铜丝键合工艺在微电子封装中的应用

铜丝键合工艺在微电子封装中的应用赵钰1引言当今半导体行业的一些显著变化直接影响到IC互连技术，其中有3大因素推动着互连技术的发展。

第一是成本，也是主要因素，目前金丝键合长度超过5mm，引线数达到400以上，封装成本超过0.20美元。

而采用铜丝键合新工艺不但能降低器件制造成本，而且其互连强度比金丝还要好。

它推动了低成本、细间距、高引出端数器件封装的发展。

第二是晶片线条的尺寸在不断缩小，器件的密度增大、功能增强。

这就需要焊区焊点极小的细间距、高引出端数的封装来满足上述要求。

第三是器件的工作速度，出现了晶片铝金属化向铜金属化的转变。

因为晶片的铜金属化可以使电路密度更高、线条更细。

对于高速器件的新型封装设计来说，在封装市场上选择短铜丝键合并且间距小于50μm的铜焊区将成为倒装焊接工艺强有力的竞争对手。

表1列出铜作为键合材料用于IC封装中的发展趋势。

表1材料组合细引线晶片上的焊区金属化应用时间铜（Cu）Al 1989年金(Au) Cu＋溅射铝(Al)的焊区 2000年Au Cu＋镀镍/金(Ni/Au)焊区2000年Au Cu＋OP2(抗氧化工艺) 2001年Cu Cu 2002年～将来2铜丝键合工艺的发展早在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。

当时，行业的标准封装形式为18个～40个引线的塑料双列直插式封装，其焊区间距为150μm～200μm，焊球尺寸为100μm～125μm，丝焊的长度很难超过3mm。

与现在的金丝用量相比，在当时的封装中金丝用得很少。

所以，实际上金的价格并不是主要问题。

此外，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。

一般在细间距的高级封装中，引出端达500个，金丝键合长度大于5mm，其封装成本在0.2美元以上。

与以前相比，丝焊的价格成为封装中的重要问题。

表2列出铜和金的封装成本比较。

由此，专家们又看中了铜丝，在经过新工艺如新型EFO(电子灭火)、OP2(抗氧化工艺)及MRP(降低模量工艺)（这些工艺在下文中将作详细说明）的改进后，使铜丝键合比金丝键合更牢固、更稳定。

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。

表2长5mm、直径为1μm的金丝和铜丝封装成本比较材料引线数丝焊成本/（封装/美元）Au 256 0.12Cu 256 0.06Au 400 0.19Cu 400 0.09超细间距的球形键合工艺是随产品尺寸和线条不断缩小的要求而发展，特别是因为器件的包封密度要求越来越高。

当间距尺寸低于60μm时，键合丝的直径必须低于25μm。

而直径低于25μm的金丝在硬度和强度上都要略差一些，工艺实施也比较困难。

但是采用直径低于25μm的铜丝，其硬度比金丝硬度大40％，强度是金丝的两倍，且便于工艺操作，器件产量高。

因此,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金属化工艺发展，铜丝键合明显占优势。

目前，在晶片上实现铜丝金属化工艺的线条最细可达到0.18μm。

预计到2003年，其线条最细可低于0.13μm。

图1示出直径为25μm的铜丝、铝丝和金丝的强度及硬度对比图。

3晶片金属化层的键合工艺当今，全球的IC制造商普遍采用3种金属互连工艺，即：铜丝与晶片铝金属化层的键合工艺，金丝与晶片铜金属化层的键合工艺以及铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺。

近年来第一种工艺用得最为广泛，后两者则是今后的发展方向。

3.1铜丝与晶片铝金属化层的键合工艺近年来，人们对铜丝焊、劈刀材料及新型的合金焊丝进行了一些新的工艺研究，克服了铜易氧化及难以焊接的缺陷。

采用铜丝键合不但使封装成本下降，更主要的是作为互连材料，铜的物理特性优于金。

特别是采用以下3种新工艺，更能确保铜丝键合的稳定性。

1）充惰性气体的EFO工艺常规用于金丝球焊工艺中的EFO是在形成焊球过程中的一种电火花放电。

但对于铜丝球焊来说，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。

新型EFO工艺是在成球过程中增加惰性气体保护功能,通俗说法就是铜焊球成形过程中的气氛保护工艺，即在一个专利悬空管内充入氮气，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,焊球质量极好，焊接工艺比较完善。

这种新工艺不需要降低周围气体的含氧量，用通用的氮气即可，因此降低了成本。

2）OP2工艺铜丝球焊和金丝球焊的正常焊接温度为175℃～225℃。

在该温度范围内，铜丝很快被氧化，如果表面没有保护层就无法焊接。

所以需要进行抗氧化的表面处理以形成可靠的可焊接表面层。

3）MRP工艺丝焊键合工艺的有限元模型的建立为焊接材料和工具图形的效果提供了新的认识。

通过金丝焊球和铜丝焊球的变形而产生的压力图形比较，可以看出在铜丝球焊过程中的底层焊盘的力要大一些。

若强度过大，会产生成坎效应和金属层起皮之类的焊接缺陷。

如图2示出金焊球和铜焊球的压力图。

从图中可以看出，同样高度的铜、金焊球，铜焊球的焊接压力大，硬度明显高于金，但比金焊球容易变形。

硬度和模量是焊丝的主要参数。

为降低其硬度，以前人们是依靠采用纯度高达99.999％或99.9999％的铜，因为纯度低则硬度高。

目前最新的方法是结合专利的焊接和焊丝制造工艺，在降低模量的同时提高了焊接质量和产量。

图3示出采用MRP和未采用MRP的第二次焊接拉力测试。

MPR工艺可以提高铜焊点的拉伸强度，一般对于10μm直径的Cu丝来说,采用MRP的焊接强度可达5g～6g，若不采用MRP,焊接强度仅有1g～2g。

此外,还可改善由细直径焊接头和细间距劈刀产生的铜球焊接点的失效模式。

3.2金丝与晶片铜金属化层的键合工艺焊区间距降低到55μm以下后，金丝球焊工艺可以代表许多元器件铜金属化互连的整体级别。

金是贵金属,不需要球成型的保护性气体。

然而未受保护的晶片金属化铜在正常工艺温度下易氧化。

因此，在组装工艺即划片、芯片粘结、热固化以及丝焊键合过程中，需要加入特殊的清洗、保护性表面处理和OP2工序以防金属化铜的氧化。

试验证实，铜丝焊球的形状及剪切强度在铜金属化焊盘上与在铝金属化焊盘上的质量一样。

但金　铜的扩散率明显低于金－铝。

金－铜金属间的化合成型较低，很少出现空洞，因而可靠性高于金－铝。

目前，晶片铜焊区上的铝丝球焊工艺做得好的是美国的K＆S公司,该公司的专家已将这种工艺编写成工艺文件,设备采用K＆S8028型键合机，焊丝为99.99％的金丝，劈刀为特殊设计，其剪切强度达　的工艺能使用户在焊区间距　和“OP2Gold50”0.87g/cmm2～0.93g/cmm2。

这种被命名为“OP2Gold60”为60μm和50μm的晶片铜金属化层上实施既实用又可靠的金丝键合工艺。

3.3铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺元器件的工作速度是铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺发展的主要驱动力。

目前,铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺还处于研究阶段，已经于2001年底应用在大批量生产中。

该工艺目前只能使用K＆S8060楔焊机。

因为楔焊在超细焊工艺中处于领先地位，它的焊接间距比球形焊的间距小。

这种K＆S8060楔焊机装有UnibodyTM超声传感器，可产生高频超声焊，它使整个楔焊的焊接点直径比焊丝直径大20％～30％，而球形焊的焊球直径比焊丝直径大50％～60％。

此外，铜楔焊是在室温下进行的焊接工艺，而球焊接则需要提高温度来辅助焊球成型。

但高温会加速氧化，且阻碍焊接。

楔焊接的一个主要缺点是其焊接速度低于球焊接。

这是因为它需要附加运动轴来旋转焊接头，所以降低了焊接速度。

然而，目前较新型的楔焊机在生产率和精确度方面都取得了显著的提高，可达到每秒6根丝的生产速率，而且焊丝间距为50μm。

因此，这种铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺能满足最佳功能与特性设计要求。

其中：（1）有超长或跨接键合丝的封装设计，焊丝直径小于20μm；（2）金丝直径小于17μm时，其阻抗或电阻特性很难满足一些封装要求，而铜丝的导电率比金丝高，直径也小于金丝；（3）铜丝具有超强的电特性，可满足数据传输速率和射频要求。

此外，铜丝表面应进行高质量抛光，卷筒包装并符合化学标准要求，以便与高产、无故障的制造工艺相适应。

4铜丝与金属化层键合的匹配性及可靠性铜丝已经很成功地应用于镀Ag/Ni引线、铝金属化层以及铜金属化层的键合中。

影响焊接成型以及焊接可靠性的一个关键因素是焊丝与金属化层之间金属间化合物的增长速率。

在焊接过程中，焊丝与金属化层的扩散速率越低，金属间化合物的增长速率就越低，而使接触电阻值低，产生的热量就少。

图4分别示出金丝和铜比分别与铝金属化层键合的金属间相（IP）增长。

我们从图中球形键合界面可以明显看出，铜丝球焊的金属间渗透明显低于金丝球焊。

这就意味着铜　铝界面比铜　铝界面的电阻率更低、热量更小、封装寿命更长即可靠性更高，更能满足焊接强度的要求。

除此之外，我们还可通过失效模式来分析它的键合强度。

图5示出在剪切试验后的高强度100MPa（约1.01g/cmm2）的焊接点。

对于金　铝焊点来说，它的剪切表面是在焊球内部，穿过球体。

而铜－铝焊点的剪切面是穿过铝焊区，明显比金丝的强度高。

铜焊球和金属间界面层都比铝焊区坚硬。

有关利用铜丝球焊到铝焊区的可靠性测试已编写成文件。

5结语随着微电子封装技术的发展，芯片制造商拟将晶片上的铝金属化层更换为铜，这样不但能提高器件特性，还能降低成本。

因为在晶片的铜金属化层上可以直接焊接，而不需要像铝金属化层那样加一层金属焊接层。

同时，在工艺上，逐渐将传统的金丝换为铜丝，解决细间距的器件封装。

对器件超细间距的要求成为降低焊丝直径的主要驱动力。

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。

铜丝与传统的晶片上铝金属化焊区的键合，可降低成本，使高产、细间距的封装的焊丝更牢固和坚硬。

金丝与晶片上铜金属化焊区的键合，需要附加OP2和MRP工艺。

铜丝与晶片上铜金属化焊区的键合是解决最细间距封装的最佳方案，该工艺技术是未来的发展方向。

6致谢本文在成文中得到我所研究员高工斯培新的悉心指导,特此鸣谢。

金、铜丝球键合焊点的可靠性对比研究字体: 小中大 | 打印发表于: 2007-4-08 22:05 作者: anndi 来源: 电子胶水●中国1 引言丝球焊是引线键合中最具代表性的焊接技术，它是在一定的温度下，作用键合工具劈刀的压力，并加载超声振动，将引线一端键合在IC芯片的金属法层上，另一端键合到引线框架上或PCB便的焊盘上，实现芯片内部电路与外围电路的电连接，由于丝球焊操作方便、灵活、而且焊点牢固，压点面积大（为金属丝直径的2.5－3倍），又无方向性，故可实现高速自动化焊接[1]。