电子封装Cu键合丝的研究及应用
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早在 10 年前 ,铜丝球焊工艺就作为一种降低成本 的方法应用于晶片上的铝焊区金属化 。但在当时行业 的标准封装形式为 18～40 个引线的塑料双列直插式 封装 (塑料 DIP) ,其焊区间距为 150～200μm , 焊球尺 寸为 100～125μm ,丝焊的长度很难超过 3 mm 。所以 在大批量 、高可靠的产品中 ,金丝球焊工艺要比铜丝球 焊工艺更稳定更可靠 。然而 ,随着微电子行业新工艺 和新技术的出现及应用 ,当今对封装尺寸和型式都有 更高 、更新的要求 。首先是要求键合丝更细 ,封装密度 更高而成本更低 。因此 ,铜键合丝又引起了人们的重 视 ,在经过新工艺如新型 EFO ( Elect ro nic flame off )
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D ING Yu2tian , CAO Jun , XU Guang2ji , KOU Sheng2zhong , HU Yong ( State Key Laboratory of Gansu Advanced Nonferrous Materials , Lanzhou University of Technology , Lanzhou 730050 , China)
表 1 铜 (Cu) 、金 (Au) 键合丝力学性能对照表[4] Tab. 1 Mechanical p roperties of Cu and Au bonding wire
密尔 (Mil)
伸长率 ( %)
Cu
断裂载荷/ g
伸长率 ( %)
Au
断裂载荷/ g
0. 8 8～16 5～10 2～8 3～7
Abs t rac t : The limitation of the conventional Au and Al21 %Si bonding wire in electronic packaging , and the excellent prop ertie s of copp er bonding wire were reviewed. Cu bonding wire instead of gold bonding wire and aluminum bonding wire can shorten the bonding sp ace , and improve the CMOS chip fre quency and reliability. Moreover , the advantage s of single crystal copp er a s bonding wire were discussed. The comp arison re sult of bonding prop ertie s shows that copp er bonding wire ha s excellent prop ertie s in electronic p ackaging. Ke y w or ds : Electronic p ackaging ; Bonding prop erty ; Copp er bonding wire ; Single crystal copp er
标 ,随着芯片频率不断提高 ,对封装中的导体材料的电 性能提 出 了 更 高 的 要 求 。铜 的 电 导 率 比 金 高 出 近 40 % ,比铝高出近 2 倍 。在承受相同电流时 ,铜丝截面 积比金丝小 ,这样在微间距封装中就可以采用更细的 焊线 ,其微间距应用性能优异 (焊垫尺寸较小) ,提高了 功率调节器件 ( TO220 、TO92 、DPA K 等) 的电流容量 和性能 。此外 ,铜丝的寄生电容比金丝小 ,由寄生电容
Vol. 27 No . 9 Sep . 2006
铸造技术 FOUNDR Y TEC HNOLO GY
·971 ·
电子封装 Cu 键合丝的研究及应用
丁雨田 ,曹 军 ,许广济 ,寇生中 ,胡 勇
(兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室 ,甘肃 兰州 730005)
摘要 :论述了传统 Au 、Al21 %Si 键合丝在电子封装中的局限性 ,分析了 Cu 键合丝优良的材料性能 ,Cu 键合丝替代 Au 丝和 Al21 %Si 丝可缩小焊接间距 ,提高芯片频率和可靠性 。并在此基础上阐述了单晶铜作为键合丝的优势 ,通过键合性能的对比 显示了单晶铜键合丝在电子封装中的良好特性 。 关键词 :电子封装 ;键合性能 ;Cu 键合丝 ;单晶铜 中图分类号 : T G146. 1 + 1 文献标识码 :A 文章编号 :100028365 (2006) 0920971204
为了克服芯片的引线间距和焊球直径同幅减小所 带来的问题 ,近年来 ,人们对铜丝焊 、劈刀材料等进行 了一些新的工艺研究 ,解决了铜难以焊接的关键技术 , 使得采用铜丝键合不但使封装成本下降 ,而且铜键合 丝良好的力学性能 、电学性能 、热学性能和金属间化合 物增长缓慢的特性 ,大大提高了半导体器件可靠性 。 2. 1 铜丝键合工艺的发展
引线键合以工艺实现简单 、成本低廉 、适用多种封 装形式而在连接方式中占主导地位 ,目前所有封装管 脚的 90 %以上采用引线键合连接 。随着集成电路及 半导体器件向封装多引线化 、高集成度和小型化发展 , 要求线径更细 、电学性能更好的键合丝进行窄间距 、长 距离的键合 。因此 ,对键合丝的技术指标提出了越来 越高的要求 ,高纯度 、耐高温 、超细键合丝越来越受到 人们的重视 ,普通键合丝都将向高密度低弧度键合丝 发展[1] 。此外 ,芯片密度的不断提高 ,对键合材料的导 热性和可靠性提出了更高的要求 ,传统的金丝 、铝丝由 于达到性能的极限而难以满足高密度 、高集成度半导 体元器件的键合引线要求 。而铜键合丝由于其高的电 导率 ,优良的力学性能和热学性能 ,在很大程度上提高 了芯片频率和可靠性 ,适应了低成本 、细间距 、高引出 端元器件封装的发展 ,成为替代传统键合丝的最佳材 料。 1 传统键合丝在电子封装中的局限
在集成电路的引线键合中 ,主要应用的键合丝有
收稿日期 :2006205208 ; 修订日期 :2006206224 作者简介 :丁雨田 (19622 ) ,甘肃兰州人 ,博士 ,教授. 研究方向 :主要从
事凝固技术研究.
金 (Au) 丝 、铝 (Al) 丝等 ,随着封装密度的增加 ,芯片的 引线间距和焊球直径同幅减小 ,传统的金丝 、铝丝等在 引线键合中出现了诸多难以克服的缺点 。
1. 0 8～16 8～15 2～10 6～12
1. 1 10～20 10～20 பைடு நூலகம்～11 7～15
1. 2 10～20 12～22 2～12 8～18
1. 5 10～20 20～30 2～13 12～24
2. 0 15～25 40～55 2～16 20～40
2. 2. 2 铜键合丝的电学性能 封装材料的电学性能直接决定了芯片的性能指
铜的热学性能显著优于金和铝 ,因此能够以更细 的焊丝直径达到更好的散热性能及更高的额定功率 。
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
铜丝与金丝相比具有明显的优势 ,采用铜丝键合不 但可以大大降低器件制造成本 ,提高竞争优势 ,而且铜 键合丝优良的材料性能也加速了在电子封装业的应用 。 铜键合丝优良的材料性能主要表现在以下几个方面 。 2. 2. 1 铜键合丝的力学性能
键合丝的力学性能 ,即丝的破断力和伸长率对引 线键合的质量起关键作用 。具有较高破断力和较好伸 长率的丝更利于键合 。高的破断力能使丝抵抗一定的 机械应力 ,好的伸长率使键合丝在打线键合时的成弧 性好 ,一致性好 ,无塌丝现象 ,从而提高半导体器件的 可靠 性 。由 表 1 可 以 看 出 , 铜 丝 与 同 规 格 的 金 丝 (99. 99 %) 相比有优良的力学性能[4] ,它具有高的伸长 率和破断力 ,这样在模压和封闭过程中可以得到优异 的球颈强度和较高的弧线稳定性 。并且在满足相同焊 接强度的情况下 ,可采用更小直径的铜丝来代替金丝 , 从而使引线键合的间距可以做得更小 。此外 ,铜的杨 氏模量比金大 40 % ,这就使得其能更好的控制引线长 度 ,减少下垂和变形 。对于铜键合丝 ,丝材长度可超过 200Mil ( 1Mil = 0. 0 254 mm) 而直 线度 总 偏 差 不 足 1. 5Mil ,在长间距键合时比金丝更容易控制[5] 。
Al21 %Si 丝作为一种低成本的键合丝受到人们的 广泛重视 ,国内外很多科研单位都在通过改变生产工
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
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艺来生产各种替代金丝的 Al21 %Si 丝 ,但仍存在较多 问题 :首先 ,普通 Al21 %Si 在球焊时加热易氧化 ,生成 一层硬的氧化膜 ,此膜阻碍球的形成 ,而球形的稳定性 是 Al21 %Si 键合强度的主要特性 。实验证明 ,金丝球 焊在空气中焊点圆度高 ,Al21 %Si 球焊由于表面氧化 的影响 ,空气中焊点圆度低 ;其次 ,Al21 %Si 丝的拉伸 强度和耐热性不如金丝 ,容易发生引线下垂和塌丝 ;再 次 ,同轴 Al21 %Si 的性能不稳定 ,特别是伸长率波动 大 ,同批次产品的性能相差大 ,且产品的成材率低 ,表 面清洁度差 ,并较易在键合处经常产生疲劳断裂 。 2 铜键合丝的发展及其优势
引起的信号串扰也越小 ,信号在铜丝上传输的速度比 在金丝上快 ,这对高速 IC 是非常有利的 。因此 ,铜焊 线更适用于多种高端 、高速 、微间距器件和引线数量更 高 、焊垫尺寸更小的元器件的封装[6] 。铜丝的熔断电 流和抗电迁移性能比金丝要高 ,用其替代金丝可进一 步提高芯片可靠性 。 2. 2. 3 铜键合丝的热学性能
1. 1 金 (Au) 丝 金丝作为应用最广泛的键合丝来说 ,在引线键合
中存在以下几个方面的问题 。首先是 ,Au2Al 金属学 系统易产生有害的金属间化合物[2] ,这些金属间化合 物晶格常数不同 ,力学性能和热性能也不同 ,反应时会 产生物质迁移 ,从而在交界层形成可见的柯肯德尔空 洞 ( Kirkendall Void) ,使键合处产生空腔 ,电阻急剧增 大 ,破坏了集成电路的欧姆联结 ,导电性严重破坏或产 生裂缝 ,易在此引起器件焊点脱开而失效 ;其次 ,金丝 的耐热性差 ,金的再结晶温度较低 (150 ℃) ,导致高温 强度较低 。球焊时 ,焊球附近的金丝由于受热而形成 再结晶组织 ,若金丝过硬会造成球颈部折曲 ;焊球加热 时 ,金丝晶粒粗大化会造成球颈部断裂 ;另外 ,金丝还 易造成塌丝现象和拖尾现象 ,严重影响了键合的质量 ; 再次 ,金丝的价格昂贵 ,导致封装成本过高 。 1. 2 Al21 %Si 丝
(电子灭火) 、O P2 (Oxidatio n p reventio n p rocess) (抗 氧化工艺) 及 M RP ( Mo dulus Reductio n Process) (降 低模量工艺) 的改进后 ,使铜丝键合比金丝键合更牢 固 、更稳定[3] 。尤其是在大批量的高引出数 、细间距 、 小焊区的 IC 封装工艺中 ,成为替代金丝的最佳键合材 料 。此外 ,在当今高级微电子封装中 , 硅晶片上的铝 金属化工艺正在朝着铜合金化工艺发展 , 使得铜丝键 合更具有明显的优势 。 2. 2 铜键合丝的优势
Re s e a r c h a n d Ap p li c a ti o n of Cop p e r B o n di n g Wi r e i n El e c t r o ni c Pa c k a gi n g
D ING Yu2tian , CAO Jun , XU Guang2ji , KOU Sheng2zhong , HU Yong ( State Key Laboratory of Gansu Advanced Nonferrous Materials , Lanzhou University of Technology , Lanzhou 730050 , China)
表 1 铜 (Cu) 、金 (Au) 键合丝力学性能对照表[4] Tab. 1 Mechanical p roperties of Cu and Au bonding wire
密尔 (Mil)
伸长率 ( %)
Cu
断裂载荷/ g
伸长率 ( %)
Au
断裂载荷/ g
0. 8 8～16 5～10 2～8 3～7
Abs t rac t : The limitation of the conventional Au and Al21 %Si bonding wire in electronic packaging , and the excellent prop ertie s of copp er bonding wire were reviewed. Cu bonding wire instead of gold bonding wire and aluminum bonding wire can shorten the bonding sp ace , and improve the CMOS chip fre quency and reliability. Moreover , the advantage s of single crystal copp er a s bonding wire were discussed. The comp arison re sult of bonding prop ertie s shows that copp er bonding wire ha s excellent prop ertie s in electronic p ackaging. Ke y w or ds : Electronic p ackaging ; Bonding prop erty ; Copp er bonding wire ; Single crystal copp er
标 ,随着芯片频率不断提高 ,对封装中的导体材料的电 性能提 出 了 更 高 的 要 求 。铜 的 电 导 率 比 金 高 出 近 40 % ,比铝高出近 2 倍 。在承受相同电流时 ,铜丝截面 积比金丝小 ,这样在微间距封装中就可以采用更细的 焊线 ,其微间距应用性能优异 (焊垫尺寸较小) ,提高了 功率调节器件 ( TO220 、TO92 、DPA K 等) 的电流容量 和性能 。此外 ,铜丝的寄生电容比金丝小 ,由寄生电容
Vol. 27 No . 9 Sep . 2006
铸造技术 FOUNDR Y TEC HNOLO GY
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电子封装 Cu 键合丝的研究及应用
丁雨田 ,曹 军 ,许广济 ,寇生中 ,胡 勇
(兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室 ,甘肃 兰州 730005)
摘要 :论述了传统 Au 、Al21 %Si 键合丝在电子封装中的局限性 ,分析了 Cu 键合丝优良的材料性能 ,Cu 键合丝替代 Au 丝和 Al21 %Si 丝可缩小焊接间距 ,提高芯片频率和可靠性 。并在此基础上阐述了单晶铜作为键合丝的优势 ,通过键合性能的对比 显示了单晶铜键合丝在电子封装中的良好特性 。 关键词 :电子封装 ;键合性能 ;Cu 键合丝 ;单晶铜 中图分类号 : T G146. 1 + 1 文献标识码 :A 文章编号 :100028365 (2006) 0920971204
为了克服芯片的引线间距和焊球直径同幅减小所 带来的问题 ,近年来 ,人们对铜丝焊 、劈刀材料等进行 了一些新的工艺研究 ,解决了铜难以焊接的关键技术 , 使得采用铜丝键合不但使封装成本下降 ,而且铜键合 丝良好的力学性能 、电学性能 、热学性能和金属间化合 物增长缓慢的特性 ,大大提高了半导体器件可靠性 。 2. 1 铜丝键合工艺的发展
引线键合以工艺实现简单 、成本低廉 、适用多种封 装形式而在连接方式中占主导地位 ,目前所有封装管 脚的 90 %以上采用引线键合连接 。随着集成电路及 半导体器件向封装多引线化 、高集成度和小型化发展 , 要求线径更细 、电学性能更好的键合丝进行窄间距 、长 距离的键合 。因此 ,对键合丝的技术指标提出了越来 越高的要求 ,高纯度 、耐高温 、超细键合丝越来越受到 人们的重视 ,普通键合丝都将向高密度低弧度键合丝 发展[1] 。此外 ,芯片密度的不断提高 ,对键合材料的导 热性和可靠性提出了更高的要求 ,传统的金丝 、铝丝由 于达到性能的极限而难以满足高密度 、高集成度半导 体元器件的键合引线要求 。而铜键合丝由于其高的电 导率 ,优良的力学性能和热学性能 ,在很大程度上提高 了芯片频率和可靠性 ,适应了低成本 、细间距 、高引出 端元器件封装的发展 ,成为替代传统键合丝的最佳材 料。 1 传统键合丝在电子封装中的局限
在集成电路的引线键合中 ,主要应用的键合丝有
收稿日期 :2006205208 ; 修订日期 :2006206224 作者简介 :丁雨田 (19622 ) ,甘肃兰州人 ,博士 ,教授. 研究方向 :主要从
事凝固技术研究.
金 (Au) 丝 、铝 (Al) 丝等 ,随着封装密度的增加 ,芯片的 引线间距和焊球直径同幅减小 ,传统的金丝 、铝丝等在 引线键合中出现了诸多难以克服的缺点 。
1. 0 8～16 8～15 2～10 6～12
1. 1 10～20 10～20 பைடு நூலகம்～11 7～15
1. 2 10～20 12～22 2～12 8～18
1. 5 10～20 20～30 2～13 12～24
2. 0 15～25 40～55 2～16 20～40
2. 2. 2 铜键合丝的电学性能 封装材料的电学性能直接决定了芯片的性能指
铜的热学性能显著优于金和铝 ,因此能够以更细 的焊丝直径达到更好的散热性能及更高的额定功率 。
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
铜丝与金丝相比具有明显的优势 ,采用铜丝键合不 但可以大大降低器件制造成本 ,提高竞争优势 ,而且铜 键合丝优良的材料性能也加速了在电子封装业的应用 。 铜键合丝优良的材料性能主要表现在以下几个方面 。 2. 2. 1 铜键合丝的力学性能
键合丝的力学性能 ,即丝的破断力和伸长率对引 线键合的质量起关键作用 。具有较高破断力和较好伸 长率的丝更利于键合 。高的破断力能使丝抵抗一定的 机械应力 ,好的伸长率使键合丝在打线键合时的成弧 性好 ,一致性好 ,无塌丝现象 ,从而提高半导体器件的 可靠 性 。由 表 1 可 以 看 出 , 铜 丝 与 同 规 格 的 金 丝 (99. 99 %) 相比有优良的力学性能[4] ,它具有高的伸长 率和破断力 ,这样在模压和封闭过程中可以得到优异 的球颈强度和较高的弧线稳定性 。并且在满足相同焊 接强度的情况下 ,可采用更小直径的铜丝来代替金丝 , 从而使引线键合的间距可以做得更小 。此外 ,铜的杨 氏模量比金大 40 % ,这就使得其能更好的控制引线长 度 ,减少下垂和变形 。对于铜键合丝 ,丝材长度可超过 200Mil ( 1Mil = 0. 0 254 mm) 而直 线度 总 偏 差 不 足 1. 5Mil ,在长间距键合时比金丝更容易控制[5] 。
Al21 %Si 丝作为一种低成本的键合丝受到人们的 广泛重视 ,国内外很多科研单位都在通过改变生产工
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
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Vol. 27 No . 9 Sep . 2006
艺来生产各种替代金丝的 Al21 %Si 丝 ,但仍存在较多 问题 :首先 ,普通 Al21 %Si 在球焊时加热易氧化 ,生成 一层硬的氧化膜 ,此膜阻碍球的形成 ,而球形的稳定性 是 Al21 %Si 键合强度的主要特性 。实验证明 ,金丝球 焊在空气中焊点圆度高 ,Al21 %Si 球焊由于表面氧化 的影响 ,空气中焊点圆度低 ;其次 ,Al21 %Si 丝的拉伸 强度和耐热性不如金丝 ,容易发生引线下垂和塌丝 ;再 次 ,同轴 Al21 %Si 的性能不稳定 ,特别是伸长率波动 大 ,同批次产品的性能相差大 ,且产品的成材率低 ,表 面清洁度差 ,并较易在键合处经常产生疲劳断裂 。 2 铜键合丝的发展及其优势
引起的信号串扰也越小 ,信号在铜丝上传输的速度比 在金丝上快 ,这对高速 IC 是非常有利的 。因此 ,铜焊 线更适用于多种高端 、高速 、微间距器件和引线数量更 高 、焊垫尺寸更小的元器件的封装[6] 。铜丝的熔断电 流和抗电迁移性能比金丝要高 ,用其替代金丝可进一 步提高芯片可靠性 。 2. 2. 3 铜键合丝的热学性能
1. 1 金 (Au) 丝 金丝作为应用最广泛的键合丝来说 ,在引线键合
中存在以下几个方面的问题 。首先是 ,Au2Al 金属学 系统易产生有害的金属间化合物[2] ,这些金属间化合 物晶格常数不同 ,力学性能和热性能也不同 ,反应时会 产生物质迁移 ,从而在交界层形成可见的柯肯德尔空 洞 ( Kirkendall Void) ,使键合处产生空腔 ,电阻急剧增 大 ,破坏了集成电路的欧姆联结 ,导电性严重破坏或产 生裂缝 ,易在此引起器件焊点脱开而失效 ;其次 ,金丝 的耐热性差 ,金的再结晶温度较低 (150 ℃) ,导致高温 强度较低 。球焊时 ,焊球附近的金丝由于受热而形成 再结晶组织 ,若金丝过硬会造成球颈部折曲 ;焊球加热 时 ,金丝晶粒粗大化会造成球颈部断裂 ;另外 ,金丝还 易造成塌丝现象和拖尾现象 ,严重影响了键合的质量 ; 再次 ,金丝的价格昂贵 ,导致封装成本过高 。 1. 2 Al21 %Si 丝
(电子灭火) 、O P2 (Oxidatio n p reventio n p rocess) (抗 氧化工艺) 及 M RP ( Mo dulus Reductio n Process) (降 低模量工艺) 的改进后 ,使铜丝键合比金丝键合更牢 固 、更稳定[3] 。尤其是在大批量的高引出数 、细间距 、 小焊区的 IC 封装工艺中 ,成为替代金丝的最佳键合材 料 。此外 ,在当今高级微电子封装中 , 硅晶片上的铝 金属化工艺正在朝着铜合金化工艺发展 , 使得铜丝键 合更具有明显的优势 。 2. 2 铜键合丝的优势