线是対装行业的基础材料之一。随着电子封装技术的发展，封装引脚数越来越多

2、,引线间距越来越小，封装体在基板上所占的面积也会更小，成本也要求越来越低，预计在未来的十儿年中,多引脚、小间距的将会迈入一个新的台阶（图1⑴）。由图1可看出，到2015年引线键合的间距可达25pm以下，引线的密度会越来越大，这就要求引线有良好的机械性能、导电性、很好的热传导能力，否则在封装的过程中会出现塌丝及引线之间的短路现象。键合金线已不能完全满足将来电子工业中低成本、高性能的要求，这使得好的机械特性、低介电常数、高导热的材料越来越显得重要。而铜线的价格低、其材料特性理论上可满足多引脚、小间距

3、的芯片焊接的要求。目前很多国内外的学校、科研机构、企业从事这铜线键合技术的研究，并有了很大的进展。年份图1引线间距预测1铜线键合技术目前超过90%的集成电路的封装是采用引线键合技术⑵。所谓的键合，是将两片表面清洁、原子级平整的同质或异质半导体材料经表面清洗和活化处理，在压力和超声振动的作用下直接结合，通过范德华力、分子力使晶片键合成为一体的技术。焊接过程一般通过加热、加压、超声等能量，借助劈刀实现。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，现在通常使用热超声键合。铜线合

4、的过程见图2卩），首先往劈刀穿入铜线，留出一定的长度；第二步放电形成铜球，同时充入隋性气体防止铜球氧化；第三步是线夹夹紧铜球下降；第四步在铜球接触衬垫时，施加一定时间的压力、超声波，形成第一焊点；第五步移动劈刀形成铜线弧度；第六步是铜线接触线架时，施加一定时间的压力、超声波，形成第二焊点；然后是劈刀上升，将铜线拉断，并留出一定长度。此后，重复第一个步骤。(d)施加一定时间的压力、超声波.形成第一焊点(f)施加一定时间的压力(g)劈刀上升(h)把铜线拉断，留出一定长度超声波.形成第二焊点图2铜线键

5、合的过程2键合铜线的特性在电子封装行业中，目前用的引线主要是金线、A1线(AlT%Si线)、银线和铜线。2005年的统计资料显示⑷，铝线键合封装只占总封装的5%,而铜线键合大概也只有1%。虽然现在铜线的应用还很少，但其优良的特性引起了越来越多人的关注。主要有以下几点，见表1。表1铜线与其它金属的性能比较材料相对导电率抗拉强度/(Nmm1)热导率/[w・(mK)-1]金属活性比较硬度/HB价格金71130-140296.4低20特贵银100160〜180418.7校低25贵铜95200-22039

6、6.4中40中铝6070〜80222髙25低从表1⑸可看出：(1)铜的导电率比金和铝好得多，和银接近。而冃铜的金属间扩散率较小，化合物生长较慢⑹，因而金属间渗透层的电阻较小。这决定了它的功率损耗更小，以便于用细线通过更大的电流。(2)铜的热导率高。它是金的1.3倍，是铝的1.8倍⑸，这决定了它本身的温度不易升高，因而更有利于接触面的热传递，更能适应于高温环境条件。(3)铜的抗拉强度髙。对同样1.0mil(1mil=0.0254mm)的线來说，铜线的引线拉力约为8〜16gf,金线约6〜12gf"(

7、iN=102gf),可见铜线约为金线的1.5倍。加上铜的硬度大、强度高，这个特性非常有利于在塑封模压时保护引线的弧形弧度，不易产生塌丝和引线间短路的缺陷。(4)铜的硬度大、延展性较差；化学活性比金高，易氧化。在一定程度上增加了焊接的难度。3铜线键合技术存在的问题目前铜线键合的存在两个主要问题：••是铜的化学稳定性差，表面易氧化形成氧化膜，引起悍接处的强度低，少議会出现虚焊的现彖。二是铜的硬度髙，焊接时需要更高的压力和超声功率，会造成衬底铝层的溅积、芯片的局部破裂和弹坑失效的现象®(图3【⑼)。图

8、3a可看出铝层的溅积，图3b看到SiO2被压裂。图3弹坑失效现象的SEM图针对铜线易氧化的问题，一般利用隋性保护气体，现在常用的是95%N2/5的混合气体〔⑴，这种混合气体可有效地保护铜线少氧化或不氧化。图4〔叨是--种铜线防氧化装置，它是用在铜线烧球时，劈刀头部进入小孔中，里面有打火杆并通有保护气体。图4铜线防氧化装岂4铜线键合的新的工艺方法和进展近两年来，国内外对铜线键合的研究有了很大的进展和发现，下而主要介绍一些新的工艺和方法。这些针对铜线硬度高的问题，应用不同的工艺和方法降低它的硬度，有