微電子器件封裝銅線鍵合可行性分析

宋慧芳

（上海交通大學(xué)微電子學(xué)院，上海 200240）

1 引言

近半個世紀以來，半導(dǎo)體科技的飛速發(fā)展給我們的日常生活帶來了日新月異的變化，從電腦、手機、數(shù)碼相機這些生活必備品的出現(xiàn)，以及它們的快速更新、升級，這一切都歸功于半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展。緊跟摩爾定律的“神話”，半導(dǎo)體技術(shù)革新向著更小、更快、更低功耗、更低成本的目標不斷前進。

在大環(huán)境的激烈競爭下，半導(dǎo)體不同領(lǐng)域的公司都在想盡辦法研發(fā)出具有市場競爭力的產(chǎn)品或者提供優(yōu)勢服務(wù)，包括上游IC設(shè)計公司，中游外包服務(wù)廠Fab、Assembly、Test house，還有下游的材料、設(shè)備供應(yīng)商等。尤其經(jīng)歷了2008～2009年世界范圍的金融危機，更加激勵半導(dǎo)體技術(shù)朝向低成本、高品質(zhì)方向不斷革新和發(fā)展，例如IC設(shè)計更加趨于高密度集成，晶圓尺寸更加趨于大尺寸制造等等。

趨于如上的發(fā)展方向，芯片的制造成本越來越低，但對于封裝廠來說，材料的選用基本沒有太大變化，而且隨著原材料價格不斷上漲（例如金價目前已超過1500美金/蠱司，未來將有超過2000美金的趨勢），原材料價格占封裝成本中的比例越來越凸顯出來，基本上金線成本占所有封裝成本的30%左右，而且封裝外包廠占據(jù)產(chǎn)業(yè)下游，更面臨價格戰(zhàn)的考驗。在此種嚴峻的情況下，封裝廠需要找出替代金線鍵合的方案，目前行業(yè)內(nèi)正在大力研發(fā)銅線替代金線鍵合的方案。因為銅線的價格優(yōu)勢，加之良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、機械性能，替代金線鍵合并實現(xiàn)量產(chǎn)具有很高的可行性。但是金線鍵合已存在半個世紀，加之完善的制程工藝，要完全替代是有難度的，而且銅導(dǎo)線的制備、應(yīng)用，包括后續(xù)產(chǎn)品可靠性方面還存在諸多問題有待解決，例如銅易氧化影響鍵合質(zhì)量和產(chǎn)品壽命，銅的硬度較高容易造成Al墊受損等劣勢，同樣面臨巨大考驗。于是封裝外包廠應(yīng)該多同客戶、材料供應(yīng)商、設(shè)備供應(yīng)商合作，共同研究，找出解決方案，將該方案盡快由設(shè)想或者小規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模量產(chǎn)，這樣就可以在保證產(chǎn)品品質(zhì)的前提下大幅降低生產(chǎn)成本，使封裝外包商在整個產(chǎn)業(yè)鏈中更具有市場競爭力。

2 銅導(dǎo)線和金導(dǎo)線比較

2.1 銅導(dǎo)線優(yōu)勢

2.1.1 價格

2009年11月國際金價突破1000美元/盎司大關(guān)，時隔兩年，2012年初國際金價已經(jīng)達到1700美元/盎司，而同期國際銅價約為3.8美元/磅（1公斤＝2.2磅=35.274蠱司）。一面是金價持續(xù)攀升，一面是電子消費類產(chǎn)品的價格不斷走低，封裝廠尋找替代金線的新型焊接材料勢在必行。在這種嚴峻環(huán)境下，銅導(dǎo)線以其良好的電學(xué)、熱學(xué)、機械特性及低成本優(yōu)勢走進了封裝領(lǐng)域研究人員的視野。

2.1.2 導(dǎo)電率

銅線的導(dǎo)電率為0.62μΩ/cm，金的導(dǎo)電率為0.42μΩ/cm，可見銅的電學(xué)特性高于金導(dǎo)線，即相同直徑的鍵合線，銅比金可以承載更多的電流。

2.1.3 導(dǎo)熱率

銅線的熱導(dǎo)率為401W/(m·k)，金的熱導(dǎo)率為318W/(m·K)，可見銅的熱導(dǎo)率高于金導(dǎo)線。因此銅線比金線更加容易將封裝中的熱散掉，這樣就減少了它本身所受的熱應(yīng)力。

2.1.4 化合物生長率

銅鋁化合物的生長率低于金鋁化合物的生長率，這樣將提高器件封裝的可靠性。同時銅相比于金線更適合高密度細絲引線封裝。

2.2 銅導(dǎo)線劣勢

2.2.1 銅易氧化

銅易氧化，這有可能降低材料的使用壽命，并給材料的儲存環(huán)境和條件帶來一定的要求。另外在鍵合過程中高溫作用容易氧化成CuO，影響焊合性能，降低產(chǎn)品可靠性。

2.2.2 硬度

銅的硬度比金要大，金導(dǎo)線硬度＜60，而銅導(dǎo)線硬度＞64；金球硬度＜39，而銅球硬度＞50。氧化的銅會變得更加硬，所以鍵合就更加困難。

3 銅導(dǎo)線制備工藝和性能研究

如想實現(xiàn)銅導(dǎo)線鍵合，必須先實現(xiàn)其原材料的制備，所以如何制備適用于低成本、細間距、高引出端元器件封裝的銅導(dǎo)線同樣獲得半導(dǎo)體材料制造商的關(guān)注。

3.1 焊合導(dǎo)線的性能要求

表面清潔，無油污，無拉伸潤滑痕跡，無顆粒附加物和其他任何臟污；表面無大于直徑5%的刻痕、凹坑、劃痕、裂紋、凸起和其他任何有可能降低器件使用壽命的缺陷；導(dǎo)線在放開即自由伸展時應(yīng)無明顯彎曲，導(dǎo)線的彎曲應(yīng)不降低其使用性能；導(dǎo)線無軸向彎曲；高的表面質(zhì)量；可拉性。

由于銅絲球焊在長引線、超微細絲的高密度封裝中的獨特優(yōu)勢，作為替代金導(dǎo)線的超微細絲具有廣闊的市場前景，但由于其標準要求嚴格并且加工困難，因此對拉制單晶銅鍵合導(dǎo)線的坯料性能提出更高的要求。

拉線性能是微細拉線的特性標志。在銅桿標準中，規(guī)定了化學(xué)成分、延伸率、電阻系數(shù)、表觀狀況和用扭絞試驗判斷內(nèi)在缺陷。另外國際有一個參數(shù)指標來衡量短線率，即每次短線可拉至的銅線重量：T/B值（T為銅線重量，B為短線次數(shù)）。

3.2 不同單晶銅的性能研究

不同晶向彈性模量的差異，如銅單晶的E100=91 GPa，E111=165 GPa，E110=137GPa，不同取向單晶的應(yīng)力應(yīng)變曲線也有很大的差異，銅絲中〈111〉結(jié)構(gòu)為主時，銅絲的剛度大，加工硬化率高，形變抗力大，鍵合時劈刀攜帶銅絲快速沖擊可能對硅芯片造成損傷。相反，〈100〉取向晶粒形變抗力小，可能降低絲本身的強度，即降低拉拔強度。

3.3 銅導(dǎo)線焊合組織和微結(jié)構(gòu)變化研究

如果想更好地實現(xiàn)銅導(dǎo)線代替金導(dǎo)線制程，最好清楚了解銅導(dǎo)線在每個鍵合階段的組織和微結(jié)構(gòu)變化。銅線鍵合的基本過程包括：（1）由鑄錠拉拔及退火制備出銅線；（2）通過高壓放電（EFO過程）造成局部熔化在絲的端部形成自由球；（3）銅絲球第一鍵合實現(xiàn)銅絲球與芯片的連接；（4）絲的另一端與引線框架實現(xiàn)楔形鍵合。

3.3.1 形成自由球過程

銅線與金線最大的差異在于銅易氧化，焊合過程中因放電極加熱板加熱，會形成氧化銅。已氧化的FAB（Free Air Ball）球不圓，容易造成打不黏。

在1000℃以下形成黑色氧化物，反應(yīng)為2Cu+O2→2CuO；1000℃以上形成褐色氧化物，反應(yīng)為4CuO→2Cu2O+O2

3.3.2 一焊點鍵合

所謂一焊點，即焊線同芯片PAD進行鍵合形成的焊點。目前由于Foundry的制程分Al制程和Gu制程兩種，即焊墊也存在Al和Gu兩種，但是目前行業(yè)內(nèi)鋁墊占多數(shù)。在加熱狀態(tài)下，銅球會和Al Pad或者Gu Pad達到熔融狀態(tài)并實現(xiàn)鍵合，需要著重分析銅鍵合線針對此兩種PAD的鍵合狀態(tài)。

4 銅導(dǎo)線焊合技術(shù)難點

4.1 如何控制氧化

在加熱過程中加入惰性氣體和混合氣體進行抗氧化保護，因氧化稀釋作用不會燃燒或起化學(xué)反應(yīng)，借以防止氧化。

混合氣體成份為95% N2和5% H2。為了防止氧化，必須在加熱區(qū)吹N2保護，隔離空氣中的氧；利用H2燃燒產(chǎn)生高溫，燒球比較圓，H2含量越高燒球越圓。

4.2 銅的高硬度造成焊合困難

因為銅的硬度高于金，銅絲鍵合時需要更高的超聲功率和更大的壓力，這樣比較容易對PAD造成傷害，而如果降低超聲功率和壓力，又會造成虛焊。如何在實際工藝中尋找合適的參數(shù)，需要利用DOE試驗分析方法。

5 銅導(dǎo)線和金導(dǎo)線焊點可靠性對比分析

實際生產(chǎn)過程中，關(guān)于焊合制程的缺陷通常為基板裂紋、硅坑、接頭強度低和虛焊等等。這些不良基本上是和金導(dǎo)線相同，但是由于銅焊線的高硬度，例如基板裂紋或者硅坑應(yīng)該更容易出現(xiàn)在銅焊線制程當中。另外銅易氧化，高濕環(huán)境下對產(chǎn)品的可靠性是否有明顯影響也是一個問題。另外銅導(dǎo)線制程又給可靠性分析帶來一定的挑戰(zhàn)，例如銅線會跟硝酸進行反應(yīng)，所以不能用傳統(tǒng)的噴射刻蝕來對封裝器件做失效模式分析。

雖然銅絲鍵合在制備、實際生產(chǎn)、后續(xù)產(chǎn)品可靠性問題上都存在諸多問題待確認和解決，但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)必將日臻完善。

[1] 吳建得，羅宏偉. 銅鍵合線的發(fā)展與面臨的挑戰(zhàn)[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2008，26（6）.

[2] 陳新，李軍輝，譚建平. 芯片封裝中銅線焊接性能分析[J]. 電子機械工程，2004，20（5）.

[3] 丁雨田，曹文輝，胡勇，陳衛(wèi)華. 單晶銅超微細絲的短線分析及制備工藝[J]. 特種鑄造及有色金屬，2008，28（4）.

[4] 丁雨田，胡立潔，胡勇，曹文輝. 單晶銅鍵合絲的球鍵合性能研究[J]. 特種鑄造及有色金屬，2008，29（6）.

[5] 李炳，嚴文，王鑫，范新會. 單晶銅線材的表面氧化研究[J]. 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 27（5）.

[6] 楊平，李春梅，周康武，崔鳳娥，劉德明. 微電子封裝銅線鍵合的組織與微組織結(jié)構(gòu)[J]. 中國體視與圖像分析，2007，12（4）.

[7] Dr Christopher Breach. 微電子器件封裝中銅與金球鍵合的比較[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備，174.

[8] 黃華，都東，常寶華. Feature Article專題綜述[J]. 焊接，2008，12.

[9] 杭春進，王青春，洪手玉. 銅絲球焊技術(shù)研究進展[J].材料科學(xué)與工藝，2007，15（5）.

[10] 丁雨田，曹軍，許廣濟，寇生中，胡勇. 電子封裝Cu鍵合絲的研究和應(yīng)用[J]. 鑄造技術(shù)，2006，27（9）.