摘要：

微電子工業(yè)對(duì)于產(chǎn)品可靠性和材料成本的需求促使鍵合銅絲取代金絲成為半導(dǎo)體封裝時(shí)應(yīng)用的主流材料，在設(shè)備和技術(shù)工藝優(yōu)化發(fā)展的前提下，鍵合銅絲技術(shù)由DIP等低端產(chǎn)品推廣至QFN、小間距焊盤等高端產(chǎn)品領(lǐng)域，這也提升了半導(dǎo)體封裝企業(yè)對(duì)銅絲性能和鍵合工藝的要求。本文對(duì)鍵合銅絲的性能優(yōu)勢(shì)與主要應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了論述，結(jié)合應(yīng)用現(xiàn)狀從使用量元素、涂抹絕緣材料、優(yōu)化超聲工藝、改進(jìn)火花放電工藝等幾個(gè)方面提出了改善主流鍵合銅絲半導(dǎo)體封裝技術(shù)應(yīng)用效果的具體措施，以為相關(guān)生產(chǎn)單位提供參考指引。

0 引言

半導(dǎo)體封裝技術(shù)的主要工序?yàn)榫A劃片切割、芯片貼裝、引線鍵合以及后面的塑封、成型、測(cè)試等。其中，引線鍵合主要利用金、鋁、銅、錫等金屬導(dǎo)線建立引線與半導(dǎo)體內(nèi)部芯片之間的聯(lián)系，引線鍵合能夠?qū)⒔饘俨己竻^(qū)或微電子封裝 I/O 引線等與半導(dǎo)體芯片焊區(qū)連接，是半導(dǎo)體封裝工藝的重要工序環(huán)節(jié)，其施工質(zhì)量對(duì)于半導(dǎo)體功能應(yīng)用的發(fā)揮具有較大影響。相對(duì)于金絲而言，鍵合銅絲具有更低的生產(chǎn)成本和良好的導(dǎo)電性能，使其在半導(dǎo)體封裝以及集成電路、LED 等眾多領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。

1 鍵合銅絲的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

在材料成本方面，金絲是銅絲材料價(jià)值的 60~70 倍，隨著微電子行業(yè)的發(fā)展，半導(dǎo)體封裝時(shí)的封裝密度持續(xù)提升且鍵合線直徑持續(xù)降低，100 個(gè)引出端、3mm 鍵合金絲長(zhǎng)度的高級(jí)封裝通常需耗費(fèi)約 0.8 美元的封裝成本，線焊成為影響成本的重要因素，相關(guān)對(duì)比結(jié)果詳見(jiàn)表 1。在 MRP、OP2、EFP 等眾多工藝的作用下，銅絲堅(jiān)實(shí)展現(xiàn)出更低成本的同時(shí)也凸顯出更加穩(wěn)定、牢固的性能，這為鍵合銅絲的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

在電學(xué)性能方面，銅絲的電導(dǎo)率約為金絲的 1.33 倍，能夠在高密度半導(dǎo)體封裝器件中以更低的直徑尺寸承載更多電流，滿足半導(dǎo)體期間的運(yùn)行需求。在熱學(xué)性能方面，銅絲具有比金、鋁等材料更高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，而且在熱膨脹性能方面銅的熱膨脹系數(shù)更低，在高密度半導(dǎo)體器件中能夠具有更良好的散熱性能和熱穩(wěn)定性能[2] 。在機(jī)械性能方面，銅的硬度更高，鍵合銅絲無(wú)論是伸長(zhǎng)率還是破斷力都優(yōu)于金絲，不僅對(duì)機(jī)械應(yīng)力的抵抗力更強(qiáng)，在規(guī)避塌陷問(wèn)題、提升成弧性和一致性方面更具優(yōu)勢(shì)，能夠有效提升所封裝半導(dǎo)體的性能可靠性。

2 鍵合銅絲應(yīng)用期間的主要問(wèn)題分析

■ 2.1 銅線氧化問(wèn)題

相對(duì)而言，銅絲比金絲更容易氧化，在銅絲表面氧化反應(yīng)的影響下，銅絲鍵合期間形成的自由空氣小球?qū)a(chǎn)生形狀與尺寸的改變，導(dǎo)致操作人員難以有效控制鍵合力，導(dǎo)致焊盤形變量超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，影響半導(dǎo)體封裝成品率。

■ 2.2 銅絲硬度大，超聲能量或鍵合力難以控制

為解決銅絲硬度大帶來(lái)的鍵合難度，半導(dǎo)體封裝企業(yè)通常選擇應(yīng)用超聲工藝或鍵合壓力工藝提升鍵合效果，這也導(dǎo)致焊接期間需要耗費(fèi)更多的時(shí)間完成鍵合工作[3] 。在鍵合期間，如果操作人員對(duì)超聲能力或壓力控制不到位，將導(dǎo)致硅襯底在焊盤下方出現(xiàn)彈坑等破損情況，隨著作用力的增加，銅絲的第二焊點(diǎn)存在更低的可靠性，良品率相對(duì)較低。在鍵合壓力或超聲能量的作用下，銅線鍵合期間更容易出現(xiàn)鋁從焊盤擠出的情況，這與鍵合時(shí)間過(guò)長(zhǎng)有關(guān)，為利用更高的鍵合強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)度銅絲的鍵合處理，焊盤將長(zhǎng)時(shí)間承受超聲功率或鍵合壓力影響，最終引發(fā)該情況，詳見(jiàn)圖 1。此外，在熱超聲焊接過(guò)程中，如果操作人員對(duì)作用力和能量控制不到位不僅會(huì)影響焊接效果，還會(huì)導(dǎo)致基板下方氧化層受損，引發(fā)電解質(zhì)泄漏失效等問(wèn)題。

3 鍵合銅絲半導(dǎo)體封裝優(yōu)化措施分析

■ 3.1 添加微量元素改善銅絲性能

如前文所述，銅絲的氧化性對(duì)于半導(dǎo)體封裝成品率具有較大影響，為改善鍵合銅絲性能，相關(guān)生產(chǎn)單位可以利用堿土元素作為脫氧劑，常用的元素主要包括 Sr、Ca、Mg 以及 Be。其中，Mg 能夠作為一種強(qiáng)脫氧劑改善銅絲的氧化性能，有效減少銅絲中氧化鐵或氧化亞銅的含量，銅鎂融合應(yīng)用生產(chǎn)的鍵合銅合金能夠在焊接高溫的影響下維持優(yōu)異的抗氧化性，有效規(guī)避銅球不良問(wèn)題；Ca 元素的應(yīng)用能有效改善銅絲材料的抗氧化性、高溫塑性、封裝性能以及力學(xué)性能，Sr 元素的應(yīng)用則可以通過(guò)增強(qiáng)表面致密性與晶界完整性的方式使抗氧原子深入銅絲內(nèi)部，強(qiáng)化鍵合銅絲的抗氧化能力，避免在銅絲熔球期間出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。過(guò)渡元素的應(yīng)用也能夠有效改善鍵合銅絲的性能，如提升抗氧化、抗腐蝕性能的 Ru 元素，改善焊接效果和抗氧化性能的 Nb 元素，提升銅絲高溫塑性、規(guī)避雜質(zhì)危害、細(xì)化晶粒、改善銅絲結(jié)晶溫度的 Zr 元素，降低銅絲硬度并細(xì)化晶粒以改善銅絲鍵合性能的 Ti 元素，相關(guān)生產(chǎn)單位需要結(jié)合實(shí)際需求選擇微量元素添加比例，有效改善鍵合銅絲性能，增強(qiáng)半導(dǎo)體封裝質(zhì)量。

■ 3.2 使用絕緣涂層改善封裝效果

雖然金、銀、鉑等貴金屬材料以及鎳、鈷、鈦等抗腐蝕材料作為涂層能夠有效改善鍵合銅絲的抗氧化、抗腐蝕等性能，考慮到鍵合銅絲本身直徑相對(duì)較低，應(yīng)用金屬涂層的成本相對(duì)難以接受，因此生產(chǎn)單位可以選擇應(yīng)用種類繁多且價(jià)格低廉的絕緣材料作為鍵合銅絲的涂層改善其鍵合效果。

在相關(guān)研究成果中，某專利通過(guò) 5~60nm 的有機(jī)涂層涂抹于鍵合銅絲表面，最終形成能夠在長(zhǎng)期運(yùn)輸存儲(chǔ)中維持較強(qiáng)的抗氧化能力，同時(shí)也可以在 200℃以上的高溫中維持涂層的穩(wěn)定性；某專利通過(guò)聚合物絕緣涂層防止鍵合銅絲氧化問(wèn)題，在焊接高溫的影響下涂層材料還能夠自動(dòng)分解，避免對(duì)銅絲與其他部件的導(dǎo)通行產(chǎn)生影響，有效提升了半導(dǎo)體封裝質(zhì)量。在絕緣涂層應(yīng)用期間，生產(chǎn)單位需要充分考慮絕緣涂層的耐高溫性能，相關(guān)研究指出，絕緣涂層雖然在鍵合期間不易出現(xiàn)分解反應(yīng)，但容易在銅絲熔球期間出現(xiàn)碳化情況，導(dǎo)致鍵合銅絲的輸送與鍵合受到影響，而且絕緣涂層還存在結(jié)合性差、易剝離等問(wèn)題，需相關(guān)生產(chǎn)單位進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

■ 3.3 超聲的工藝優(yōu)化

超聲設(shè)備是確保銅絲鍵合工藝順利開(kāi)展的關(guān)鍵設(shè)備，主要包括聚能器、換能器以及發(fā)生器幾個(gè)部分。其中，換能器是超聲設(shè)備的核心部件，起到將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的作用，能夠從振幅和軌跡兩方面實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵合工具的調(diào)整；聚能器與鍵合工具則起到放大和傳遞超聲能量的作用，對(duì)于系統(tǒng)諧振頻率具有直接影響。銅絲鍵合常用的超聲設(shè)備通常為雙向垂直超聲系統(tǒng)，通過(guò)將壓電陶瓷裝設(shè)于雙向垂直桿部位，控制系統(tǒng)產(chǎn)生兩種不同的振動(dòng)頻率并形成兩種軌跡，研究發(fā)現(xiàn)，方形與圓形的軌跡相對(duì)線形軌跡能夠展現(xiàn)出更高的焊接強(qiáng)度、焊接變形量和焊接升溫效果。

銅絲鍵合期間的球焊需要同時(shí)利用超聲、壓力以及熱能三種能量，彈坑失效模式通常與超聲波震動(dòng)存在關(guān)聯(lián)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，超聲鍵合的效果主要與超聲軟化以及摩擦有關(guān)，對(duì)超聲工藝的優(yōu)化也可以從這兩點(diǎn)入手。其中，超聲軟化的具體現(xiàn)象為超聲能量作用于銅絲等金屬材料并將其硬度與強(qiáng)度降低，Langenecker 研究發(fā)現(xiàn)，銅絲晶體中存在的位錯(cuò)優(yōu)先選擇將聲能吸收，從釘扎位置開(kāi)動(dòng)位錯(cuò)，最終起到強(qiáng)化銅絲塑性，促使銅絲在更低壓力的作用下產(chǎn)生變形情況，這種情況下的存在對(duì)于改善鍵合銅絲性能具有積極意義，能夠進(jìn)一步縮短其與金絲材料的差距。在針對(duì)鍵合銅絲的研究中發(fā)現(xiàn)，銅絲的熱超聲鍵合條件之一是強(qiáng)化基板接觸面與銅球之間的摩擦力，由此可以確認(rèn)摩擦的銅絲鍵合的關(guān)鍵點(diǎn)之一。銅絲鍵合期間在基板上的遺留痕跡形狀主要為環(huán)狀，這與彈性接觸理論相貼合，證明在壓力相同的情況下，超聲功率的提升能夠縮減圓環(huán)內(nèi)徑，使得原有的細(xì)微摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)化為相對(duì)滑動(dòng)狀態(tài)。為此，在鍵合工藝優(yōu)化時(shí)，生產(chǎn)單位需要積極探尋超聲能量與壓力兩者的契合點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)銅絲鍵合期間摩擦力的有效改善，持續(xù)增強(qiáng)銅絲鍵合質(zhì)量，提升半導(dǎo)體封裝良品率。

■ 3.4 火花放電的工藝優(yōu)化

火花放電工藝對(duì)于銅球引線鍵合期間引線球的形成具有重要作用，第二點(diǎn)楔鍵合完成后，在電弧放電的作用下能夠熔化尾線，并在溫度梯度、表面張力以及自重的影響下形成銅球。銅絲尾線的長(zhǎng)度與第二鍵合的質(zhì)量存在關(guān)聯(lián)，下一個(gè)第一點(diǎn)鍵合的質(zhì)量將受到上一個(gè)第二點(diǎn)鍵合質(zhì)量的直接影響，第一鍵合點(diǎn)的尺寸也與引線、熔球兩者的直徑比存在較大關(guān)聯(lián)，在始終應(yīng)用銅絲作為鍵合引線的情況下，熔球直徑與火花放電的距離、時(shí)間、電流大小存在直接關(guān)聯(lián)，而且時(shí)間和電流大小的影響更大，通常需要以 ms 級(jí)精度控制放電時(shí)間，以 10mA 級(jí)精度控制放電電流大小，以此來(lái)規(guī)避熔球直徑存在的誤差問(wèn)題。

當(dāng)銅絲在鍵合焊接期間形成銅球時(shí)，火花放電的溫度較高，銅球急速膨脹并達(dá)到真空氣氛狀態(tài)，在與大氣快速混合的同時(shí)也導(dǎo)致銅球的氧化變形概率更高。相對(duì)而言，銅球氧化后將展現(xiàn)出更加堅(jiān)硬的質(zhì)地，導(dǎo)致焊接的難度進(jìn)一步增加，容易因此出現(xiàn)較大的焊接誤差。針對(duì)這一問(wèn)題，操作人員可以利用 5% 氫氣與 95% 氮?dú)獾幕旌蠚怏w進(jìn)行防氧化保護(hù)，通過(guò)在 EPO 燒球點(diǎn)與芯片加熱區(qū)噴放保護(hù)氣體，起到防護(hù)作用，具體應(yīng)用情況詳見(jiàn)圖 2。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，氮?dú)浠旌蠚怏w的防護(hù)使得鍵合期間形成的銅球相對(duì)無(wú)防護(hù)環(huán)境下的銅球具有更均勻的形狀和光滑的表面，構(gòu)建的線弧也更加流暢、光滑，結(jié)果表明了保護(hù)氣體對(duì)火花放電工藝的改善效果。

保護(hù)氣體流量的大小對(duì)于銅球形狀具有較大影響，銅線鍵合期間的氣體流量通?？刂圃诿糠昼?0.7~1L 左右。不同流量下的銅球形狀存在差異，大流量會(huì)導(dǎo)致偏頭問(wèn)題出現(xiàn)，小流量將導(dǎo)致尖頭問(wèn)題，而中流量的形狀更加優(yōu)異，在實(shí)際操作時(shí)，生產(chǎn)單位需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試決定保護(hù)氣體的流量大小，具體可以參看銅球氧化顏色的變化情況以及焊接銅球的形狀等對(duì)流量進(jìn)行調(diào)整。

研究發(fā)現(xiàn)，火花放電電極與銅絲端部的間距對(duì)于電流大小和銅球成形效果具有較大影響，隨著間距的縮小，銅球?qū)②呌诜€(wěn)定的圓球形，但硬度也會(huì)產(chǎn)生一定幅度的提升，不同鍵合銅絲的火花放電電流詳見(jiàn)表 2。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，銅絲相對(duì)金絲、鋁絲等材料在成本、導(dǎo)電性、熱學(xué)性能以及機(jī)械性能等各方面更具優(yōu)勢(shì)，更能夠適應(yīng)微電子工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，符合半導(dǎo)體產(chǎn)品的封裝需求。在鍵合銅絲應(yīng)用過(guò)程中，相關(guān)單位需要充分考慮銅絲易氧化以及硬度大等問(wèn)題對(duì)鍵合質(zhì)量的影響，積極采取涂抹絕緣涂層、添加微量堿土、過(guò)渡元素等方式改善銅絲的抗氧化相關(guān)性能，同時(shí)也需要積極優(yōu)化超聲、打火、保護(hù)氣流量等相關(guān)工藝，不斷提升半導(dǎo)體封裝質(zhì)量。

編輯：黃飛

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