铜线互联

• • 半导体封装技术相关国际学会“2015 Electronic Components and Technology Conference（ECTC）”（2015年5月26～29日，美国圣地亚哥）于美国时间 2015年5月26日开幕。 全球最大的硅代工企业——台湾台积电（TSMC）在上届的“ECTC 2014” 上只做了一场演讲，而本届做了四场演讲。其中两场是关于三维积层的，其余 两场是关于晶圆级CSP（wafer-level chip scale package：WLCSP）的。题 为“A flexible interconnect technology demonstrated on a Wafer-level Chip Scale Package”的演讲（演讲序号20-2），是关于旨在提高200mm2大面积 芯片的WLCSP封装可靠性的内容。台积电不仅从事半导体前工序，还在向晶 圆级封装领域扩大业务，其技术水平备受关注。 不用底部填充树脂也可以确 保封装可靠性 一般而言，WLCSP的芯片面积越大，封装基板与硅之间的热膨胀差所导 致的应力就越大。因此，基板与WLCSP的接合处——焊球上会产生裂缝，导 致封装可靠性降低。为改善这一点，原来采取的方法是在基板封装后在基板与 芯片之间注入底部填充树脂来加固的。
•
Байду номын сангаас
•
参考文献
• IC 封装材料市场分析[J]. 电子与封装 • M. Sheaffer, R. Chylak, J. peters. Using copper materials in semiconductor packaging.www.kns.com/news.html. • 集成电路铜连线技术[J ].物理 • 新的铜球焊线的研究[J].电子工艺技术 • S. Murali, N. Srikanth, C.J. Vath. III. Study on thermosonic ball bonding of copper andgold wires. Proceedings of SEMICON Conference • 键合 Cu线无卤直接镀 Pd工艺及性能研究
由于电镀流水线较长，成品细铜线无法直接电镀，只有在较粗线 径 0.2mm左右电镀，然后进行后道处理并拉制，工艺较为复杂， 且存在严重污染
无卤直接镀钯工艺流程简单，消除了电镀对环境的污染，避免了预处理、 表面清洗、中间热处理等工艺过程，减少了对线材表面的损伤
台积电就WLCSP发表演讲， 封装技术水平提高
铜线成本与金线成本对比
表中可以看到，在3mil键合丝比较中，金丝成本是铜丝成本的100倍以上
键合铜丝的电学性能和力学性能
熔点
熔化热 热膨胀系数 热导率 比热 电阻率 张力强度
这些结果说明铜线比金线强度高 80%以上，导电性强 33%， 导热性高 25%。铜材料的机械性能优于金材料的机械性能 使得铜线形成高稳定线型的能力强过金线，特别是在塑封 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，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。铜丝的导热、导电性能显著 优于金丝和铝-1%硅丝，因此能够以更细的焊线直径达到 更好的散热性能及更高的额定功率。
•
•
•
•
•
• •
与之不同的是，此次的目标是，即便是大芯片也不用注入底部填充树脂便可 以确保封装可靠性。在硅芯片上呈阵列状排列焊盘（Pad)，以铜线键合形成N 字形引线端子。将线头作为连接端子，在以锡膏印刷方式预涂了焊盘(land)的 印刷基板上作倒装芯片接合。 台积电对这种样品实施了跌落试验和温度循环试验，评估了封装可靠性。 结果表明，两项试验可靠性都得到改善，据称由此得出即使大面积芯片，也可 以不用底部填充树脂就能实现出色的封装可靠性。 验证使用的样品是在200mm2的正方形硅芯片上，呈阵列状排列了1000多 个400μm间隔的圆形焊盘，并作铜线键合的。在N字形引线形成技术上，引线 键合厂商日本KAIJO公司予以了帮助。 评估铜线粗细和有无涂层的影响 台积电分别评估了直径30μm和38μm两种水平铜线键合的样品。在跌落试 验中，直径30μm的样品在跌落30次时出现缺陷，而直径38μm的样品的寿命是 30μm的大约2倍。而在温度循环试验中，原来利用焊球封装的样品在300个周 期后出现缺陷，而采用N字形铜线键合的样品寿命达到2000多次。直径30μm 铜线的寿命比38μm铜线的寿命长2.7倍。
铜线互联
13121753 赵浩
目录
键合铜线的优势
缺陷
最新发展
• 如图 1.1 所示，键合线起联结硅片电极与引线框架的外部引出端子的 作用，并传递芯片的电信号、散发芯片内产生的热量，是集成电路封 装的关键材料。
铜线与其它金属综合性能的比较
铜丝用于键合丝的优势
材料成本低
1Mil=0.0254mm
金属间化合物(Intermetallic)生长速度慢
在同等条件下，Cu/Al 界面的金属间化合物生长速度比 Au/Al 界面的慢 10 倍。因此，铜丝球焊焊点的可靠性要高于金丝球 焊焊点。
Cu-Al金属间化合物缓慢增长
• 高纯单晶铜被作为最初的键合铜线应用于微电子连接中， 但是随着键合铜线应用的广泛和在复杂电路中应用，以高 纯单晶铜为原料的键合铜丝在应用过程中暴露出一些弊端， 最为明显的问题就是其本身容易腐蚀，在室温下就可以与 氧气发生反应，高温时氧化速率会明显增大。 • 铜的氧化对键合铜线(直径 0.015-0.075mm)的电学性能、 力学性能和键合性能等产生严重的影响，造成键合过程中 出现 NSOP(No Stitch on Pad)(焊点不粘)现象及键合后的 拉力和球推力不能达到要求，造成器件早期失效，降低其 使用性能及器件的可靠性。
键合铜丝第一焊点变形机理及其硬度过高造成的基板损伤
对于高纯铜键合丝来说，第二焊点的不稳定造成焊接过程中 short tail（尾丝短）问题的出现频率较高，如图所示，严重增加了MTBA （维修间隔平均时间），降低了 UPH（每小时件数），对于焊线数 目较多的产品，该影响更为严重，部分产品只有键合金丝的 60%
键合铜丝第二焊点颈部氧化现象
目前，键合铜线多采用高纯铜为原料，其应用过程中存在诸多问题。首先，铜键合线 硬度较高，尤其是第一焊点焊接过程中，如图所示，由于铜的加工硬化速率高于金， 在第一焊点焊接后，铜线硬度增加 40%以上，这样就增加了基板损伤的几率。
Hv 显微硬度
键合金丝与高纯键合铜丝硬度对比
•
就这个实验结果，台积电解释说，跌落试验中粗铜线的机械强度大，不容 易断，而温度循环试验中细铜线容易变形，不会发生应力集中。如图2所示， 铜线的裂缝是因为应力集中于焊接处造成的。 另外，台积电介绍，在评估裸铜线和镀钯铜线2种铜线的温度循环可靠性 时发现：镀钯铜线的温度循环可靠性更好一些。两者的应力应变曲线不同，镀 钯铜线能够承受较大应力，因此可靠性良好。 有听众尖锐地指出，通过N字形引线键合（过去曾称S字形引线键合或 cobra conduct等）来提高封装可靠性的手段15年前就已提出，并反复评估过， 台积电此次的发布的创新性在哪里？过去所做的评估样品是以Au线键合后再 镀Ni的样品为主，而此次用铜线来做封装可靠性评估，其材料的不同可以说是 创新吧。其评估和分析都符合逻辑，可见台积电封装技术水平的提高。
Short tail 形成原理
高纯键合铜丝应用过程出现的问题
高纯键合铜丝与键合金丝 UPH 对比
键合铜线以其低的成本因素、优良的电学性能和力学性能，在微电 子封装逐步替代金线应用于中低端半导体器件中，但实际应用中， 由于铜线本身容易腐蚀( 氧化) 、Cu/Al金属间化合物在高温高湿环 境下容易失效等原因，在大规模集成电路及 LED封装中的应用受到 了限制; 镀钯铜线在铜线表面形成一层纯钯，能够有效提高铜线的 耐腐蚀性能及高温高湿环境下器件的可靠性;目前镀钯键合铜线采用 电镀工艺在较粗 (直径>0.15mm) 线材上电镀较厚的金属钯，然后 采用拉制工艺制备出所需规格镀钯键合铜线，而该工艺存在对环境 污染严重、进一步拉制过程中钯层脱落、钯层厚度不均匀等问题， 此外，拉制过程由于铜和钯的塑性形变性能不同，很难拉制微细 ( 直径<0.016mm) 镀钯键合铜线;键合铜线无卤直接镀钯工艺采用在 成品键合铜线直接涂镀纳米钯有机溶液，通过热处理工艺将纳米钯 沉积在线材表面，避免了电镀工艺对环境的污染、拉制过程中断线 及钯层脱落等问题;