GOCU铜线键合工艺
一种铜合金键合丝及其制备方法和应用流程
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试谈半导体铜线工艺流程图
⏹⏹半导体铜线工艺流程时间:2010-09-03 剩余:0天浏览: 37 次收藏该信息一、铜线键合工艺A、铜线工艺对框架的特殊要求-------铜线对框架的的要求主要有以下几点：1、框架表面光滑，镀层良好；2、管脚共面性良好，不允许有扭曲、翘曲等不良现象管脚粗糙和共面性差的框架拉力无法保证且容易出现翘丝和切线造成的烧球不良，压焊过程中容易断丝及出现tail tooshort ；B、保护气体----安装的时候保证E-torch上表面和right nozzle的下表面在同一个平面上．才能保证烧球的时候，氧化保护良好．同时气嘴在可能的情况下尽量靠近劈刀，以保证气体最大围的保护C、劈刀的选用——同金线相比较，铜线选用劈刀差别不是很大，但还是有一定的差异：1、铜线劈刀T 太小2nd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8µm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选用一般要求8度以下（4-8度）6、铜线劈刀OR选用小异D压焊夹具的选用铜线产品对压焊夹具的选用要求非常严格，首先夹具制作材料要选用得当，同时夹具表面要光滑，要保证载体和管脚无松动要，否则将直接影响产品键合过程中烧球不良、断线、翘丝等一系列焊线问题。
二、铜线的特性及要求切实可行的金焊线替代产品。
细铜焊线（<1.3mil）铜焊线，机械、电气性质优异，适用于多种高端、微间距器件，引线数量更高、焊垫尺寸更小。
铜焊线（1.3-4mil）铜焊线，不仅具有铜焊线显著的成本优势，而且降低了铜焊点中的金属间生长速度，这样就为大功率分立封装带来了超一流的可靠性。
铜焊线的成本优势由于铜的成本相对较低，因此人们更愿意以铜作为替代连接材料。
对于1mil焊线，成本最高可降低75%*，2mil可达90%*，具体则取决于市场状况。
分立器件铜线的键合特点及其工艺研究
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【摘要】This article describes the m erit and dem erit of copper w ire bonding and the structural features of discrete device. A ccording to these characteristics,this paper proposes the key process factors that influence the bonding results w ith som e experim ents. It gives a solution to im prove the quality and reliability ofproducts.% 对铜线键合的优缺点及分立器件的结构特点进行了具体分析。
根据分析结果，并结合具体的实验，给出了键合工艺条件和工艺参数对分立器件铜线键合过程的影响。
此研究对提高分立器件铜线键合产品的质量及可靠性具有重要意义。
【期刊名称】《电子工业专用设备》【年(卷),期】2013(000)006【总页数】5页(P27-31)【关键词】分立器件;铜线键合;工艺条件;工艺参数【作者】赵岁花;井海石;杨凯;王丰;陈良锋【作者单位】中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京，100176;中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京，100176;中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京，100176;中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京，100176;中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京，100176【正文语种】中文【中图分类】TN405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。
铜线键合工艺
铜线键合工艺
铜线键合工艺是半导体封装中的一个重要过程，主要用于连接芯片和外部世界。
它主要包括以下步骤：
1. 预处理：清洗并烘干芯片和引线框架，以确保良好的电导性和热导性。
2. 定位：将芯片精确地放置在引线框架上，通常使用自动化设备进行。
3. 键合：使用高温、高压和超声波技术，将铜线的一端连接到芯片的电极，另一端连接到引线框架。
这个过程需要非常精确的控制，以避免线断裂或其他问题。
4. 检测：完成键合后，会进行电性测试，以确保连接良好。
5. 清理：最后，将多余的铜线和残渣清理干净，完成整个键合工艺。
铜线键合工艺对于半导体封装至关重要，它直接影响到芯片的性能和可靠性。
铜丝引线键合技术的发展精编
铜丝引线键合技术的发展精编Document number：WTT-LKK-GBB-08921-EIGG-22986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。
铜丝键合工艺在微电子封装中的应用
铜丝键合工艺在微电子封装中的应用赵钰1引言当今半导体行业的一些显著变化直接影响到IC互连技术，其中有3大因素推动着互连技术的发展。
第一是成本，也是主要因素，目前金丝键合长度超过5mm，引线数达到400以上，封装成本超过0.20美元。
而采用铜丝键合新工艺不但能降低器件制造成本，而且其互连强度比金丝还要好。
它推动了低成本、细间距、高引出端数器件封装的发展。
第二是晶片线条的尺寸在不断缩小，器件的密度增大、功能增强。
这就需要焊区焊点极小的细间距、高引出端数的封装来满足上述要求。
第三是器件的工作速度，出现了晶片铝金属化向铜金属化的转变。
因为晶片的铜金属化可以使电路密度更高、线条更细。
对于高速器件的新型封装设计来说，在封装市场上选择短铜丝键合并且间距小于50μm的铜焊区将成为倒装焊接工艺强有力的竞争对手。
表1列出铜作为键合材料用于IC封装中的发展趋势。
表1材料组合细引线晶片上的焊区金属化应用时间铜（Cu）Al 1989年金(Au) Cu＋溅射铝(Al)的焊区2000年Au Cu＋镀镍/金(Ni/Au)焊区2000年Au Cu＋OP2(抗氧化工艺) 2001年Cu Cu 2002年～将来2铜丝键合工艺的发展早在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个～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。
此外，在大批量、高可靠的产品中，金丝球焊工艺要比铜丝球焊工艺更稳定更可靠。
然而，随着微电子行业新工艺和新技术的出现及应用，当今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。
铜线键合演示幻灯片
5
与金丝相比，铜丝拥有一些更为优秀的特性，这使 其拥有替代金作为新型键和材料的可行性。
铜丝主要拥有以下几个优点：成本低廉、机械性能 优越、电阻低、导热好以及金属间化合物生长缓慢。
铜丝键和 COPPER
WIRE BONDING
MEANING
Period III
FEATURE OF
COPPER
②．机械性能优越 一般情况下,经过退火热处理
SITUATION
IV
BONDING
15
铜丝键和与其他键和对于BONDINGPAD的设计也会有所 差异，在焊盘的构造、大小、厚度方面的参数要求会有很大 不同。
铜丝键和 COPPER
WIRE BONDING
PRESENT PERIOD
SITUATION
IV
BONDING PAD
铜丝与焊盘间IMC的形 成比起其他的材料来说相 对较薄，而且生长的速度 会慢很多。比起Au要慢上 一个数量级之多。
WIRE BONDING
1.超微细铜线的拉制 目前,特别是拉制线径在l mil以下的超
微细丝,对拉线的断头率、表面质量和单轴 长度(重量)都有较高的要求,同时为了提高 生产率、扩大品种、增加技术经济效益,在 线材的拉线速度和头数的要求越来越高;为
TROUBLE PERIOD
I
键合铜丝的制备提出更为苛刻的要求。目 前,对于普通无氧铜来说,由于其存在大量晶 界和铸造缺陷,当线径达到0.025mm以下时,
铜丝主要拥有以下几个优点：成本低廉、机械性能 优越、电阻低、导热好以及金属间化合物生长缓慢。
铜丝键和 COPPER
WIRE BONDING
MEANING
Period III
铜线键合优势和工艺的优化
铜线键合优势和工艺的优化韩幸倩;黄秋萍【摘要】半导体封装对于芯片来说是必须的,也是至关重要的.封装可以指安装半导体集成电路芯片用的外壳,它不仅起着保护芯片和增强导热性能的作用,而且还起到沟通芯片内部世界与外部电路桥梁和规格通用功能的作用.文章阐述了铜线键合替代金线的优势,包括更低的成本、更低的电阻率、更慢的金属问渗透.再通过铜线的挑战--易氧化、铜线硬度大等,提出了在实际应用中工艺的优化,如防氧化装置、铜丝劈刀的参数、压力和超声的优化等.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2011(011)006【总页数】3页(P1-3)【关键词】半导体封装;引线键合;铜线键合【作者】韩幸倩;黄秋萍【作者单位】苏州大学,江苏,苏州,215021;苏州大学,江苏,苏州,215021【正文语种】中文【中图分类】TN305.941 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。
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铝垫下面金属层的断裂 （用王水）
化学腐蚀 30-60sec 烘烤30 min@ 200℃
滴管
清洗
硝酸 (65%-69%) 去离子水 样品
样品 在焊盘上滴硝酸 (HNO3)
吹干
气 枪
样品
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丙酮 (Acetone)
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EDX 和高倍显微镜下元素分析照片
焊球厚度
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混合气和氮气对参数窗口大小的影响
CuPd
工艺参数窗口
低EFO打火电流带来小的参数窗口 氮气条件下的窗口小过混合气条件下的窗口
超声功率
Gas type EFO current BP:53 45mA N2H2 gas 70mA 95mA 45mA N2 gas 70mA 95mA ball lift ball lift
N2 N2H2
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EFO电流对纯铜线FAB球和焊球硬度的影响
低EFO电流
40 m
Bare Cu
高EFO电流
40 m
Vickers Hardness
Low EFO
High EFO
ASM Proprietary Information
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混合气和氮气对镀钯铜线FAB球的影响
镀钯铜线
CuPd
混合气(N2H2)
氮气 同心球
H
同心球
电弧收缩效应 (thermal pinch effect)
电弧发散效应 由于钯的熔点比铜高很多, 线将会从 中心开始熔化
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52um 的焊球使用初始 压力和接触压力成形
ASM Proprietary Information
Zygo profile Zygo profile
焊球深度 / 铝层原 始厚度 = 0.22um / 0.75um. 铝层残留 = 70%
质量要求
金线
好的焊接性能 均匀的IMC 好的焊接性能 均匀的IMC
铜线
平整及充足的铝残留厚度 最小的铝挤出 对焊盘底下的结构要施加尽量小的应力 标准焊接概念 需要专门知识, 可能需要多段式焊接
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第一焊点优化标准
基本标准
6.52 1.10 8.2 4.3
对于纯铜线焊球的大小,球形,铝挤出来说, EFO电流高低没有 明显的区别
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EFO电流对焊球底部平整性的影响
Bare Cu
高EFO电流, 焊球深度/铝层残留层厚度=0.59 um/0.6 um
低EFO电流下的焊球
焊球厚度 EFO电流 平均值 标准方差 最大值 最小值 高 11.88 0.55 13.3 11 低 12.59 0.95 14 10.9
焊球大小 高 48.04 0.69 49.4 47.1 低 48.49 0.72 50 47.2 高
铝挤出 低 6.01 0.95 8.8 4.3
摄氏200度烘烤后,可以在焊盘上发现CuAl2和 Cu9Al4
标准焊接概念，焊球大小 42um, 推力 14.1g
摩擦焊接概念, 焊球大小 42um, 推力 16g
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焊球底部平整性和铝挤出的关系
在高速搜索条件下, 可以得到平整的铝残留和小的铝挤出
Cu enriched Pd enriched Copper Ball Cu-Pd固态 融合物 Cu-Al-Pd 复合物
CuPd
Cu-Al IMC Al Pad
在PCT或uHAST测试中
Cu-Pd固态融合物和Cu-Al-Pd复合物即使在低温下也可以生成
钯将会限制铜与铝之间的相互渗透
Cu9Al4IMC较难形成, 这种物质对腐蚀断裂比较敏感 Cu-Al IMC对腐蚀断裂的阻抗力较高 可靠性将改善尤其是 automotive 的 biased HAST 测试
ASM Proprietary Information
Low EFO
High EFO
高的EFO电流形成比较硬的FAB球, 但是焊球更容易成形, 加工硬度也较少
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EFO电流对镀钯铜线FAB球和焊球硬度的影响
低EFO电流
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BP:54 BP:56 BP:57 BP:58 BP:59 BP:60 BP:65 BP:70 BP:72 ball lift 57~72 54~72 54~72 ball lift 57~70 59~70 60~70
BP:73 peeling peeling peeling
CuPd
BP=45
Peeling
Peeling
最优Base Power窗口表明: 在高EFO电流条件下, 用较小的功率就可以达
到同样的焊球推力强度 这样可以明显地减少焊盘金属层被破坏的几率
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钯的分布对腐蚀断裂的影响
平整而且充足的铝残留
不可靠的焊接工艺
Ball 2 Cu Al ~ 1.6µm 铝残留几乎为0
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简单的第一焊点检测分析
对第一焊点品质的简便分析方法
焊球推力及推力强度 金属间化合物覆盖率 (IMC)
在 T0, 金铜间化合物几乎为零 铜球腐蚀后的铝垫
焊球深度 / 铝层原 始厚度 = 0.38um / 0.75um. 铝层残留 = 50%
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焊球使用Initial Force + Contact Force成形
Initial + Contact Force 成形
ASM Proprietary Information
混合气和氮气对晶粒大小的影响
N2 gas 95%N2+ 5%H2gas
Bare Cu
Voids 90%N2+ 10%H2gas
氮气环境下形成的FAB,柱
状晶粒比较短, 数量较多 混合气环境下形成的FAB, 柱状晶粒长但数量较少
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ball lift ball lift
peeling peeling peeling
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EFO电流对FAB球的一致性的影响 对氮气和混合气条件下形成的FAB 球
CuPd
低的打火电流会造成FAB大小有较大的变化 在混合气条件下的FAB球的一致性好过在氮气条件下的FAB球
Poor consistency
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EFO电流对Base Power 窗口大小的影响
Ball Shear Max Min High EFO Range Current CuPd Average Stdev Max Min Low EFO Range Current CuPd Average Stdev BP=15 BP=20 7.73 6.11 Ball lift 1.61 7.00 0.37 7.61 6.08 Ball lift 1.53 7.00 0.31 OK OK BP=25 BP=30 BP=35 8.96 6.50 2.46 7.60 0.58 8.22 6.68 1.55 7.47 0.36 BP=40
钯分布较好, biased HAST通过机会更高 较小的参数窗口与FAB的大小不那么一致
高EFO电流
较大的参数窗口 焊球较容易成形,更多适用于敏感的薄铝层Die
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铜线第一焊点工艺
金线和铜线第一焊点的主要区别
混合气和氮气对铝挤出大小的影响
在同样大小的FAB条件和参数下 在氮气保护下的焊球大小和厚
度比混合气保护下的要小大约 1μm FAB被挤进瓷嘴的CD里 比较大的铝挤出 焊球变形
CuPd
焊球大小
N2
N2
N2H2
H2N2
N2
铝挤出
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设计性能得到CAE仿真和实际气流分布实验的验证
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混合气和氮气对纯铜FAB球的影响
纯铜线
Bare Cu
混合气(N2H2)
氮气 同心球
H
偏心球
电弧收缩效应 (thermal pinch effect)
电弧发散效应
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揭开铜线键合工艺的面纱 ASM铜线键合工艺
宋景耀博士
揭开铜线键合工艺的面纱
FAB 形成分析
混合气和氮气的影响 EFO电流的影响 纯铜线和镀钯铜线的区别 FAB硬度和焊球变形率对焊接的影响
第一焊点工艺
对焊球形成方法进行分析, 来减少或消除焊盘被打裂的机会 ASM对复杂的芯片结构和薄铝层焊盘的处理能力