铜线键合注意

铜丝键合工艺及操作注意事项

对键合铜丝产生弹坑问题的相关原理的解释

键合铜丝作为微电子工业的新型材料,已经成功替代键合金丝应用于半导体器件后道封装中。随着单晶铜材料特性的提升和封装键合工艺技术及设备的改进,铜丝在硬度，延展性等指标方面已逐渐适应了半导体的封装要求。其应用已从低端产品向中高端多层线、小间距焊盘产品领域扩展。因而，在今后的微电子封装发展中，铜丝焊将会成为主流技术。采用铜丝键合工艺不但能降低半导体器件制造成本，更主要的是作为互连材料，铜的物理特性优于金。目前，铜丝键合工艺中有两个方面应予以高度重视：一是铜丝储存及使用条件对环境要求高，特别使用过程保护措施不当易氧化；二是铜丝材料特性选择、夹具选择、设备键合参数设置不当在生产制造中易造成芯片焊盘铝挤出、破裂、弹坑、焊接不良等现象发生，最终将导致产品电性能及可靠性问题而失效。因此，铜丝键合应注意以下工艺操作事项及要求，以确保铜丝键合的稳定及可靠性。

1、铜焊线的包装和存放：铜具有较强的亲氧性，在空气中铜丝容易氧化，所以铜丝必须存放于密封的包装盒中以减少环境空气中带来的氧化现象。于是要求各卷铜焊线必须采用吸塑包装，并在塑料袋内单独密封。贮藏时间一般为在室温（20～25℃）下4～6个月。铜丝一旦打开包装放于焊线机上，铜丝暴露于空气中即可产生氧化。原则上要求拆封的铜丝在48小时（包括焊线机上的时间）内用完为好，最长不超过72小时。

2、惰性保护气体：对于铜丝球焊来说，在成球的瞬间,放电温度极高,由于剧烈膨胀,气氛瞬时呈真空状态,但这种气氛很快和周围的大气相混合，常造成焊球变型或氧化。氧化的焊球比那些无氧化层的焊球明显坚硬，而且不易焊接。目前，铜丝键合新型EFO工艺增加了一套铜丝专用装置（K&S公司配置相对封闭的防氧化保护装置），是在成球及楔线过程中增加惰性气体保护功能，以确保在成球的一瞬间与周围的空气完全隔离，以防止焊球氧化。通常保护气体有两种防氧化方式：一种是采用纯度为5个“9”以上的100%氮气作为保护气体；另一种是采用90～95%氮气和5～10%氢气的保

护加还原的混合气体。在焊接过程中，氮气防止氧气与铜发生反应，同时适量的氢气作为还原气体以去掉铜表面的氧化层。目前，大部分生产厂家现工艺趋向使用混合保护气体。但是，还应注意以下几个方面：

⑴高压打火杆的上表面与对应的气体喷嘴的下表面应处在同一个平面上，以确保烧球时气体保护良好；

⑵保护气体加在易出现氧化的高压打火杆烧球点（EFO过程）与工作台的芯片加热区域，流量一般为1L/min左右。流量大小主要视铜球的氧化颜色与铜球的焊接形状而定,太大会出现高尔夫球情况，太小则会影响保护作用；

⑶保护气体的气嘴尽可能靠近劈刀，以保证气体最大范围的保护工作面。

⑷在设备上加一套铜丝专用装置（Copper  Kit），这套装置利用惰性气体保护暴露在空气中的铜线和引线框架。虽然主要的氧化作用在球键合过程中发生，但设置适当的保护气体对第二步键合工艺也是有益的。

3、劈刀的选用：铜丝选用的劈刀与表面的焊接力。同时还要注意以下劈刀形状尺寸差异：

⑴铜丝劈刀T面要稍大一点，太小第二压点（2nd）容易切断造成拉力不够或不均匀；

⑵铜丝劈刀CD可基本保持不变，太大或太小都容易出现不粘等现象；

⑶铜丝劈刀H（孔径）比铜丝直径大8μm即可，太小容易在颈部拉断；

⑷铜丝劈刀CA可适当减小角度值，大了易造成线弧不均匀，但太小线弧颈部容易拉断；

⑸铜丝劈刀FA选用一般要求8度以下（4-8度）；

⑹铜丝劈刀OR选用与金丝大同小异。

4、铜丝工艺对框架的要求：对于框架的第二焊点是铜丝键合质量的一个挑战，首先，铜丝氧化可能导致焊接点和引线框架之间界面间强度减弱，而且由于氧化作用焊接点容易脆裂，即容易产生焊点脱落或拉力强度低；其次，铜键合在第二焊点需设置更高的键合参数，从而在控制焊接形貌上存

在难度，并且需要调整引线框架（引线端）的设计以能够经受更高的键合参数。因此，要求达到：

⑴框架表面光滑、镀层良好。如Ag预镀表面框架的银层厚度应控制在0.03mm～0.06mm；

⑵管脚共面性良好，不允许有扭曲、翘曲等不良现象。管脚表面粗糙和共面性差的框架拉力无法保证且容易出现翘丝和切线造成的烧球不良，压焊过程中容易断丝及出现尾部过短的现象。

⑶铜丝对于Ag预镀表面框架键合具有良好的焊接性能，合理的设置焊接参数即可达到质量要求。而对于NiPdAu预镀表面框架，则需要更长的键合时间和大的待机功率来提高第二键合期间的引线稳定性。

5、压焊夹具的选用：铜丝产品对压焊夹具的选用要求非常严格，首先夹具制作材料要选用得当，同时夹具表面要光滑，要保证载体和管脚无松动，否则将直接影响产品焊接过程中烧球不良、短线、翘丝等一系列焊线问题。

6、铜丝与金线在工艺参数上的区别：在铜丝键合中需要考虑的基本参数有键合和接触的功率/力/时间。相比金丝来讲：

a、EFO过程要求更大的电子打火电流和相对短一些的打火时间；

b、键合时通常需要更大的焊接力和功率以及长一些的焊接时间。因此，除了这些参数在第一球键和第二楔线焊点都要增加外，还要很好地确定（通过工艺试验）第一键合步骤的待机功率和焊接压力，以提高球键的键合质量，同时要避免发生键合弹坑（Crater）的可能性；再就是需要考虑更长的键合时间来提高第二键合期间的引线稳定性；焊线方向上的最佳待机功率和垂直方向上摩擦也将有助于获得优良、牢固焊接形状和良好的拉力强度。

铜丝键合相比金线在设备参数设置（由工艺试验数据确定）还要注意以下几点：

⑴在EFO过程中，对铜焊球硬度有影响的是电子打火装置参数的设定，尤其是电子打火电流这个参数的设定。相对减小（或增加）烧球电流和适当增加（或减少）烧球时间，要经反复试验控制好熔球温度及球体形态，以减轻骤热骤冷对焊球变硬的影响。试验显示，打火电流增加（太大）可导

致焊球硬度增加；

⑵在通常情况下，铜丝的打火成球设置在第1焊点位置的上方进行，而不是在第2焊点后的位置上，以便尽可能的缩短成球至焊接的时间，防止球表面降温硬化。适当降低球焊接触时超声能量，同时相对加大热焊接压力，使焊接在低超声能量下达到铜丝球焊工艺要求，以避免键合区铝层弹坑风险的发生；

⑶第2键合点（楔形焊接）是铜丝键合质量状况的一个挑战，同时它的焊接好坏及形态也直接影响到第1焊点时的成球质量和球焊质量。由于铜丝的硬度比金高，第2键合期间要加以更大一点的超声能量、焊接压力和长一些的焊接时间。以提高框架上的引线焊接稳定、可靠性和保证第1焊点成球的一致性；

⑷在框架的第二焊点产生线尾的时候可能也会有一些问题，在大线径（＞30um）的可能会稳定些，但小线径(≤25um)的可能会有一些不一致性的线尾发生。这些现象可能跟铜线的大结晶颗粒相关，金线具有较小的微米级延展颗粒，铜线只是大几微米而已。细线径的铜线具有较少的颗粒，它的拉力强度更依赖于晶粒排列走向而有别于大线径的铜线，从而导致线的变形，强度和线尾的不稳定性，也同时影响了第二焊点的尺寸大小；因为，框架的第二焊点成型将依赖于许多不同取向的大颗粒，从而影响了拉力强度，有时还导致第二焊点的不一致性。不同长短的线尾可能来自于不同行为的铜线拉扯，从而导致在下一个空气球时产生小球。

⑸铜丝压焊工艺参数与金线相比较最大的变化是加大了焊接压力（contact force）,以增加其可焊性。同时，为了减小弹坑风险，铜球打下去的深度，一般不要超过铝层厚度的一半为好。建议：通常1mil 以下铜丝采用低功率（ow-power）模式，1.2mil以上的铜丝才采用高功率（High-power）模式进行。

7、铜丝对生产效率和产品质量的影响：

⑴产能相对较低，铜丝硬度要高于金线，压焊过程中断丝几率和不粘结现象相对增大，考虑到可焊性能等因素，铜丝压焊速度要相对较慢，正常情况下设备利用率降低15-20%左右。