铜线键合优势和工艺的优化

韩幸倩，黄秋萍

（苏州大学，江苏 苏州 215021）

1 引言

曾有位封装界的名人说过，是封装技术的发展真正促进了半导体应用市场的发展。虽然根据摩尔定律，芯片的尺寸在不断地缩小，但封装技术的一次次革命才真正实现了芯片体积的微缩和价格的下降。当今业界对日益小型化和复杂化的半导体封装不断提出新要求，对成本控制也变得迫切。近年来，金价显著提升，而半导体工业对低成本材料的需求更加强烈，作为连接导线，铜线是金线的理想替代品。

2 铜线键合的优势

2.1 更低的成本

早在10年前，铜丝球焊工艺就作为一种降低成本的方法应用于晶片上的铝焊区金属化。当时，行业的标准封装形式为18～40个引线的塑料双列直插式封装，其焊区间距为150μm～200μm，焊球尺寸为100μm～125μm，丝焊的长度很难超过3mm。与现在的金丝用量相比，在当时的封装中金丝用得很少。所以，实际上金的价格并不是主要问题。然而，随着微电子行业新工艺和新技术的出现及应用，对封装尺寸和型式都有更高、更新的要求。首先是要求键合丝更细，封装密度更高而成本更低。一般在细间距的高级封装中，引出端达500个，金丝键合长度大于5mm，其封装成本在0.2美元以上。与以前相比，丝焊的价格成为封装中的重要问题。表1列出铜和金的封装成本比较。在大批量的IC封装工艺中，铜丝成为替代金丝的最佳键合材料。

2.2 更低的电阻率

图1列出铜和金在相同线径时电阻率的比较，从图1可以看出铜线电阻率较低，具有优良的电性能。这样在获得同等的导电性时，可用更细的铜线。特别在精密节距封装中，就可以采用更细的铜线而不会影响电学性能。

2.3 更慢的金属间渗透

由表2可以看出，金属间化合物的导电性差，硬度高，所以金属间化合物的存在与发展会影响电路键合点的可靠性，应控制其生长。

通过实验比较，发现Cu/Al比Au/Al的金属间化合物生长要缓慢得多，如图2所示。

3 铜线键合工艺的优化

3.1 防止铜线氧化的工艺优化

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。在自由空气小球（FAB: Free Air Ball）形成期间的铜氧化反应会导致导线键合球的大小和形状发生变化，会使键合力和焊盘形变很难控制，如图3所示。

在实际操作中，首先在铜丝的生产包装运输途中采用真空包装，目前许多铜丝供货商都已实现。同时为了减少在焊线过程中Cu:O的生成，主要是对其在空气中的暴露时间进行控制，空气中暴露一般不得超过几天，不用时应存放在保护气体中，隔绝空气对铜丝的缓慢氧化。

对于焊接过程中的防氧化方式，目前有两种：一种是采用保护加还原的方式，即采用H:N 混合保护气体，混合比率一般按95%的N2和5%H2，加在易出现氧化的EFO烧球点与工作台的芯片加热区域，流量一般为lL/min左右，而流量的大小主要视铜球的氧化颜色与铜球的焊接形状而定，太大会出现高尔夫球情况，太小则会影响保护作用。而另一种是采用100%N2做为保护气。

3.2 克服铜线硬度大的工艺优化

由于铜本身的硬度比金大，因此键合起来有难度。通过增加键合力度和超声能量可以成功实现键合。但是如果键合力度或超声能量过大．焊盘下边的硅衬底就将受损，即出现所谓的“弹坑”，所以铜更容易损坏芯片的表面。

3.2.1 劈刀的选择

同金线相比较，铜线选用劈刀（图4）差别不是很大，但还是有一定的差异：

（1）铜线劈刀T太小容易切断，造成拉力不够或不均匀；

（2）铜线劈刀CD不能太大，也不能太小，不然容易出现不粘等现象；

（3）铜线劈刀H与金线劈刀无太大区别（H比铜丝直径大8 μ m即可，太小容易从颈部拉断）；

（4）铜线劈刀CA太小线弧颈部容易拉断，太大易造成线弧不均匀；

（5）铜线劈刀FA的选用一般要求8°以下（4°～8°）；

（6）铜线劈刀OR选用大同小异。

3.2.2 压力和超声的优化

一种压力两级加载技术（图5），试验表明运用此技术在一定条件下能够解决基板裂纹和硅坑问题。先用较大的压力使焊球能平坦地与Al表面接触，然后再使用较低的压力和超声波压焊，以防止过大的压力对Al层的损伤。

4 结语与展望

随着微电子封装技术的发展，在工艺上逐渐将传统的金线换为铜线，用于细间距的器件封装。对器件超细间距的要求成为降低焊丝直径的主要驱动力。因而，在今后的微电子封装发展中，铜线键合会成为主流技术。

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