铜丝在引线键合技术的发展及其合金的应用

铜丝在引线键合技术的发展及其合金的应用

一、简介

目前超过90%的集成电路的封装是采用引线键合技术,引线键合,又称线焊。即用金属细丝将裸芯片电极焊区与电子封装外壳的输入，输出引线或基板上的金属布线焊区连接起来。连接过程一般通过加热、加压、超声等能量，借助键合工具“劈刀”实现。按外加能量形式的不同，引线键合可分为热压键合、超声键合和热超声键合。按劈刀的不同，可分为楔形键合和球形键合。

引线键合工艺中所用导电丝主要有金丝、铜丝和铝丝，由于金丝价格昂贵、成本高，并且Au/Al金属学系统易产生有害的金属间化合物，使键合处产生空腔，电阻急剧增大，导电性破坏甚至产生裂缝，严重影响接头性能。因此人们一直尝试使用其它金属替代金，由于铜丝价格便宜、成本低、具有较高的导电导热性，并且Cu/Al金属间化合物生长速于Au/Al，不易形成有害的金属间化合物。近年来，铜丝引线键合日益引起人们的兴趣。

二、铜丝键合的工艺

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。

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，常造成焊球变形或氧化。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，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，铜线很快被氧化，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。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。MRP工艺可以提高铜焊点的拉伸强度，一般对于10um直径的Cu来说，采用MRP的焊接强度可达5-6g，若不采用MRP，焊接强度仅有1-2g。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。

2. 金丝与晶片铜金属化层的键合工艺

焊区间距降低到55um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工序中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铝金属化焊盘上的质量一样。但是金、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。

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。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。楔焊接的一个主要缺点是其焊接速度低于球焊接。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5根丝的生产速率，而且焊丝间距为50um。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20um。（2）金丝直径小于17um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

三、铜丝键合的优缺点

铜丝键合的优点，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。而铜丝球焊的金属间渗透明显低于金丝球焊。这就意味着铜、铝界面比金、铝界面的电阻率更低、热量更小、封装寿命长即可靠性更高，更能满足焊接强度的要求。对于金7 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。

然而，铜丝键合也存在一些金丝键合所不易出现的缺陷，主要有基板裂纹、硅坑、接头强度低和虚焊等。这些缺陷严重影响了铜丝键合的大规模应用。

四、铜合金的应用

铜及铜合金是人类应用最早的金属，也是应用最广泛的金属材料之一。铜的导电率和导热率仅次于银，工艺性能优良，价格远比铁镍42合金便宜，作为引线框架用材料的关键是强度问题，纯铜的强度只有铁镍42合金的1／2。但是，铜具有另一个极为优势的性能，这就是很容易与其它元素形成合金，通过合金化完全可将其强度提高到相当于铁镍42合金的水平，同时其导电率可以提高15~20倍，铜合金现成为主导的引线框架材料。

引线框架用铜合金大致分为铜-铁系、铜-镍-硅系、铜-铬系、铜-镍-锡系(JK-2合金)等，三元、四元等多元系铜合金能够取得比传统二元合金更优的性能，更低的成本，铜-铁系合金的牌号最多，具有较好的机械强度，抗应力松弛特性和低蠕变性，是一类很好的引线框架材料。由于引线框架制作及封装应用的需要，除高强度、高导热性能外，对材料还要求有良好的钎焊性能、工艺性能、蚀刻性能、氧化膜粘接性能等。

铜合金引线框架充分发挥了以铜为基体的高导电、导热特性和复合材料的高强度、高硬度、低热膨胀系数的特性，因而具有良好的综合性能。采用新的工艺技术和新的材料体系，研发铜合金引线框架及IC封装材料已显示出良好的发展前景，将成为一个极具吸引力的市场

参考文献：

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[2].田春霞. 电子封装用导电丝材料及发展. 稀有金属，2003年11月，第27卷第6期.

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[4]Salim L. Khoury, David J Burkhard, David P Galloway, Tomas A Scharr. A Comparison of