铜丝引线键合技术的发展

铜丝引线键合技术的发展

摘要铜丝引线键合有望取代金丝引线键合,在集成电路封装中获得大规模应用。论文从键合工艺﹑接头强度评估﹑键合机理以及最新的研究手段等方面简述了近年来铜丝引线键合技术的发展情况,讨论了现有研究的成果和不足，指出了未来铜丝引线键合技术的研究发展方向，对铜丝在集成电路封装中的大规模应用以及半导体集成电路工业在国内高水平和快速发展具有重要的意义。

关键词集成电路封装铜丝引线键合工艺

1.铜丝引线键合的研究意义

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(wｉｒe bondinｇ) 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(ｗｅdge boｎdinｇ）和球形键合(ball ｂondiｎg)。目前金丝球形热超声键合是最普遍采用的引线键合技术，其键合过程如图１所示。

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，并且金属间化合物生长速率低于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。

但是，铜丝引线键合技术在近些年才开始用于集成电路的封装,与金丝近半个世纪的应用实践相比还很不成熟，缺乏基础研究﹑工艺理论和实践经验。近年来许多学者对这些问题进行了多项研究工作。论文将对铜丝引线键合的研究内容和成果作简要的介绍,并从工艺设计和接头性能评估两方面探讨铜丝引线键合的研究内容和发展方向。

图1 金丝球形热超声键和过程

2.铜丝引线键合的研究现状

2.1工艺研究

2.1．1防止铜丝氧化

与金丝不同的是，铜丝在空气中极易氧化在表面形成一层氧化膜，而氧化膜对铜球的成形与质量有害,并且还有可能导致接头强度低,甚至虚焊（Non-Stick),因此必须采取措施防止铜丝氧化。Ｋaｉｍori等尝试通过在铜丝表面镀一层抗氧化的金属来防止铜丝氧化，他们尝试了Au﹑Aｇ﹑Pd﹑Nｉ,发现镀的铜丝能形成较好的铜球，并且形成的接头力学性能也强于单纯的铜丝。但是此方法并未见任何工业应用的报道。目前工业应用中主要是采用保护气体来防止铜丝氧化,主要有如图２所示的两种保护装置。至于保护气体，Tａn等﹑Hang等以及Sing ｈ等都发现使用95%N2和5%H２混合而成的保护气具有较好的抗氧化效果。