规模生产中的铜引线键合

规模生产中的铜引线键合

2012-4-10 作者：Bernd K Appelt、Andy Tseng，ASE Group USA；Yi-Shao Lai、Chun-Hsiung Chen，ASE Group, Taiwan 来源: 半导体制造我要评论(0)

核心提示：引线键合实施至今已有40余年了，至今仍然是芯片与衬底互连的主流技术，所占市场份额约90%。细节距或细直径Cu引线键合已被成功地引入规模生产制造中。质量与良率的水平已与Au引线键合相当，可靠性超出标准JEDEC测试的2倍。

引线键合实施至今已有40余年了，仍然是芯片与衬底互连的主流技术，所占份额约90%。尽管一些人预言引线键合将由于互连密度的限制而终止，但设备和引线制造商以及引线键合工程师用金(Au)线键合时，已能将他们的技术推进到键合焊盘节距<40μ、引线直径0.5mil。铜(Cu)线键合也有20年以上的历史，但高功率应用受到限制，线径>2mil。因此，与Cu线有关的许多技术挑战（如硬度、易氧化和腐蚀等）已充分了解和掌握。也已用Cu引线键合仔细地设计和制造了Cu键合芯片，即对芯片焊盘结构及金属厚度相应作了优化。

只要Au商品价格在数百美元范围内，细节距Cu线键合或细Cu线键合就不会被重视。可现在Au商品价格已超过1400美元，看起来一直停留在这种水平（图1），降低成本的持续推动正要求引线键合费用减低。预期的成本降低超出用减小Au线直径能达到水平，≤0.6mil.的最细直径除外。

随着晶圆技术节点的进展，上面提到的技术挑战越发加剧。低介电常数（低K&ELK）晶圆介质的发展导致了机械性脆的芯片。每一个新的晶圆技术节点都是基于较低的K介质，因而芯片也更脆。对于Au引线键合来说，这已是很困难了，从而开发了更为可靠的焊盘堆叠结构。另一个挑战来自有源芯片区域上的键合，它要求增强的焊盘结构。在晶圆中引入Cu金属使情况得到一些缓解，它比以前的铝（Al）芯片连线更可靠。

到目前为止，所有的芯片设计与制造均针对最终的Au线键合装配。除了少数几个产品采用如镍/金或镍/钯/金焊盘外，即使Cu晶圆也是用Al焊盘。本文将主要关注用Al焊盘的芯片或Al焊盘结构。不同焊盘结构的键合参数及可靠性差别很大。

文献综述尽管Cu线键合的工程可行性研究一直进行已有25年以上，但只是近年才引起很大的关注。

Cu线键合的关键工程与可靠性问题也早就有人指出。为了克服在电子灭火（EFO）工艺过程中Cu的氧化问题（它会产生外观不好的烧球（FAB）），建议并广泛采用95%N2和5%H2组成的混合气体。在EFO过程中，混合气体中的H2提供额外的热能熔化铜，可以将Cu氧化物转换回Cu。为解决Cu FAB的硬度增大问题，寻求高纯铜软铜线或掺杂质的软化Cu线。但是，铜线硬度可能与FAB再结晶硬度有关。主要因素实际上是在键合形成过程中发生的加工硬化。已经对测定这一现象作了初始研究。另一方面，Al焊盘能用Si和/或Cu掺杂，以抗御Cu线键合过程中的冲击和超声负载。

但是，与常规的Au线键合比较，Cu线键合最明显的特点是参差不齐的小覆盖面以及Cu-Al IMC生长慢。虽然认为Cu-Al IMC生长慢有利于增强Cu线键合的可靠性，尽管Cu-Al界面上IMC覆盖有限，键合时很强的可键合性仍引起了广泛的研究；从而提出了一些有关键合机理的假设。由于Cu很容易氧化，在不同温度和湿度条件下长时间Cu线键合就成为工业生产中的重要问题。但可靠性数据（特别是细节距Cu线键合的数据）非常有限且分散，使其仍然处于争议之中，例如，模塑化合物中的离子杂质是否会导致Cu线腐蚀。镀Pd的Cu线用来提高Cu线键合的长期可靠性及保存期限。

最近已有报导谈到更新的Cu线键合工具及其能力，反映了细节距Cu线键合爆发式的增长。紧跟Cu线的市场发展，在会议上发表的有关Cu线键合的论文也呈指数式增长。

制造工艺的进展讨论这个问题时，细直径Cu线是指直径小于1.2mil的铜线。事实上，本文谈到的大多数工作是基于直径0.8mil的铜线，是Heraeus的4N Cu线Maxsoft，或是Nippon Micrometal的1X镀钯

Cu线。引线键合机是KnS型Maxum Ultra和Maxum Plus以及最新的Iconn。所有的引线键合机都装备用于Cu或CuPd引线的惰性气体EFO成套设备。采用专有的毛细管设计，衬底与芯片是用户指定的，节点范围从180nm到40nm。

引线键合的第一步是形成烧球（FAB）。对于4N Cu引线，采用混合气体（95%氮气和5%氢气）作为保护，对于PdCu引线则采用氮气。调整FAB几何形状产生没有任何表面瑕疵的球形FAB。一般通过优化sparc 电流和持续时间以及气体流量实现。圆球形状是已形成“无氧化”球的良好标志。此第一步实际上是工艺中比较容易的工艺步之一。

第二步是在芯片焊盘上形成实际键合。调整键合参数的过程与用于Au引线的过程本质上是一样的。当然需要更多的调整，以确保没有因要达到牢固键合所要求的更严酷条件发生焊盘凹坑或芯片开裂。键合参数优化一般遵循如用于Au线的标准程序试验设计（DOE），尽管工艺窗口要比Au线小得多。边界条件是

Al挤出（它一般是十分明显的）必须包含在键合焊盘开窗尺寸（BPO）内，如图3所示。进而，残余Al厚度选定是最小100nm。另外还显示，这一厚度通常经受得住JEDEC TCT大于1000小时。

键合参数优化正确时，任何节点（直到并包括40/45nm）的芯片，均能成功地键合，没有凹坑或开裂。这里采用的一种优秀分析设备是聚焦离子束（FIB）显微镜，它能提供极好的物理结构和晶粒结构分辨率。FIB使用的时间和功能仅提供选择性分析，而不是生产线监控。图4是不同节点芯片截面图的例子。一般说来，有Al覆盖的Cu晶圆在键合中比纯Al晶圆更牢固。要特别小心，确保焊盘下的通孔结构不受键合过程中过大力量的破坏。

虽然精确的键合参数取决于特定的器件并认为是专用的，但键合属性是开放而可说明的。尽管AlCu金属间化合物非常薄，引线拉力强度和烧球剪切强度在零时间处比对应的Au引线要高得多。工艺优化的一部分是为了获得足够的IMC覆盖。在工艺开发过程中，在整个封装工艺过程中跟踪这一IMC生长，可靠性测试中也间或跟踪。一般说来，上述文献中的研究结果证实：初始的IMC极薄，很难检测，IMC生长非常慢，比Au要慢一个数量级以上。

尽管最严格的弧圈还没有用于生产中，连接键合成弧并没有什么困难。特别是用最新一代键合机及其提供的附加控制参数，对极低线弧高度和特定形状的挑战应是很小的。二次键合或连线键合至今还没有任何挑战。衬底制作也不需要做任何改变就能得到牢固的键合，引线拉力值反映了这一点。键合形状与Au相当。二次键合当然得益于惰性气体保护，即使温度在室温与衬底温度之间也可使引线氧化最少。在规模制造环境下，引线的贮存寿命/车间寿命不是问题，因为消耗率是其中的一部分。不过，用长贮存寿命的引线（例如PdCu引线）时，车间制造管理就比较简单。

键合工艺开发的最新进展能实现芯片间隙小于50μm的芯片堆叠，可与Au引线比较，芯片突出差不多1mm。图5a及5b示出了一个例子。也成功地实施了芯片对芯片键合的反向键合，如图5c所示。最后，封装通过模塑工艺包封。模塑工艺及注胶前等离子清洗不需要做任何改变，与通常的等离子优化一样。要注意的是有关标准模塑化合物的可靠性，正如Cu的氧化和腐蚀倾向那样。腐蚀对Au来说也是常见的现象，其机理对二种金属来说本质上是相同的。因此进行了深入的研究减少模塑化合物中的卤素。这种努力对Au早就开始了，现正对Cu继续大力进行。模塑化合物供应商采取措施尽量减少模塑化合物中有效的卤素离子数量。除了筛选原始卤素含量低的树脂外，添加物用作离子阱，pH缓冲剂，以及改变玻璃转变温度。涉及的化学品当然是专用的。