铜丝键合工艺研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇铜丝键合工艺研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要:键合铜丝作为微电子工业的新型研发材料,已经成功替代键合金丝应用于IC后道封装中。随着IC封装键合工艺技术及设备的改进,铜丝应用从低端产品如DIP、SOP向中高端QFP、QFN、多层线、小间距焊盘产品领域扩展。因封装制程对键合铜丝的性能要求逐步提高,促进了铜丝生产商对铜丝工艺性能向趋近于金丝工艺性能发展,成为替代金丝封装的新型材料。本文首先讲述了铜丝键合的优点,列举了铜丝在键合工艺中制约制程的瓶颈因素有两个方面:一是铜丝储存条件对环境要求高,使用过程保护措施不当易氧化;二是铜丝材料特性选择、制具选择、设备键合参数设置不当在生产制造中易造成芯片焊盘铝挤出、破裂、弹坑等现象发生,最终导致产品电性能及可靠性问题而失效。本文通过对铜丝键合机理分析,提出解决、预防及管控措施,制定了具体的生产管控工艺方案,对实现铜丝键合工艺有很好的指导意义。
关键词:铜丝;键合;弹坑;工艺方案
The Technics Research of Copper Wire Bonding
CHANG Hong-jun,WANG Xiao-chun,WEI Mu,LI Xi-zhou,LU Ming-zhen
(TianShui HuaTian Technology CO., LTD)
Abstract: Bonding Copper-wire has been applied in the IC package as the basic materials of the microelectronics industry, and lots of application can use it as a substitute for bonding gold-wire. As the IC package bonding technology development & bonding equipment improvement, Bonding Copper-wire do not only applied in low-end products such as DIP & SOP, but also used more and more in high-end products such as QFP & QFN and fine-pitch bond-pad products. Because the performance requirements of copper-wire bonding become much higher than before, all copper-wire venders try to improve the copper-wire characteristic and let it close to gold-wire. And, those efforts make “copper-wire” become a new material to replace the gold-wire. In the beginning of this paper, it describes the advantages of copper-wire bonding, then high-lights the two major bottle-necks which limited the copper-wire bonding process: One is the high request for store environment of copper-wire. That means copper-wire should be well protected to prevent the oxidation issue during the processes; the other is that the products electrical function or reliability would be failed because the bond-pad Al bleed-out、bond-pad broken、bond-pad crating problems if we use the unsuitable characteristic copper-wire、unsuitable jigs or wrong bonding parameters. This paper shown the related bonding intermetallic analysis, and provide the solution、prevention and control method for copper-wire bonding process. It provides a very good guide-line to realize the copper-wire process with the actual production control rule.
Key words: copper wire; bonding; crate; technics program
1前言
引线键合是指在一定温度下,采用超声热压的方式,将引线两端分别焊接在芯片焊盘上和引线框架或PCB板上,实现芯片内部电路与外部电路的连接;键合金丝在封装上具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点,在半导体封装上得到广泛应用,但随着封装材料成本大幅上升,封装价格下降,半导体封装如何有效降低成本成了必须面对的课题和挑战。
半导体封装行业为降低成本、提高可靠性,必将寻求工艺性能好、价格低廉的金属材料来代替价格昂贵的金丝;为此行业中出现了铝(Al)丝、铜丝等连接材料;Al丝由于成球性不好以及拉伸强度和耐热性不如金丝,容易发生引线下垂和塌丝等问题,主要应用在功率器件、微波器件和光电器件封装上。而铜丝具有价格低、力学性能和电学性能好的优点,通常100m铜丝的成本是100m金丝成本的10-20%;铜丝在拉伸、剪切强度和延展性方面优于金丝,在满足相同焊接强度的情况下,可采用更小直径的铜丝来代替金丝,从而可缩小焊接间距,提高芯片频率和可靠性;铜丝相对金丝具有更高的球剪切力、拉力值,铜丝键合球剪切力比金丝高15%～25%,拉力值比金丝高10%～20%,且在封装工艺塑封料包封时线弧抗冲弯率(wiresweep)更强,以及铜丝的导热及散热性能均优于金丝,铜丝球焊接技术是目前国际上正在进行开发研究的一种用于微电子器件芯片与内引线连接的新技术。因此受到业界的推广应用和发展。在今后的微电子封装发展中,铜丝焊将会成为主流技术之一。
2铜丝球焊的优点
2.1 价格优势
引线键合中使用的各种规格的铜丝,其成本只有金丝的1/5-1/10。
2.2 电学性能
铜的电导率0.62(μΩ・cm)-1,比金的电导率0.42(μΩ・cm)-1大,因此在直径相同的条件下铜丝可以承载更大电流,使得铜引线不仅用于功率器件中,也应用于更小直径引线以适应高密度集成电路封装。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文
2.3 热学性能
铜的热传导率高,导热性好,铜:401W/(m・K), 金:318W/(m・K) 。
2.4 机械性能
铜丝焊点具有比金丝焊点更稳定的剪切断裂载荷,并且在老化一定时间内铜丝焊点表现出更好的力学性能。
2.5 焊点金属间化合物
对于金引线键合到铝金属化焊盘,对界面组织的显微结构及界面氧化过程研究较多,其中最让人们关心的是“紫斑”(AuAl2)和“白斑”(Au2Al)问题,并且因Au和Al两种元素的扩散速率不同,导致界面处形成柯肯德尔孔洞以及裂纹,降低了焊点的力学性能和电学性能,对于铜引线键合到铝金属化焊盘,研究的相对较少,目前相关研究结果认为在同等条件下,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,铜丝焊点的可靠性要高于金丝焊点。
3铜丝键合工艺控制及预防
相对于金丝,铜丝容易被氧化,键合工艺不稳定;铜的硬度、屈服强度等物理参数高于金丝,键合时需要施加更大的超声能量和键合压力,因此容易对硅芯片造成损伤甚至是破坏。所以防止铜丝氧化及弹坑的预防是封装键合工艺所面临的瓶颈和挑战。通过焊接材料工艺(铜丝、基板、引线框架)和封装键合工艺两方面来改善其可焊性,根据我公司现阶段铜丝封装键合应用发展状况,给出基本的工艺方案。
3.1 铜丝键合氧化预防及控制
铜丝从生产、存放、键合的整个过程中,不可避免与空气接触,与空气中氧气发生氧化现象。它的氧化存在两种情况,一是在室温下表面长期与空气接触而产生的氧化,形成的Cu2O, 很难用物理方法去除,其反应式如下;
4Cu+O22Cu2O(1)
另一种是在键合过程中高温作用下铜与氧气发生的氧化,其反应式为:
2Cu+O22CuO(2)
因此,铜丝生产、存放、键合的整个过程中必须在无氧或在惰性气体保护下作业。目前铜丝的键合设备是在金丝键合机上通过加装吹气保护装置来实现铜丝焊接的。在键合过程引线框架需要200～220℃加热进行键合,在此工作环境下进行铜丝键合,键合工作台和电子打火(EFO)温度下易造成铜球氧化,直接影响了键合性能。预防铜球氧化可通过增大电子打火电流,缩短电子打火时间等。在保护气体下铜丝键合过程其反应式为:
2Cu2O+H22Cu+H2O(3)
铜丝在键合过程中,使用N2、H2混合保护气,其体积比和流量通过试验优化调整,严格按照N2、H2安全操作规程操作。
3.2 铜丝键合常见过程问题分析
由于铜的硬度、强度等较高,键合时需要施加更大的超声能量和键合压力,容易对硅芯片造成损伤甚至是破坏,造成产品质量隐患或品质异常。
3.2.1 键合过程中焊盘的铝挤出
键合过程中铜球挤出焊盘铝的现象是较为常见的问题,见图3。由于焊盘铝的挤出造成铝渣与周围的铝条之间短路,此失效模式在功能测试时表现功能输出不正常,在对不良品开封后挤出铝渣随环氧树脂一起脱落,一般分析时容易误判。
铜丝键合过程超声功率与键合压力是影响焊盘铝挤出的主要因素。铜丝在焊接过程中需要较长的键合时间来增加它的键合强度,这样同时增加了超声功率在焊盘上的作用时间,从而导致焊盘铝的挤出。键合主要依赖热、压力、超声功率和时间,而超声功率运行为Y方向,所以铜丝键合焊盘Y方向铝挤出比X方向铝挤出较为常见。
现在国内用于铜丝键合的芯片,大多数是以前键合金丝的芯片,焊盘铝层材质硬度低;为有效控制焊盘铝的挤出现象,可通过调整键合的接触压力、键合压力、键合超声输出功率、合适角度(ICA)的劈刀等(键合劈刀示意图见图4),从而使铜球完全变形,增大铜球与焊盘之间接触面积,且键合过程超声功率作用于靠近铜球中心,同时增加超声功率的输出,以此来降低焊盘铝的挤出及产品早期的失效。
3.2.2 键合过程的焊盘破裂
铜丝键合过程中,焊盘破裂也是较为常见的问题。焊盘破裂见图5(a)、5(b)。通过铜丝键合过程跟踪,发现引起焊盘破裂的主要原因一是铜球表面氧化,二是基岛在键合压板中浮动或基岛下附有杂物使其不平整,三是IC芯片中测时印记面积大。以上现象在键合压力与超声输出功率作用下造成焊盘铝层破裂或伤及焊盘下硅本体(弹坑)。
3.2.3失铝和压焊不粘
图6是失铝图片。
在最初试验过程中出现4%左右压焊不粘现象,其中大多数是如图7所示的网眼和蜂窝形焊盘。网眼和蜂窝形焊盘压焊不粘的图片见图8。
采用鱼骨图从人、机、料、法、环五个方面分析产生失铝和压焊不粘原因,最终确定下述六个主要因素,如图9所示。
根据图9找到的几种原因,制定改善方案,逐一采取措施并不断优化工艺,取得了较好的效果。
3.3 键合过程品质稳定性
采用最佳键合条件和工艺参数设定,对批量键合的3个不同封装形式铜丝产品与金丝产品进行跟踪对比测试。铜丝键合后第2键合点如图10(a),金丝键合后第2键合点如图10(b)。此次对比球键合强度和线拉力的数据可以看出,铜丝键合与金丝键合的产品,品质可靠性与稳定性都符合控制标准。铜丝键合后第1键合点如图11(a),金丝键合后第1键合点如图11(b)。铜丝与金丝拉力对比如表1,铜丝与金丝剪切力对比如表2。
4结论
由于低成本和高功率器件的市场竞争非常激烈,极小的成本优势也会受到关注,铜所带来明显的成本降低及它的机械和电学优势,给IC封装创造了一个竞争的空间,将来作为IC封装的主要材料来生产低成本的器件。
目前已证明铜线在机械强度、电学性能及可靠性方面都优于金线,通过适当的工艺方案措施控制和预防,铜线研发、制作和封装工艺方法上克服铜线工艺的一些问题,目前能够成功应用于IC封装的低端产品中批量生产,如DIP、SOP和功率器件中,其合格率达到99.85%以上。将来随着键合工艺的优化,在铜线和支持设备的持续改进,有望使铜线键合性能达到或超过可比的金线键合。
同时,对于铜丝产品,如何开发硬度更低、键合易焊性更强、性能更优的铜丝,对铜丝生产厂商提出了新的要求及研究课题。
参考文献
[1]ASM Eagle60 User Manual;
作者简介
常红军,主要从事集成电路塑料封装键合工艺技术,开展金丝、铜丝球焊工艺研究。
王晓春,主要从事集成电路塑料封装工艺技术及技术管理工作,重点研究金丝、铜丝球焊工艺技术。
慕蔚,高级工程师,多年来一直从事集成电路芯片制造、气密性(金属、陶瓷)封装和塑封集成电路封装工艺技术及技术、生产管理工作。
李习周,天水华天科技股份有限公司工程师。在塑封、切筋和品管、工程管理等岗位工作10 多年,主要从事塑料封装工艺研究、新品开发和项目管理。
鲁明朕,硕士学历,高级工程师,主要研究方向是机械设计、机械结构分析与计算机仿真、封装结构及相关封装制程设计、新产品导入与可靠性分析。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文