铜线键合氧化防止技术

铜线键合氧化防止技术
[摘要] 铜线以其相较传统金线更加良好的电器机械性能和低成本特点，在半导体引线键合工艺中开始广泛应用。

但铜线易氧化的特性也在键合过程中容易带来新的失效问题。

文中对这种失效机理进行了分析，并对防止铜线键合氧化进行了实验和研究。

[关键词] 铜线键合氧化失效
1、引言
半导体引线键合（Wire Bonding）的目的是将晶片上的接点以极细的连接线（18～50um）连接到导线架的内引脚或基板的金手指，进而籍此将IC晶片之电路讯号传输到外界。

引线键合所使用的连接线一般由金制成。

近年来，金价显著提升，而半导体工业对低成本材料的需求更加强烈。

铜线已经在分离器件和低功率器件上成功应用。

随着技术的进步，细节距铜引线键合工艺已得到逐步的改进与完善。

铜作为金线键合的替代材料已经快速取得稳固地位。

但由于铜线自身的高金属活性也在键合过程中容易带来新的失效问题。

引线键合技术又称为焊线技术，根据工艺特点可分为超声键合、热压键合和热超声键合。

由于热超声健合可降低热压温度，提高键合强度，有利于器件可靠性，热超声键合已成为引线键合的主流。

本文所讨论的内容皆为采用热超声键合。

2、铜线键合的优势与挑战
与金线连接相比，铜线连接主要有着成本低廉并能提供更好电气性能的优点。

最新的研究工作已经扩展到了多节点高性能的应用。

这些开发工作在利用铜线获得成本优势的同时，还要求得到更好的电气性能。

随着半导体线宽从90纳米降低到65甚至45纳米,提高输入输出密度成为必需，要提高输入输出密度需要更小键合间距，或者转向倒装芯片技术。

铜线连接是一个很好的解决方案，它可以规避应用倒装芯片所增加的成本。

以直径20um为例，纯铜线的价格是同样直径的金线的10％左右，镀钯铜线的价格略高，但仍仅是同样直径的金线的20％左右。

如图1所示，除了较低的材料成本之外，铜线在导电性方面也优于金线。

就机械性能而言，根据Khoury等人的剪切力和拉伸力实验，铜线的强度都大于金线的强度。

而实验结果显示铜线的电阻率是 1.60 (μΩ/cm)，电导率是0.42 (μΩ/cm)-1. 这些结果说明铜线比金线导电性强33%。

铜线形成高稳定线型的能力强过金线，特别是在模压注塑的过程中，当引线受到注塑料的外力作用时，铜线的稳定性强过金线。

原因是因为铜材料的机械性能优于金材料的机械性能。

另一方面，由于铜线自身的高金属活性，铜线在高压烧球时极易氧化。

氧化物的存在对于键合的结合强度是致命的。

氧化铜阻碍铜与铝电极之间形成共金化
合物（IMC, intermetallic compound）。

其导致的直接后果是铜线无法与芯片电极正常键合，出现键合或拉力测试焊球脱落，推力测试强度不足。

3、氧化防止装置
与金线焊接相同，铜线焊接过程的第一步骤也是烧结焊球，也就是我们通常所说的自由空气球（FAB，free air ball）。

打火杆和焊线之间的电子放电，高温熔化焊线尾端，表面张力将熔化的尾端拉成一个圆形焊球，然后迅速固化形成FAB。

如图2所示。

除了需设定适当的放电电流和放电时间外，铜线烧球还特别需要相对无氧的环境以防止高温下氧化。

铜的氧化有两种情况，一种是在室温下由于其外表面长期与空气接触而产生的氧化现象，其成分为Cu2O，反应式为：4Cu+O2à 2Cu2O；另一种是在焊接加工过程中高温作用下铜与氧气发生的反应，其成分为CuO，反应式为：2Cu+O2à 2CuO。

铜线在焊接过程中存在这2种氧化物，影响了铜线的焊接性能。

因此，在焊接过程中必需采取措施进行处理和保护。

为了提高铜线的焊接性能，焊接过程中采用了增加还原和保护气体的方法：在焊接过程中，加入保护性气体放置氧气与铜发生反应，同时还加入适量的氢气作为还原气体以去掉铜表面的Cu2O，其反应式为：Cu2O+H2à2Cu+H2O。

保护性气体采用95％N2+5%H2作为还原气体，加在易出现氧化的EFO烧球点与工作台的芯片加热区域。

为此，各设备供应商纷纷推出各种可提供无氧环境的附属装置。

如图3所示。

库利索法（K&S, Kulicke & Soffa）公司是目前业界最为主要的也是应用面最广的铜线焊接设备供应商。

2009～2010年其提供的焊接设备独占全球市场50％左右。

库利索法在2009完成研发并在2010年正式向市场推广了新一代球焊焊线机IConn。

其解决方案具体由两部分组成：第一部分为使用中空的陶瓷管创造出相对隔绝的环境，打火杆也隐藏在其中。

管内持续吹出惰性气体，铜线在相对无氧环境下完成烧球，称为微环境（ME，micro environment）系统。

与同时的竞争者相比，其密闭性，气体均匀性和气体耗用量表现都很突出。

第二部分为陶瓷管右侧的金属管，用来将保护气体吹向焊接区域，减少焊接过程中的氧化。

如图4所示。

2011年初，库利索法面向铜线焊接应用正式推出了焊线机IConn ProCu，这是以一款IConn为硬件基础，高度集成多项针对铜线焊接的功能的加强版本产品。

相对于原版IConn机型，ProCu针对铜线焊接作出了重大变革：全新的烧球防氧化装置；全新的一焊点焊接参数系统（旧系统仍有保留）。

烧球防氧化方面，ProCu使用了特别设计的组合式保护外壳取代陶瓷管，多方向吹气取代了原版IConn的单一吹气方向，使气体均匀度大幅优化，并可以降低气体耗用量30～50％。

一体式设计也减少组装和定位的偏差。

库利索法对此设计已拥有专利。

并且此组合式保护外壳还集成了向焊接区域吹气的功能，无需额外搭配侧边吹气管。

如图5、6所示。

4、保护性气体流量研究
惰性气体的流量是优化的关键部分。

流量的大小主要视铜球的氧化颜色与铜球的焊接形状而定。

气流量太小时，无法完全排出氧气从而造成FAB氧化；气流量太大时，气体出现乱流从而造成FAB尺寸大小和形状不稳定，并且加大了气体供应成本。

以下实验皆采用库利索法的IConn焊线机配合其ME烧球保护配件。

使用软件可以模拟不同流量下氧含量分布情况供设计者和使用者参考。

如图7所示，蓝色区域代表氧含量最低，红色区域代表氧含量最高，即正常空气环境，依此类推不同颜色区域代表不同程度的氧含量。

从防止氧化发生的角度出发，应尽量保证低氧区域最大化。

经模拟和观察，需0.2LPM以上的流量。

使用不同直径的铜线（0.7mil，1.2mil），搭配不同的烧球参数（EFO Gap 30mil，50mil）来实验不同气体流量对FAB的影响。

结果无论铜线直径或烧球参数，低气体流量时发生FAB氧化，这是因为气体不足，无法建立足够稳定的低氧含量区域以保证烧球环境；高气体流量时发生FAB尺寸和形状不稳定，这是因为过多的保护气体在驱逐氧气的同时也将烧球的热量带走，甚至出现气流紊乱，影响FAB熔融再结晶的稳定性。

图8展示了扫描电子显微镜（SEM，scanning electron microscope）下观察到的FAB形状。

良好的FAB为正圆球形（Sphere），不佳的FAB形状顶部突出（Strawberry）或存在凹陷（Hollow）。

经实验，适宜的气体流量范围为0.3～0.8LPM。

如图9所示。

5、结论
本文对半导体封装铜线键合技术中的烧球氧化防止进行简介和论证。

讲述了铜线键合的优势和随之带来的新失效模式烧球氧化。

通过对比各种不同结构的附属装置，和对保护气体流量的实验，得到了气体流量与烧球FAB形状的关系。

控制气体流量在0.3～0.8LPM以内，可以得到良好的FAB形状，保证键合品质。

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