铜丝引线键合技术的发展.doc

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1、铜丝引线键合技术的发展铜丝引线键合技术的发展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，在集成电路封装屮获得人规模应川。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血简述了近年來铜丝引线键合技术的发展情况，讨论了现佇研究的成果和不足，指出了未來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屮的人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日前超过90%的集成电路的封装是采用引线键合技术。引线键合(wirebon

2、ding)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來。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(wodgobonding)和球形键合(ballbonding)o口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、成木高，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，电阻急剧增人，导电性破坏甚至产生裂

3、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，成木低，具有较高的导电导热性，并口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。近年來，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、T艺理论和实践经验。近年來许多学者对这些问题进行了多项研究丁•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图

4、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血形成一层氧化膜，而氧化膜对铜球的成形与质量有害，并H还有可能导致接头强度低，其至虚焊(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血镀一层抗氧化的金属來防I上铜丝氧化，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。日前T业应用屮主要是采用保护气体來防止铜丝氧化，主要有如图2

5、所示的两种保护装置。至于保护气体，Tan等、血昭等以及Singh等都发现使用95%M和5%H2混合而成的保护气具有较好的抗氧化效果。电楼芯片弊区热、压厨声形成球形焊点(a)火花放电•形成(1>)劈刀移到第一(c)形成第•焊点金属球婵点位省球形焊点(r)移到鄭二焊点位皆(d)升到线弧頂瑞位？t封装tv区热■压血卅形成換形焊点帳形烬点(f)形成①二炸点(Q韓刀升別控制纽M的位胃铜丝引线键合技术的发展图2两种常见的铜丝防氧化装置示意图2.1.2.T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、能暈和基板等因素有关

6、。影响键合接头性能的主要工艺参数如图3所示。球形热超声握合工艺參数C劈厂)(2火花放电基板jC压力材料及其性能引导弧儿何尺寸几何尺寸材料及其性能电流强度放电时间材料及M性能材料及其性能成分及其性能图3影响键和性能的主要T艺参数研究各种T艺参数对引线键合强度性能的影响，有利于键合T艺的设计和T艺参数的优化。h昭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等均发现铜球的肓径与火花放电的电流和时间之间存在如式（1）的关系：I—引线铜丝引线键合技术的发展式中FAB（D）为铜球的肓径；I为火花

7、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、质暈高的铜球。Hang等通过一系列试验得到了直径为23um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）,为工艺参数的优化捉供了一定的基础。340320380360340功乍p/ml(a)拭药黑度功噸童化的曲纹600320压力F/mN(b)MMA«filfK力变化的曲tl(c)的MO360340320MN)180200220240ll«77T(d)氛豹鼻度filll度交化的・tt图4抗剪强度随超声功率、压力和超声频率变化的曲线日前铜

8、丝引线键合应用屮，多依赖经验來确定丁•艺参数，尚未得到比较完善的T艺参数范I韦IO2.2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的试验结果均表明，铜丝球形焊点抗拉强度与抗剪强度