銅絲引線鍵合技術(shù)的發(fā)展

銅絲引線鍵合技術(shù)的發(fā)展摘要銅絲引線鍵合有望取代金絲引線鍵合，在集成電路封裝中獲得大規(guī)模應(yīng)用。論文從鍵合工藝﹑接頭強(qiáng)度評(píng)估﹑鍵合機(jī)理以及最新的研究手段等方面簡(jiǎn)述了近年來銅絲引線鍵合技術(shù)的發(fā)展情況，討論了現(xiàn)有研究的成果和不足，指出了未來銅絲引線鍵合技術(shù)的研究發(fā)展方向，對(duì)銅絲在集成電路封裝中的大規(guī)模應(yīng)用以及半導(dǎo)體集成電路工業(yè)在國(guó)內(nèi)高水平和快速發(fā)展具有重要的意義。關(guān)鍵詞 集成電路封裝 銅絲引線鍵合 工藝1.銅絲引線鍵合的研究意義目前超過90%的集成電路的封裝是采用引線鍵合技術(shù)。引線鍵合（wirebonding）又稱線焊，即用金屬細(xì)絲將裸芯片電極焊區(qū)與電子封裝外殼的輸入/輸出引線或基板上的金屬布線焊區(qū)連接起來。連接過程一般通過加熱﹑加壓﹑超聲等能量借助鍵合工具（劈刀）實(shí)現(xiàn)。按外加能量形式的不同，引線鍵合可分為熱壓鍵合﹑超聲鍵合和熱超聲鍵合。按劈刀的不同，可分為楔形鍵合（wedgebonding）和球形鍵合(ballbonding)。目前金絲球形熱超聲鍵合是最普遍采用的引線鍵合技術(shù)，其鍵合過程如圖1所示。由于金絲價(jià)格昂貴﹑成本高，并且Au/Al金屬學(xué)系統(tǒng)易產(chǎn)生有害的金屬間化合物，使鍵合處產(chǎn)生空腔，電阻急劇增大，導(dǎo)電性破壞甚至產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重影響接頭性能。因此人們一直嘗試使用其它金屬替代金。由于銅絲價(jià)格便宜，成本低，具有較高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，并且金屬間化合物生長(zhǎng)速率低于Au/Al，不易形成有害的金屬間化合物。近年來，銅絲引線鍵合日益引起人們的興趣。但是，銅絲引線鍵合技術(shù)在近些年才開始用于集成電路的封裝，與金絲近半個(gè)世紀(jì)的應(yīng)用實(shí)踐相比還很不成熟，缺乏基礎(chǔ)研究﹑工藝?yán)碚摵蛯?shí)踐經(jīng)驗(yàn)。近年來許多學(xué)者對(duì)這些問題進(jìn)行了多項(xiàng)研究工作。論文將對(duì)銅絲引線鍵合的研究?jī)?nèi)容和成果作簡(jiǎn)要的介紹，并從工藝設(shè)計(jì)和接頭性能評(píng)估兩方面探討銅絲引線鍵合的研究 內(nèi)容和發(fā)展方向。圖1金絲球形熱超聲鍵和過程2.銅絲引線鍵合的研究現(xiàn)狀2.1工藝研究與金絲不同的是，銅絲在空氣中極易氧化在表面形成一層氧化膜，而氧化膜對(duì)銅球的成形與質(zhì)量有害，并且還有可能導(dǎo)致接頭強(qiáng)度低，甚至虛焊（ Non-Stick），因此必須采取措施防止銅絲氧化。Kaimori等嘗試通過在銅絲表面鍍一層抗氧化的金屬來防止銅絲氧化， 他們嘗試了 Au﹑Ag﹑Pd﹑Ni，發(fā)現(xiàn)鍍的銅絲能形成較好的銅球，并且形成的接頭力學(xué)性能也強(qiáng)于單純的銅絲。但是此方法并未見任何工業(yè)應(yīng)用的報(bào)道。目前工業(yè)應(yīng)用中主要是采用保護(hù)氣體來防止銅絲氧化，主要有如圖 2所示的兩種保護(hù)裝置。至于保護(hù)氣體， Tan等﹑Hang等以及Singh等都發(fā)現(xiàn)使用95%N2和5%H2混合而成的保護(hù)氣具有較好的抗氧化效果。圖2兩種常見的銅絲防氧化裝置示意圖由圖1的球形熱超聲鍵合過程可以知道，鍵合質(zhì)量與引線﹑劈刀﹑壓力﹑能量和基板等因素有關(guān)。影響鍵合接頭性能的主要工藝參數(shù)如圖 3所示。圖3影響鍵和性能的主要工藝參數(shù)研究各種工藝參數(shù)對(duì)引線鍵合強(qiáng)度性能的影響，有利于鍵合工藝的設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的優(yōu)化。Hang等發(fā)現(xiàn)銅線的端部距離火花放電的電極越近，火花放電后形成的銅球成形越好。并且Tan等和Hang等均發(fā)現(xiàn)銅球的直徑與火花放電的電流和時(shí)間之間存在如式（1）的關(guān)系：FABDfI2t（1）式中FAB（D）為銅球的直徑；I為火花放電電流強(qiáng)度；t為火花放電時(shí)間?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié) I和t獲得成形好﹑質(zhì)量高的銅球。 Hang等通過一系列試驗(yàn)得到了直徑為23μm的銅絲鍵合得到的球形焊點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度隨超聲功率﹑壓力﹑超聲頻率和溫度變化的曲線（圖4），為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了一定的基礎(chǔ)。圖4抗剪強(qiáng)度隨超聲功率﹑壓力和超聲頻率變化的曲線目前銅絲引線鍵合應(yīng)用中，多依賴經(jīng)驗(yàn)來確定工藝參數(shù)，尚未得到比較完善的工藝參數(shù)范圍。2.2銅絲引線鍵合的接頭性能評(píng)估引線鍵合的接頭性能主要表現(xiàn)為接頭強(qiáng)度以及熱疲勞壽命等。Toyozawa等和Khoury等的試驗(yàn)結(jié)果均表明，銅絲球形焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度都強(qiáng)于相同直徑的金絲焊點(diǎn)，其中抗剪強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)尤為明顯。Cu/Al金屬間化合物生長(zhǎng)速率低于Au/Al，尤其是在高溫下（圖5），因此在交界層不會(huì)形成柯肯德爾空洞（Kirk-endallVoid），使銅絲鍵合的接頭性能優(yōu)于金絲鍵合。Hong等研究了銅絲球形焊點(diǎn)退火后的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)接頭抗剪強(qiáng)度隨著退火時(shí)間的增加而變大，認(rèn)為是由于界面金屬的擴(kuò)散而導(dǎo)致。Khoury等做了一系列銅絲接頭和金絲接頭在相同溫度下工作﹑以及經(jīng)受相同溫度范圍的熱循環(huán)等試驗(yàn)，認(rèn)為銅絲鍵合的熱疲勞壽命至少不低于金絲鍵合。圖

5Cu/Al

金屬間化合物生長(zhǎng)速率低于

Au/Al目前，對(duì)銅絲引線鍵合的接頭性能的研究主要集中在相同條件下銅絲與金絲鍵合接頭性能的對(duì)比試驗(yàn)研究方面，缺乏詳盡的顯微組織分析和力學(xué)性能測(cè)試。2.3超聲波的機(jī)理研究熱超聲鍵合中，超聲是主要的外加能量之一。目前人們對(duì)超聲的作用機(jī)理做了一些研究，發(fā)現(xiàn)在超聲鍵合中，超聲至少起到兩方面的作用：超聲軟化和摩擦。金屬在超聲激勵(lì)下強(qiáng)度和硬度減小的現(xiàn)象稱為超聲軟化。 Langenecker把這種現(xiàn)象歸因于超聲的能力，認(rèn)為位錯(cuò)優(yōu)先吸收聲能，使位錯(cuò)從釘扎位置開動(dòng)，暫時(shí)使金屬軟化，增加塑性能力，允許金屬在相對(duì)較低的壓力下變形。目前人們對(duì)超聲軟化的機(jī)理尚無定論，而且熱超聲鍵合中超聲波對(duì)金屬力學(xué)行為影響的定量分析尚未見報(bào)道。Mayer通過顯微傳感器研究金絲熱超聲鍵合時(shí)發(fā)現(xiàn)金球與基板接觸面之間的摩擦是形成鍵合的重要條件，并且認(rèn)為沒有摩擦就沒有鍵合。 Lum等在研究金絲鍵合在銅基板上所留下的痕跡時(shí)，發(fā)現(xiàn)許多痕跡呈明顯的環(huán)狀（圖 6），正好可以用 Mindlin的彈性接觸理論來解釋。在相同的壓力下，隨著超聲功率的增大，圓環(huán)的內(nèi)徑減小，直至由微摩擦（microslip）變?yōu)橄鄬?duì)滑動(dòng)（grosssliding）（圖7）。根據(jù)以上研究，合理的設(shè)計(jì)壓力和超聲波功率，能夠得到良好的鍵合點(diǎn)。至于銅絲鍵合中超聲的摩擦作用如何，是否與金絲相似，目前尚未有報(bào)道。圖6環(huán)狀鍵和痕跡圖7超聲功率增加，鍵合痕跡由微摩擦變?yōu)橄鄬?duì)滑動(dòng)的示意圖2.4實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與有限元分析實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍵合過程中的溫度﹑應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)的變化，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù)，對(duì)引線鍵合過程的機(jī)理研究以及質(zhì)量控制均十分有利。 Schneuwly等提出一種熱電偶溫度測(cè)量技術(shù)，他們?cè)阪I合點(diǎn)處通過改進(jìn)的劈刀引入 Ni線和Au球形成熱電偶來在線測(cè)量鍵合過程溫度的瞬時(shí)變化，試驗(yàn)設(shè)置及操作過程都比較復(fù)雜，結(jié)果離散性較大。 Suman等通過在基板中植入一種兼容的鋁 -硅熱電偶傳感器實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍵合過程的溫度。Mayer等開發(fā)了新型的原位監(jiān)測(cè)方法，通過在連接處植入集成傳感器，可實(shí)現(xiàn)連接過程中溫度和壓力信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（圖8）。圖8集成傳感器目前，隨著商業(yè)有限元軟件的發(fā)展，有限元方法越來越多的應(yīng)用于引線鍵合的質(zhì)量評(píng)估與分析中。引線鍵合是一個(gè)熱力耦合的過程，并且伴隨著超聲振動(dòng)和內(nèi)部擴(kuò)散，難以模擬。為了簡(jiǎn)化，現(xiàn)在大多數(shù)模型都采用2維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并且把超聲簡(jiǎn)化為熱源處理。Zhang等建立了一個(gè)3維模型，并且通過改變接觸面上的摩擦系數(shù)來嘗試模擬超聲的摩擦作用。Viswanath等也建立了一個(gè)3維模型來模擬熱超聲引線鍵合在Cu/low-k基板上的情形。到目前為止，在模型中尚未考慮超聲軟化效果以及內(nèi)部擴(kuò)散作用，模型還不夠完善。3.銅絲引線鍵合存在的問題銅絲引線鍵合與金絲相比具有價(jià)格便宜﹑成本低﹑導(dǎo)電導(dǎo)熱性高和接頭強(qiáng)度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，然而銅絲鍵合也存在一些金絲鍵合所不易出現(xiàn)的缺陷，主要有基板裂紋（UnderpadCrack）﹑硅坑（SiliconCratering，圖9）﹑接頭強(qiáng)度低（WeakBond）和虛焊（Non-Stick）等。一般認(rèn)為由于銅絲硬度高于金絲，這意味著銅絲鍵合時(shí)需要更高的超聲功率和更大的壓力，這樣比較容易對(duì)硅基板造成損害，從而導(dǎo)致基板裂紋和硅坑缺陷的產(chǎn)生，而如果超聲功率和壓力設(shè)置偏小，又會(huì)導(dǎo)致接頭強(qiáng)度低甚至導(dǎo)致虛焊。另外，由于同種金屬焊接無金相的差異，銅絲可以直接鍵合在封裝外殼的銅基上，因此封裝外殼的銅基上不必像金絲鍵合那樣鍍銀，這樣導(dǎo)致銅基表面氧化，即使采用保護(hù)氣體也不能完全防止，所以第二焊點(diǎn)往往強(qiáng)度較低，甚至虛焊。圖9硅坑缺陷為了防止缺陷的產(chǎn)生，人們采取了各種措施。Mori向純的6NCu中加入一種不影響銅絲硬度的成分，制成一種新的銅絲。試驗(yàn)表明這種新銅絲能夠解決一些問題，如硅基板的損壞問題，但并未說明所加入是何種成分。Kaimori等在銅絲表面鍍Pd來防止銅絲氧化，并且獲得質(zhì)量較好的第二焊點(diǎn)。Toyozawa等提出了一種壓力兩級(jí)加載技術(shù)（圖10），試驗(yàn)表明運(yùn)用此技術(shù)在一定條件下能夠解決基板裂紋和硅坑問題。目前工業(yè)應(yīng)用中，主要運(yùn)用這種加載技術(shù)。但是基板缺陷仍然存在，人們尚未能夠解決，這些缺陷嚴(yán)重影響了銅絲鍵合的大規(guī)模應(yīng)用。圖10壓力加載結(jié)論與展望銅絲由于成本低﹑導(dǎo)電導(dǎo)熱性好﹑接頭強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)在集成電路封裝工業(yè)中得到越來越多的應(yīng)用，銅絲引線鍵合技術(shù)的研究發(fā)展迅速。在防