分立器件铜线的键合特点及其工艺研究

赵岁花，井海石，杨 凯，王 丰，陈良锋

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京，100176)

分立器件是集成电路的一个重要分支，分立器件引线键合是其封装过程中的一个关键环节，键合质量直接影响产品的可靠性。分立器件引线键合材料主要有金线和铜线两种。金线是分立器件键合的传统材料，近些年，由于金线价格的不断提高以及半导体封装成本控制的要求，使得半导体制造商转而寻找一种新型材料替代金线。铜线因其低成本和相对金线更优的电、热性能而受到大多数半导体封装厂商的关注，目前已在分立器件的封装中广泛使用[1]。但是，由于铜线键合使用和研发时间相对较短，对其键合工艺缺乏系统的研究，且实际生产中铜线产品的合格率、产品生产效率要低于金线，许多键合质量问题亟待解决。因此，研究分立器件铜线键合的特点和工艺具有重要意义。本文对铜线键合的优缺点、分立器件的结构特点进行了系统的分析，根据分析结果，并结合具体的实验，给出了键合工艺设置对分立器件铜线键合过程的影响，该研究对提高分立器件产品质量、可靠性和生产效率具有重要意义。

1 铜线键合优势及常见问题

1.1 铜线键合的优势

铜线相比于金线具有以下键合优势[2-4]：

(1)更低的电阻率和更好的导电性。相同条件下铜线功率损耗小，相同线径时铜线可通过更大的电流。

(2)更好的导热性。芯片散热是芯片设计考虑的一个重要方面，铜线导热性优于金线，有利于芯片散热。

(3)更慢的金属间化合物生长速率。金属间化合物导电性差，硬度高，其存在影响键合电路的可靠性，应控制其生长。研究发现铜铝金属间化合物比金铝金属间化合物的生长要慢得多[5]。

1.2 铜线键合常见问题

(1)氧化问题。铜的金属活性大于金，在键合过程中易发生氧化。铜线氧化表现在两个方面：一、铜线在空气中易发生氧化。二、铜线烧球及焊接过程中在高温下发生氧化。氧化会导致不粘、虚焊等各种键合问题，需要保护气体进行保护。目前常用的保护气体是氮氢气（5%H2和95%N2），也有个别厂家选用氮气作为保护气体，但效果不如氮氢气。

(2)铜线键合易出现弹坑。由于铜线硬度较大，相比金线需要更大的键合压力和超声能量，容易造成焊盘下硅衬底受损，形成弹坑[5,6]。

2 分立器件框架的结构特点

分立器件被广泛应用到消费电子、计算机及外设、网络通讯、汽车电子、LED显示屏等领域，包括半导体二极管、半导体三极管、特种器件及传感器等。分立器件引线框架的结构特点决定了分立器件的键合特点。

首先，分立器件引线框架多为镂空结构，致使压板吸真空无法达到应有的效果，框架不能完全贴紧压板。图1为某种分立器件的引线框架。

图1 某种分立器件的引线框架

其次，分立器件引线框架的管脚和芯片处多有下凹或凸起，其压板往往配合引线框架形状设计出对应的凹槽和凸台。图2中（a）为某分立器件框架细节图，图中芯片处可见明显凸起。图（b）为与之对应的压板图示，从右侧的局部放大图中可以看到与芯片凸起对应的凸台。分立器件的这种结构要求在键合时必须保证框架与压板对应位置配合良好，但是，由于加工制造误差和材料热膨胀系数等原因，有时引线框架与压板在键合温度下无法实现良好的配合。图3中引线框架与下压板配合不好，导致蓝色圈中的管脚悬空。

分立器件引线框架的结构特点使得键合时焊点容易出现浮动，进而导致一系列键合问题出现。对于第一焊点，会造成不粘、大扁球、大小球及偏心球等情况出现；对于第二焊点，则会造成断线、短尾及不粘等情况增多。此外，浮动还会造成焊线状态不稳定，设备停机率高等情况，给操作人员也带来一定麻烦。图4给出了框架浮动引起的第一焊点不良的几种情况。

3 分立器件铜线键合工艺控制

图2 分立器件框架及压板图

图3 框架与压板配合不良

图4 框架浮动引起的第一焊点不良

键合工艺控制对产品键合质量和可靠性有重要影响，对于分立器件的铜线键合，需要同时兼顾分立器件框架的结构特点及铜线键合性能。不合适的键合工艺设置会导致诸多键合问题出现，造成产品废品率偏高和设备停机率增加。键合工艺控制主要包括两个方面，即工艺条件和工艺参数。

3.1 工艺条件控制

分立器件铜线键合的工艺条件包括烧球和焊线保护气体流量大小、压板与引线框架的配合状态、键合温度等。

3.1.1 保护气体流量控制

铜线氧化不仅造成键合困难，而且由于氧化物电阻较大，会严重降低产品的电性能，必须有效地避免。保护气体可以有效防止烧球及焊线过程中的铜线氧化，但是，在使用过程中需要严格控制好保护气体流量。保护气体流量过小时铜线会因保护不够发生氧化，进而导致：一、烧球时球体严重氧化、出现大小球及偏心球；二、氧化造成铜球硬度过大，在焊接时导致第一焊点不粘和虚焊；三、焊线过程中铜线氧化导致焊点不粘和虚焊。保护气体流量并非越大越好，保护气体流量过大首先会造成成本浪费，同时，过大的气流量还会导致烧球不成功。

目前，铜线键合设备一般安装两路保护气体，即烧球保护气和焊线过程保护气。图5给出了烧球保护气体流量不同时的烧球结果。图5中（a）中球体因保护不足而氧化，球体表面颜色发乌；（b）球体保护充分，整个球体色泽明亮；（c）为因气流量过大而烧小球的情况。图6给出了焊线过程中保护气体流量不同时球焊点的状况，图6中（a）中球焊点因氧化而呈暗红色；（b）球焊点表面未发生氧化，色泽明亮。

3.1.2 压板与框架的配合状态

图5 烧球保护气体流量不同时的烧球结果

图6 焊线过程保护气流量不同时的球焊点

分立器件框架的结构特点决定了分立器件在焊接时框架易出现浮动，引发各种焊接问题。通过贴高温胶带可以使压板和引线框架实现很好的配合，从而解决以上问题。

压板与框架的接触属于刚性接触，刚性接触无法保证框架与压板每个部位都接触良好。此外，压板下压力有时会造成压板变形，使压板与框架接触情况变差。高温胶带作为一种弹性介质，可将压板与框架的刚性接触转变为弹性接触，从而保证二者接触良好。图7为压板与框架配合的示意图。

贴高温胶带还可以提高焊点的一致性。表1为某材料第一焊点剪切力、第二焊点拉力的测量结果，从表中可以看出，贴胶带后焊点的一致性变好。

3.1.3 键合温度

图7 压板与框架的配合

表1 贴高温胶带前后第一焊点剪切力、第二焊点拉力测量结果(22.86 μm 铜线)。

键合温度对键合后焊点粘结的好坏有一定影响。通常分立器件的键合温度控制在150～350℃之间。温度过低会因键合能量不够造成焊点不粘等问题；温度过高则加重焊点的氧化或引起其他问题。

3.2 工艺参数控制

分立器件铜线键合工艺参数设置需要考虑到其自身的特点。

3.2.1 第一焊点工艺参数设定

键合压力和超声能量：键合压力和超声能量一般配合使用。分立器件铜线键合一般采用大键合压力和小超声能量相配合的方式。采用此种配合方式主要因为：一、大的超声能量容易使芯片表面出现弹坑，损坏芯片；二、键合压力过小时无法保证焊点压实，容易造成大扁球和不粘状况的出现，使焊线状态不稳定。

键合时间：铜线需要比金线更长的键合时间，以保证焊线的稳定性。

接触超声能量：铜线键合第一焊点的接触超声能量一般需要设置较大值，这与铜线硬度和容易氧化有很大关系。该参数主要用于清洁材料表面氧化物和其他污染物以提高焊点粘结力。

研磨：对于一些难键合的材料，需要加碾磨来提高其粘结力。

3.2.2 第二焊点工艺参数设定

第二焊点工艺参数设置不合适会造成断线较多，留尾不一致，不粘等状况，这些状况在影响生产效率的同时还会对第一焊点造成影响。

键合压力与超声能量：一般采用大键合压力与小超声能量相配合的方式，需要具体情况具体对待。此参数设置不仅要保证焊点粘结良好，还要保证留尾长度的一致性。因为尾长不一致时会影响第一焊点烧球。

线尾长度：线尾长度设置最好保证烧球后球顶部到劈刀尖有0.5～1倍线径的间距。线尾过短时，烧球会缩到劈刀头部的楔形部位，造成烧球不完全，而且由于保护气体无法覆盖球体上半部而造成球上半部表面氧化。

4 结 论

分立器件铜线键合时需要考虑分立器件自身的结构特点，只有根据分立器件自身的结构特点，选用适当的工艺条件和工艺参数，才能尽可能避免焊接过程中出现的各种问题，得到较好的产品质量和可靠性，进而提高产品生产率及设备、人员效率。因此，研究分立器件铜线键合工艺具有重要的意义。

[1] 韩幸倩，黄秋萍.铜线键合优势和工艺优化[J].电子与封装，2011，11(6):1-3.

[2] 陈宏仕.新型铜线键合技术[J].名企产品推介，2007，9(5):73-75.

[3] 王彩媛，孙荣禄.芯片封装中铜线键合技术的研究进展[J].材料导报.2009，23(14):206-209.

[4] Tan C W，Daud A R.Bond pad cratering study by reliability tests[J].J Mater Sci，2002，13:309.

[5] 范象泉，钱开友，王德峻，等.IC键合铜线材料的显微力学性能研究[J].电子元件与材料，2010，29(4):61-64.

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