GOCU铜线键合工艺
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Cu enriched Pd enriched Copper Ball Cu-Pd固态 融合物 Cu-Al-Pd 复合物
CuPd
Cu-Al IMC Al Pad
在PCT或uHAST测试中
Cu-Pd固态融合物和Cu-Al-Pd复合物即使在低温下也可以生成
钯将会限制铜与铝之间的相互渗透
Cu9Al4IMC较难形成, 这种物质对腐蚀断裂比较敏感 Cu-Al IMC对腐蚀断裂的阻抗力较高 可靠性将改善尤其是 automotive 的 biased HAST 测试
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011 page 18
小结:应用范围与考虑
纯铜线
对于敏感的Die,在T0 时刻比较容易优化参数 比较少的铝挤出和铝层拉起 第二焊点参数优化比较麻烦 优点是价格低 镀钯铜线 快速和轻易转换为铜封装, UPH减少不大 低EFO电流
低EFO电流下的焊球
焊球厚度 EFO电流 平均值 标准方差 最大值 最小值 高 11.88 0.55 13.3 11 低 12.59 0.95 14 10.9
焊球大小 高 48.04 0.69 49.4 47.1 低 48.49 0.72 50 47.2 高
铝挤出 低 6.01 0.95 8.8 4.3
焊球大小均值 = 35.3um
Bare Cu
s)
高EFO电流 (48mA /290
焊球大小均值 = 35um
s)
铝层残留厚度: ~0.64m 铝层原始厚度: ~1.1m
铝层残留厚度: ~0.70m 铝层原始厚度: ~1.1m
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011
CuPd
BP=45
Peeling
Peeling
最优Base Power窗口表明: 在高EFO电流条件下, 用较小的功率就可以达
到同样的焊球推力强度 这样可以明显地减少焊盘金属层被破坏的几率
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011 page 17
钯的分布对腐蚀断裂的影响
钯分布较好, biased HAST通过机会更高 较小的参数窗口与FAB的大小不那么一致
高EFO电流
较大的参数窗口 焊球较容易成形,更多适用于敏感的薄铝层Die
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011 page 19
铜线第一焊点工艺
金线和铜线第一焊点的主要区别
ASM Proprietary Information
Low EFO
High EFO
高的EFO电流形成比较硬的FAB球, 但是焊球更容易成形, 加工硬度也较少
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011 page 11
EFO电流对镀钯铜线FAB球和焊球硬度的影响
低EFO电流
page 15
EFO电流对焊球推力, IMC, 颈部拉力的影响
焊球推力强度 (g/mil2)
高EFO电流 7.29 低EFO电流 6.93
Bare Cu
颈部拉力(g)
高EFO电流 8.53 低EFO电流 7.97
高EFO电流
低EFO电流
焊球推力和颈部拉力在高EFO电流条件下会更好一些 IMC就没有明显区别
设计性能得到CAE仿真和实际气流分布实验的验证
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011
page 4
混合气和氮气对纯铜FAB球的影响
纯铜线
Bare Cu
混合气(N2H2)
氮气 同心球
H
偏心球
电弧收缩效应 (thermal pinch effect)
电弧发散效应
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011
混合气和氮气对铝挤出大小的影响
在同样大小的FAB条件和参数下 在氮气保护下的焊球大小和厚
度比混合气保护下的要小大约 1μm FAB被挤进瓷嘴的CD里 比较大的铝挤出 焊球变形
CuPd
焊球大小
N2
N2
N2H2
H2N2
N2
铝挤出
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011
平整而且充足的铝残留
不可靠的焊接工艺
Ball 2 Cu Al ~ 1.6µm 铝残留几乎为0
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011
page 22
简单的第一焊点检测分析
对第一焊点品质的简便分析方法
焊球推力及推力强度 金属间化合物覆盖率 (IMC)
在 T0, 金铜间化合物几乎为零 铜球腐蚀后的铝垫
揭开铜线键合工艺的面纱 ASM铜线键合工艺
宋景耀博士
揭开铜线键合工艺的面纱
FAB 形成分析
混合气和氮气的影响 EFO电流的影响 纯铜线和镀钯铜线的区别 FAB硬度和焊球变形率对焊接的影响
第一焊点工艺
对焊球形成方法进行分析, 来减少或消除焊盘被打裂的机会 ASM对复杂的芯片结构和薄铝层焊盘的处理能力
ball lift ball lift
peeling peeling peeling
page 9
EFO电流对FAB球的一致性的影响 对氮气和混合气条件下形成的FAB 球
CuPd
低的打火电流会造成FAB大小有较大的变化 在混合气条件下的FAB球的一致性好过在氮气条件下的FAB球
Poor consistency
52um 的焊球使用初始 压力和接触压力成形
ASM Proprietary Information
Zygo profile Zygo profile
焊球深度 / 铝层原 始厚度 = 0.22um / 0.75um. 铝层残留 = 70%
球的大小一致性 同心球
铜球
球的大小一致性 同心球 没有被氧化 没有孔隙
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011 page 3
FAB形成环境
主要避免氧化球的形式
氧化球的焊接性能低和硬 较硬的球容易造成铝层拉起和更大的铝挤出 ASM研发出可靠的防氧化装置设计
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BP:54 BP:56 BP:57 BP:58 BP:59 BP:60 BP:65 BP:70 BP:72 ball lift 57~72 54~72 54~72 ball lift 57~70 59~70 60~70
BP:73 peeling peeling peeling
N2 N2H2
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page 10
EFO电流对纯铜线FAB球和焊球硬度的影响
低EFO电流
40 m
Bare Cu
高EFO电流
40 m
Vickers Hardness
Low EFO
High EFO
ASM Proprietary Information
混合气和氮气对晶粒大小的影响
N2 gas 95%N2+ 5%H2gas
Bare Cu
Voids 90%N2+ 10%H2gas
氮气环境下形成的FAB,柱
状晶粒比较短, 数量较多 混合气环境下形成的FAB, 柱状晶粒长但数量较少
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焊球深度 / 铝层原 始厚度 = 0.38um / 0.75um. 铝层残留 = 50%
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page 26
焊球使用Initial Force + Contact Force成形
Initial + Contact Force 成形
ASM Proprietary Information
40 m
CuPd
高EFO电流
40 m
ASM Proprietary Information
ASM Proprietary Information
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011
page 12
EFO电流对纯铜线焊球大小, 球形,铝挤出的影响
高EFO电流下的焊球
Bare Cu
第二焊点工艺
纯铜线和和镀钯铜线对第二焊点的影响 在QFN PPF和ENEPIG基板材料上的铜线焊接能力
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011 page 2
FAB:金和铜的主要不同
同样大小的FAB, 铜需要比金更高的能量 铜球对质量要求更加严格
质量要求 金球
质量要求
金线
好的焊接性能 均匀的IMC 好的焊接性能 均匀的IMC
铜线
平整及充足的铝残留厚度 最小的铝挤出 对焊盘底下的结构要施加尽量小的应力 标准焊接概念 需要专门知识, 可能需要多段式焊接
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第一焊点优化标准
基本标准
6.52 1.10 8.2 4.3
对于纯铜线焊球的大小,球形,铝挤出来说, EFO电流高低没有 明显的区别
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011 page 13
EFO电流对焊球底部平整性的影响
Bare Cu
高EFO电流, 焊球深度/铝层残留层厚度=0.59 um/0.6 um
摄氏200度烘烤后,可以在焊盘上发现CuAl2和 Cu9Al4
标准焊接概念，焊球大小 42um, 推力 14.1g
摩擦焊接概念, 焊球大小 42um, 推力 16g
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page 24
焊球底部平整性和铝挤出的关系
在高速搜索条件下, 可以得到平整的铝残留和小的铝挤出
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011
page 25
焊球使用Contact Force成形
Contact Force 成形 ASM
Proprietary Information
52um 的焊球使用 接触压力成形
ASM Proprietary Information
Zygo profile
低EFO电流, 焊球深度/铝层残留层厚度=0.59 um/0.6 um
高电流和低电流对焊球的平整度没有明显的区别
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011 page 14
EFO电流对铝残留厚度的影响
EFO 电流对铝层残留没有明显的区别
低EFO电流 (36mA /420
page 5
混合气和氮气对镀钯铜线FAB球的影响
镀钯铜线
CuPd
混合气(N2H2)
氮气 同心球
Biblioteka Baidu
H
同心球
电弧收缩效应 (thermal pinch effect)
电弧发散效应 由于钯的熔点比铜高很多, 线将会从 中心开始熔化
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焊球厚度
page 8
混合气和氮气对参数窗口大小的影响
CuPd
工艺参数窗口
低EFO打火电流带来小的参数窗口 氮气条件下的窗口小过混合气条件下的窗口
超声功率
Gas type EFO current BP:53 45mA N2H2 gas 70mA 95mA 45mA N2 gas 70mA 95mA ball lift ball lift
铝垫下面金属层的断裂 （用王水）
化学腐蚀 30-60sec 烘烤30 min@ 200℃
滴管
清洗
硝酸 (65%-69%) 去离子水 样品
样品 在焊盘上滴硝酸 (HNO3)
吹干
气 枪
样品
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丙酮 (Acetone)
page 23
EDX 和高倍显微镜下元素分析照片
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EFO电流对Base Power 窗口大小的影响
Ball Shear Max Min High EFO Range Current CuPd Average Stdev Max Min Low EFO Range Current CuPd Average Stdev BP=15 BP=20 7.73 6.11 Ball lift 1.61 7.00 0.37 7.61 6.08 Ball lift 1.53 7.00 0.31 OK OK BP=25 BP=30 BP=35 8.96 6.50 2.46 7.60 0.58 8.22 6.68 1.55 7.47 0.36 BP=40
CuPd
Cu-Al IMC Al Pad
在PCT或uHAST测试中
Cu-Pd固态融合物和Cu-Al-Pd复合物即使在低温下也可以生成
钯将会限制铜与铝之间的相互渗透
Cu9Al4IMC较难形成, 这种物质对腐蚀断裂比较敏感 Cu-Al IMC对腐蚀断裂的阻抗力较高 可靠性将改善尤其是 automotive 的 biased HAST 测试
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011 page 18
小结:应用范围与考虑
纯铜线
对于敏感的Die,在T0 时刻比较容易优化参数 比较少的铝挤出和铝层拉起 第二焊点参数优化比较麻烦 优点是价格低 镀钯铜线 快速和轻易转换为铜封装, UPH减少不大 低EFO电流
低EFO电流下的焊球
焊球厚度 EFO电流 平均值 标准方差 最大值 最小值 高 11.88 0.55 13.3 11 低 12.59 0.95 14 10.9
焊球大小 高 48.04 0.69 49.4 47.1 低 48.49 0.72 50 47.2 高
铝挤出 低 6.01 0.95 8.8 4.3
焊球大小均值 = 35.3um
Bare Cu
s)
高EFO电流 (48mA /290
焊球大小均值 = 35um
s)
铝层残留厚度: ~0.64m 铝层原始厚度: ~1.1m
铝层残留厚度: ~0.70m 铝层原始厚度: ~1.1m
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CuPd
BP=45
Peeling
Peeling
最优Base Power窗口表明: 在高EFO电流条件下, 用较小的功率就可以达
到同样的焊球推力强度 这样可以明显地减少焊盘金属层被破坏的几率
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011 page 17
钯的分布对腐蚀断裂的影响
钯分布较好, biased HAST通过机会更高 较小的参数窗口与FAB的大小不那么一致
高EFO电流
较大的参数窗口 焊球较容易成形,更多适用于敏感的薄铝层Die
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011 page 19
铜线第一焊点工艺
金线和铜线第一焊点的主要区别
ASM Proprietary Information
Low EFO
High EFO
高的EFO电流形成比较硬的FAB球, 但是焊球更容易成形, 加工硬度也较少
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011 page 11
EFO电流对镀钯铜线FAB球和焊球硬度的影响
低EFO电流
page 15
EFO电流对焊球推力, IMC, 颈部拉力的影响
焊球推力强度 (g/mil2)
高EFO电流 7.29 低EFO电流 6.93
Bare Cu
颈部拉力(g)
高EFO电流 8.53 低EFO电流 7.97
高EFO电流
低EFO电流
焊球推力和颈部拉力在高EFO电流条件下会更好一些 IMC就没有明显区别
设计性能得到CAE仿真和实际气流分布实验的验证
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011
page 4
混合气和氮气对纯铜FAB球的影响
纯铜线
Bare Cu
混合气(N2H2)
氮气 同心球
H
偏心球
电弧收缩效应 (thermal pinch effect)
电弧发散效应
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011
混合气和氮气对铝挤出大小的影响
在同样大小的FAB条件和参数下 在氮气保护下的焊球大小和厚
度比混合气保护下的要小大约 1μm FAB被挤进瓷嘴的CD里 比较大的铝挤出 焊球变形
CuPd
焊球大小
N2
N2
N2H2
H2N2
N2
铝挤出
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011
平整而且充足的铝残留
不可靠的焊接工艺
Ball 2 Cu Al ~ 1.6µm 铝残留几乎为0
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011
page 22
简单的第一焊点检测分析
对第一焊点品质的简便分析方法
焊球推力及推力强度 金属间化合物覆盖率 (IMC)
在 T0, 金铜间化合物几乎为零 铜球腐蚀后的铝垫
揭开铜线键合工艺的面纱 ASM铜线键合工艺
宋景耀博士
揭开铜线键合工艺的面纱
FAB 形成分析
混合气和氮气的影响 EFO电流的影响 纯铜线和镀钯铜线的区别 FAB硬度和焊球变形率对焊接的影响
第一焊点工艺
对焊球形成方法进行分析, 来减少或消除焊盘被打裂的机会 ASM对复杂的芯片结构和薄铝层焊盘的处理能力
ball lift ball lift
peeling peeling peeling
page 9
EFO电流对FAB球的一致性的影响 对氮气和混合气条件下形成的FAB 球
CuPd
低的打火电流会造成FAB大小有较大的变化 在混合气条件下的FAB球的一致性好过在氮气条件下的FAB球
Poor consistency
52um 的焊球使用初始 压力和接触压力成形
ASM Proprietary Information
Zygo profile Zygo profile
焊球深度 / 铝层原 始厚度 = 0.22um / 0.75um. 铝层残留 = 70%
球的大小一致性 同心球
铜球
球的大小一致性 同心球 没有被氧化 没有孔隙
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011 page 3
FAB形成环境
主要避免氧化球的形式
氧化球的焊接性能低和硬 较硬的球容易造成铝层拉起和更大的铝挤出 ASM研发出可靠的防氧化装置设计
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011
BP:54 BP:56 BP:57 BP:58 BP:59 BP:60 BP:65 BP:70 BP:72 ball lift 57~72 54~72 54~72 ball lift 57~70 59~70 60~70
BP:73 peeling peeling peeling
N2 N2H2
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page 10
EFO电流对纯铜线FAB球和焊球硬度的影响
低EFO电流
40 m
Bare Cu
高EFO电流
40 m
Vickers Hardness
Low EFO
High EFO
ASM Proprietary Information
混合气和氮气对晶粒大小的影响
N2 gas 95%N2+ 5%H2gas
Bare Cu
Voids 90%N2+ 10%H2gas
氮气环境下形成的FAB,柱
状晶粒比较短, 数量较多 混合气环境下形成的FAB, 柱状晶粒长但数量较少
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焊球深度 / 铝层原 始厚度 = 0.38um / 0.75um. 铝层残留 = 50%
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page 26
焊球使用Initial Force + Contact Force成形
Initial + Contact Force 成形
ASM Proprietary Information
40 m
CuPd
高EFO电流
40 m
ASM Proprietary Information
ASM Proprietary Information
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page 12
EFO电流对纯铜线焊球大小, 球形,铝挤出的影响
高EFO电流下的焊球
Bare Cu
第二焊点工艺
纯铜线和和镀钯铜线对第二焊点的影响 在QFN PPF和ENEPIG基板材料上的铜线焊接能力
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011 page 2
FAB:金和铜的主要不同
同样大小的FAB, 铜需要比金更高的能量 铜球对质量要求更加严格
质量要求 金球
质量要求
金线
好的焊接性能 均匀的IMC 好的焊接性能 均匀的IMC
铜线
平整及充足的铝残留厚度 最小的铝挤出 对焊盘底下的结构要施加尽量小的应力 标准焊接概念 需要专门知识, 可能需要多段式焊接
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011 page 21
第一焊点优化标准
基本标准
6.52 1.10 8.2 4.3
对于纯铜线焊球的大小,球形,铝挤出来说, EFO电流高低没有 明显的区别
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011 page 13
EFO电流对焊球底部平整性的影响
Bare Cu
高EFO电流, 焊球深度/铝层残留层厚度=0.59 um/0.6 um
摄氏200度烘烤后,可以在焊盘上发现CuAl2和 Cu9Al4
标准焊接概念，焊球大小 42um, 推力 14.1g
摩擦焊接概念, 焊球大小 42um, 推力 16g
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page 24
焊球底部平整性和铝挤出的关系
在高速搜索条件下, 可以得到平整的铝残留和小的铝挤出
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page 25
焊球使用Contact Force成形
Contact Force 成形 ASM
Proprietary Information
52um 的焊球使用 接触压力成形
ASM Proprietary Information
Zygo profile
低EFO电流, 焊球深度/铝层残留层厚度=0.59 um/0.6 um
高电流和低电流对焊球的平整度没有明显的区别
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EFO电流对铝残留厚度的影响
EFO 电流对铝层残留没有明显的区别
低EFO电流 (36mA /420
page 5
混合气和氮气对镀钯铜线FAB球的影响
镀钯铜线
CuPd
混合气(N2H2)
氮气 同心球
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H
同心球
电弧收缩效应 (thermal pinch effect)
电弧发散效应 由于钯的熔点比铜高很多, 线将会从 中心开始熔化
ASM Pacific Technology Ltd. © 2011 page 6
焊球厚度
page 8
混合气和氮气对参数窗口大小的影响
CuPd
工艺参数窗口
低EFO打火电流带来小的参数窗口 氮气条件下的窗口小过混合气条件下的窗口
超声功率
Gas type EFO current BP:53 45mA N2H2 gas 70mA 95mA 45mA N2 gas 70mA 95mA ball lift ball lift
铝垫下面金属层的断裂 （用王水）
化学腐蚀 30-60sec 烘烤30 min@ 200℃
滴管
清洗
硝酸 (65%-69%) 去离子水 样品
样品 在焊盘上滴硝酸 (HNO3)
吹干
气 枪
样品
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丙酮 (Acetone)
page 23
EDX 和高倍显微镜下元素分析照片
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EFO电流对Base Power 窗口大小的影响
Ball Shear Max Min High EFO Range Current CuPd Average Stdev Max Min Low EFO Range Current CuPd Average Stdev BP=15 BP=20 7.73 6.11 Ball lift 1.61 7.00 0.37 7.61 6.08 Ball lift 1.53 7.00 0.31 OK OK BP=25 BP=30 BP=35 8.96 6.50 2.46 7.60 0.58 8.22 6.68 1.55 7.47 0.36 BP=40