半导体铜线键合工艺研究
键合铜线的调研报告
键合铜线的调研报告调研报告：键合铜线一、背景介绍键合铜线是一种新兴的电子封装材料，用于半导体器件中的电子连接。
通过将导线与芯片或电路板之间进行键合，实现信号和电力的传输。
二、发展历程键合铜线的发展历程可以追溯到20世纪60年代末。
当时，由于硅片芯片的引入，需要一种可靠的电子连接方式来连接芯片和外部电路。
最早使用的是金线键合技术，但由于缺乏适应小尺寸、高密度制造需求的能力，逐渐出现了对键合材料的需求，以满足新一代电子器件的封装和封装需求。
在20世纪70年代，键合铜线开始被用作半导体封装的替代材料。
与传统的金线键合相比，键合铜线具有更高的导电性能、更好的可靠性和更低的成本。
然而，在当时的技术条件下，针对键合铜线进行精确的制造和控制仍然是一个挑战。
三、技术进展及应用随着技术的不断发展，现代键合铜线已经取得了长足的进步。
在制造和控制技术方面的改进使得键合铜线适应了更小、更高密度的封装需求。
通过改善材料和键合工艺，键合铜线的可靠性也得到了显著提高。
目前，键合铜线已经广泛应用于各种封装领域，在电子消费品、汽车电子、通信设备等高技术领域具有重要的地位。
例如，用于智能手机中的封装工艺需要键合铜线以满足高性能和高可靠性的需求。
四、优势和挑战键合铜线相比传统的金线键合具有多项优势。
首先，键合铜线具有更高的导电性能，可以支持更高的信号传输速度。
其次，键合铜线的成本较低，可以使整体的封装过程更加经济高效。
此外，键合铜线还具有良好的可靠性和稳定性。
然而，键合铜线的发展还面临一些挑战。
首先，键合铜线需要满足高能效和高性能的要求，因此对材料的纯度和制造工艺的要求更高。
其次，键合铜线需要高精度的制造和控制技术，以确保键合点的准确性和一致性。
此外，键合铜线还面临着在高温环境下的稳定性和电迁移等问题。
五、发展趋势随着电子封装需求的不断增加，键合铜线的应用前景广阔。
未来的发展趋势主要包括以下几个方面：1. 高速通信领域：随着5G通信技术的发展，对封装的要求越来越高。
铜线产品键合异常研究与改善
铜线产品键合异常研究与改善摘要：在半导体封测行业中，组装是一个重要的工序，其中键合技术显得更为重要。
由于铜线的导热导电性、价格、机械强度均优于金线，目前金线键合改为铜线键合已经成为各大封测企业的发展方向，但是铜线键合过程中，压不上粘铝比例较高，严重影响了键合效率和封装良率。
通过分析对比，发现铜线键合过程中框架的轻微抖动使原本材质较硬的铜球与压区的结合更加困难，本论文主要通过对铜线键合压不上和粘铝的调查、分析、改善来降低异常比例，从而提升键合效率和封装良率，保证客户满意。
关键词：键合；铜线；压不上；粘铝一、引言铜线在成本、导热导电性和可靠性方面的优异表现，铜线键合已经逐步开始代替金线键合，但是在金转铜过程中，由于铜线较硬且易氧化，导致的压不上、粘铝、弹坑等异常较多，本文主要通过对A产品金线转铜线后键合不稳定进行研究和改善，以提高键合效率和封装良率，A产品在键合由金丝转为铜线后出现压不上粘铝异常，异常图片如图1.2，异常比例约占1.3%，封装良率97.43%，严重影响了键合效率和封装良率。
A产品芯片较大，其中两个压区在芯片边缘，由于框架的不平整和框架连筋处受到压板的压力，键合过程中基岛边缘部分容易轻微翘起或者出现轻微的抖动，同时观察A产品出现压不上的均在边缘压区。
A产品键合过程中压不上粘铝产品确认在轨道里压合状况时，发现框架无翘起情况下，由于装片材料不导电胶在键合高温下质地较软，容易发生形变，导致芯片会容易晃动，增加焊球与压区的结合难度。
三、异常研究及改善对A产品键合过程中压不上和粘铝问题在参数&材料方面进行了如下改善和验证：3.1DOE参数优化试验结果设计DOE试验对键合参数进行优化A产品键合异常，键合功率区间为30~55，键合压力区间为10~40，最优的结果为压不上粘铝比例0.83%，不能稳定生产。
3.2装片材料由Epoxy改为刷胶A产品的装片材料由Epoxy改为刷胶，键合压不上粘铝比例约0.15%，改为刷胶后：1、刷胶&Epoxy弹性模量对比：刷胶在200.04℃时弹性模量是2.136*108Pa，Epoxy在199.88℃的弹性模量是126.8MPa=1.268*108Pa<刷胶的弹性模量，说明刷胶相对于Epoxy在键合高温时形变量更小，更有利于压区与焊球的结合。
半导体和线路板链接铜线工艺
半导体和线路板链接铜线工艺半导体和线路板之间的链接通常涉及到焊接或其他电连接工艺。
以下是一般的半导体和线路板连接的铜线工艺：
1.焊接技术：
•表面贴装技术 (SMT)：在表面贴装技术中，半导体芯片（例如集成电路）的引脚通过焊接连接到线路板的表面。
这通常涉及使用焊膏和回流焊炉。
焊膏中包含的焊料在回流焊炉中被加热，使其融化并形成连接。
•插件技术 (PTH)：在插件技术中，引脚穿过线路板的孔，然后通过波峰焊接或手工焊接与线路板的底面连接。
2.线缆连接：
•金线连接 (Wire Bonding)：在芯片和线路板之间使用金线进行微弱的焊接连接。
这是常用于集成电路和封装之间的连接。
•铜线连接 (Copper Wire Bonding)：类似于金线连接，但使用铜线进行连接。
铜线连接在一些应用中取代金线，因为铜价格较低。
3.球栅阵列（BGA）连接：
•球栅阵列技术：BGA是一种常见的封装技术，其中焊球连接芯片和线路板。
这些焊球通常是铅锡合金，通过回流焊接或其他热连接工艺来实现。
4.导电胶连接：
•导电胶连接：使用导电胶将半导体芯片固定在线路板上，同时提供电连接。
这种方法通常用于一些特殊应用，例如柔性电子设备
的制造。
在执行这些连接工艺时，需要确保工艺的精准性和可靠性，以确保电子组件的正常运行和连接的稳定性。
此外，焊接过程中的温度和时间控制非常重要。
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。
探究功率晶体管封装中铜丝键合工艺的可靠性
要的作用，是芯片与铜线之间的连接点，因此键合铝层的质
量直接影响到芯片的输出稳定性。在键合过程中金属球产生
的冲击力力主要由铝层吸收，以此保障焊接后芯片与框架引
脚具有良好的导电性且铝层下的硅片不会被焊球破坏。
铜线在芯片上的焊接如图1所示
图1 铜线在芯片上的焊接
铜线材质较金线材质硬度大，因此想要降低金属球对
作环境温度以及键合压力都有严格的要求。如果在键合过 程中环境温度没有达到金属的熔点，就会导致在键合后无 法得到金属间化合物。
此外，球焊键合的可靠性主要受到焊点的金属间化合 物的生长状态所影响。在键合过程中，焊盘与键合之间形 成一定数量的金属间化合物，但是一旦金属间化合物的数 量过多，就会造成电阻增加，进而导致焊点位置热量增 加。而焊点位置温度上升反而会加快金属间化合物的生长速 度，再次增加电阻。这种恶性循环会导致焊点的失效。因此 金属间化合物对于铜丝键合的可靠性有着关键性的作用。
金属间化合物的数量增加会提升电阻主要是由于金属 化合物的电阻能力分别高于化合物中的两种金属电阻能 力。此外将两种金属焊接在一起时，其中一种金属会朝着 另一种金属进行快速扩散，而两种金属的扩散速度并不相 同，这就导致在扩散速度较快的金属中出现大量的空位。 而这种空位会表现为在金属上形成很多孔洞。如果进行金 铝键合时，金的扩散速度要高于铝，因此键合之后，金的 一侧会出现大量的空位，形成孔洞。进而导致接触面积减 少，电阻增加。在铜丝键合技术中需要降低这一问题出现 的情况[4]。 3.2 金-铝金属间化合物与铜-铝金属间化合物的对比
金-铝的金属间化合物主要有五种，分别为AlAu、 Al2Au、AlAu2、AlAu4、Al3Au5。这五个金属间化合物形成过 程中其体积变化程度并不相同，电阻率也相对较低。而这 几种材料在高温或者长时间使用之后会有键合强度减少， 材质变脆、在界面位置出现裂缝以及增加电阻等问题。进 而导致设备出现开路或者导电性能降低等情况。此外， AlAu2在使用过程中由于金的扩散速度快，会在焊点位置形 成黑色的环形孔洞，这种情况会导致焊接强度变低，最终 造成器件失效。这也是使用金丝进行金铝热压焊的失效的 原因之一。而铜丝键合的效果与金丝不同，由于铜丝的金 属间化合物生长速度较慢，这就保证在铜丝键合中其电阻 率较小，产生的热量也相对较低，明显的提高了铜丝键合 设备的可靠性。 3.3 金属间化合物的产生效率分析
试谈半导体铜线工艺流程
试谈半导体铜线工艺流程首先，半导体铜线工艺流程的第一步是材料准备。
在这一步骤中，需要使用高纯度的铜材料，以确保制造出的铜线具有良好的导电性能和稳定的性能。
同时，还需要进行材料的预处理、清洗和表面处理，以确保铜材料的表面光滑和清洁，为后续的加工工艺做好准备。
接下来，是制备铜线的加工工艺。
在这一步骤中，首先需要将铜材料通过拉丝机进行拉丝加工，将铜材料拉制成所需直径的铜丝。
随后，需要进行铜丝的成型、切割和整形加工，以制备成所需规格和尺寸的铜线材料。
然后，是铜线的表面处理和包覆工艺。
在这一步骤中，需要对铜线进行表面涂层处理，以提高其抗氧化、耐腐蚀和焊接性能。
同时，还需要对铜线进行包覆加工，以保护其表面不受外界环境的影响，同时增强其连接性能和耐用性。
最后，是铜线的测试和检验工艺。
在这一步骤中，需要对制备好的铜线进行严格的测试和检验，以确保其性能和质量符合要求。
测试包括导电性能、抗拉强度、耐腐蚀性能等方面的检测，以确保铜线符合半导体器件的制造标准和要求。
综上所述，半导体铜线工艺流程是一个复杂而重要的半导体制造工艺，包括材料准备、加工工艺、表面处理和包覆、测试和检验等多个环节。
只有经过严格的工艺流程和质量监控，才能制备出高质量的半导体铜线，确保半导体器件的性能和可靠性。
半导体铜线工艺流程在半导体制造中扮演着至关重要的角色。
铜线是半导体器件中不可或缺的一部分，用于连接不同的元件和传输电信号。
为了确保半导体器件的性能和可靠性，铜线的制备必须经过严格的工艺流程和质量监控。
在进行半导体铜线工艺流程时，首先需要精心挑选适用的铜材料。
通常采用高纯度的铜材料，以确保铜线具有较低的电阻率和良好的导电性能。
在今天的半导体制造工艺中，通常使用电沉积铜（EDC）或铜箔作为主要的铜材料。
在选择和准备铜材料之后，需要进行表面处理，以确保其表面的平整度和纯净度。
这一步骤是至关重要的，因为表面的光滑度和清洁度直接影响着铜线的导电性能和成型质量。
半导体铜线键合工艺研究
芯片设计行业的技术壁垒和晶圆制造行业的资金壁垒决定了，在现阶段，封装测试行业将是中国半导体产业发展的重点。
近些年来,半导体芯片的开发和生产技术发展非常迅速，单个芯片的内部连线数已增加到600线以上，而且每个内部连线允许焊接的区域也随之缩小到44微米。所有这些关键的技术参数的改变，都意味焊线工艺技术需要有一个全面的改进和提升以适应新要求，焊线工艺全面改进和提升将包括相应焊线关键原材料的改进，工艺参数的优化和全面质量控制。
1.2
在半导体芯片后段封装工艺中，用金属线将半导体芯片上的电极焊盘与引线框架内引脚连起来的这个工艺过程叫做焊线工艺。
焊线工艺是一个最为重要而且具有挑战性的工艺环节。传统的焊线工艺包括热超声焊，热压焊，超声楔焊。超声波压焊(Wire Bonding)是一种初级内部互连方法，用作连到实际的裸片表面或器件逻辑电路的最初一级的内部互连方式，这种连接方式把逻辑信号或芯片的电讯号与外界连起来。其它的初级互连方式包括倒装芯片和卷带自动焊接(TAB)，但是超声波压焊在这些连接方法中占有绝对优势，所有互连方式中有90%以上都是用这种方法。在这个数字中又有约90%采用金线超声波压焊，其余的则使用铝及其它贵金属或近似贵金属的材料。
键合丝主要应用与晶体管、集成电路等半导体器件和微电子封装的电极部位或芯片与外部引线的连接。铜键合丝由于其较高的电导率，优良的力学性能和热学性能，在很大程度上提高了芯片频率和可靠性，适应了低成本、细间距、高引出端元器件封装的发展，成为替代传统键合丝的最佳材料。早在10年前，就有人试着用铜线代替金丝作为半导体球焊的引线材料，但当时由于工艺有缺陷，对该工艺研究不是非常熟悉，在生产过程中控制不好，引起产品质量有缺陷，并且由于当时对产品的体积、密度要求、电流特性要求不是非常高，球焊间距也相对较大，对铜丝替换金丝的要求不是太迫切。但随着近年来对产品成本、质量、电流密度的要求越来越高，金丝占整个产品比例越来越高，对铜丝成熟替换金丝的迫切需求也越来越明显摆在半导体器件生产厂家的面前。按照2011年世界封装材料市场的统计：2011年全世界封装材料市场的规模达到了228亿美元。而其中键合丝的市场规模大概占整个材料市场的18.9%，仅次于刚性封装基板，位于十一种封装材料的第二位。
键合铜线性能及键合性能研究
键合铜线性能及键合性能研究键合铜线性能及键合性能研究摘要：键合铜线是一种广泛应用于电子器件中的材料，其线性能和键合性能对器件的性能和可靠性具有重要影响。
本文通过对键合铜线的性能和键合过程的研究，探讨了键合铜线的特性及其在电子器件中的应用。
关键词：键合铜线，线性能，键合性能，电子器件引言键合铜线是电子器件中常见的一种连接线材料，具有良好的导电性和导热性。
电子器件通常通过键合工艺将导线与器件芯片连接起来，以实现信号传输和电源接驳。
由于键合铜线在器件中的重要作用，其性能和键合性能对器件的性能和可靠性影响巨大。
一、键合铜线的线性能键合铜线的线性能包括电导率、电阻率、电流容量和热传导性能等方面。
1. 电导率：键合铜线具有良好的电导率，可以有效传输电流。
2. 电阻率：键合铜线的电阻率直接影响其导电性能，低电阻率有利于减小线路的功耗。
3. 电流容量：键合铜线的电流容量取决于其横截面积，较大的横截面积可以承受更大的电流。
4. 热传导性能：键合铜线具有良好的热传导性能，能够迅速将热量传导到散热器或其他散热设备。
二、键合铜线的键合性能键合性能是指键合铜线在键合过程中的可焊性、可靠性和可重复性等方面的表现。
1. 可焊性：键合铜线的可焊性是指其在键合过程中与其他材料的焊接牢固程度。
优良的可焊性可以确保键合铜线与器件芯片之间的电气连接可靠。
2. 可靠性：键合铜线的可靠性是指其在使用过程中的稳定性和耐久性。
键合铜线需要能够长时间稳定地传输信号和电流。
3. 可重复性：键合铜线的可重复性是指在大量制造过程中，不同批次的键合铜线的性能保持一致。
良好的可重复性有助于提高生产效率和产品品质。
三、键合铜线的应用键合铜线广泛应用于各类电子器件中，如集成电路、芯片组件、电子封装等。
1. 集成电路：在集成电路中，键合铜线用于连接芯片与封装基座，实现电气连接和信号传输。
2. 芯片组件：键合铜线可用于连接芯片与其他组件，如电源、传感器等，实现芯片功能与外部电路的连接。
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中国本土的大型封装测试企业为以下几个，各有特点：通富微电最直接享受全球产能转移；长电科技在技术上稳步发展、巩固其行业龙头地位，产业规模全球第七；华天科技依托地域优势享受最高毛利率的同时通过投资实现技术的飞跃。
在半导体分立器件行业中，封装成本占了很大比例，而传统球焊材料金丝在其中占了封装成本的较大比例。由于近几年国际金价等原材料价格不断上升，电子产品的小型化发展趋势越来越明显，分立器件产品的引脚数不断增加，电流特性的增大、焊线丝的变多，导致金丝材料在分立器件产品成本中的所占比例越来越大。而铜金属相对金而言，成本只是金价的1/5000，并且从材料特性上来看，铜丝的热传导性和导电性能比金好，可以考虑用铜丝代替金丝。但因为铜线容易被空气中的氧气氧化，易引起接触不良，并且铜硬度较高，只要克服了这些困难就可以大批量的用铜线代替金线，节约大量的成本。
Thesemiconductor industry inthe development process,gradually fine division, and semiconductor packagingindustry has also become a occupy a larger proportion ofsemiconductor products in the industry, how to improve the efficiency and performance, semiconductor packagingcost reduction, is placed in front of all of oursemiconductor industry personnel. Along with the productI/O port number, bonding the semiconductor packagealso occupy a great proportion, adopt new materials in the bonding process, new technology, in order to ensure the product performance and reliability, reduce the cost of the materials, is an industry trend. Instead of the original with gold as the wire, the wire material and technology, with the development of equipment and technology, has become possible, since there are large differences between gold and copper material prices,many companies and researchers have devoted great energy, trying various aspects, after years of research,with the experience accumulation,JCETtechnology has made a great breakthrough in this respect.
全球半导体产业整体成长放缓，产业结构发生调整，产能在区域上重新分配。半导体产业发达地区和不发达地区将会根据自身的优势在半导体产业链中有不同侧重地发展。封装产能转移将持续，外包封装测试行业的增速有望超越全行业。
芯片设计行业的技术壁垒和晶圆制造行业的资金壁垒决定了，在现阶段，封装测试行业将是中国半导体产业发展的重点。
April, 2014
在当今21世纪，半导体产业蓬勃发展，半导体IC和半导体器件已经在各行各业广为使用，从卫星通信、军事产品、信息工业至普通家用产品、小家电，同时伴随着半导体产业和器件的发展，人们的生活愈来愈便捷和智能。
半导体产业在发展的过程中，分工逐渐精细，而半导体封装产业也成为了一个在半导体产品中占据较大比例的产业，如何能够提高半导体封装的效率和性能，降低成本，就摆在了所有半导体产业人员面前。随着产品的I/O口变多，半导体封装中的键合成本也占据着较大比例，在键合中采取新的材料，新的工艺，在保证产品性能和可靠性的前提下，降低材料成本，是产业发展的一个趋势。
论文答辩日期2014年6月7日
答辩委员会主席林明
评阅人
2014年4月22日
分类号：TLeabharlann 606密级：公开学号：103030005
工学硕士学位论文
（工程硕士）
半导体铜线键合工艺研究
学生姓名
汤振凯
指导教师
朱志宇教授
江苏科技大学
二O一四年四月
A Thesis Submitted in Fulfillment of the Requirements
学校代码：10289
分类号：TN606
密级：公开
学号：103030005
江苏科技大学
专业硕士学位论文
（在职攻读专业学位）
半导体铜线键合工艺研究
研究生姓名汤振凯
导师姓名朱志宇
申请学位类别工程硕士
学位授予单位江苏科技大学
学科专业电子与通信工程
论文提交日期2014年4月19日
研究方向半导体元器件的球焊工艺
关键词球焊；焊接工艺；封装；铜线球焊；可靠性
Abstract
Intwenty-firstCentury, the semiconductor industry withdevelopment, ICand semiconductor device has been widely used in all walks of life to carry out, from the satellite communications, military products,informationtechnologyindustry and ordinary household products,small household electrical appliances, accompanied by the development of the semiconductor industry and devices, people's life more and more convenient and intelligent.
键合丝主要应用与晶体管、集成电路等半导体器件和微电子封装的电极部位或芯片与外部引线的连接。铜键合丝由于其较高的电导率，优良的力学性能和热学性能，在很大程度上提高了芯片频率和可靠性，适应了低成本、细间距、高引出端元器件封装的发展，成为替代传统键合丝的最佳材料。早在10年前，就有人试着用铜线代替金丝作为半导体球焊的引线材料，但当时由于工艺有缺陷，对该工艺研究不是非常熟悉，在生产过程中控制不好，引起产品质量有缺陷，并且由于当时对产品的体积、密度要求、电流特性要求不是非常高，球焊间距也相对较大，对铜丝替换金丝的要求不是太迫切。但随着近年来对产品成本、质量、电流密度的要求越来越高，金丝占整个产品比例越来越高，对铜丝成熟替换金丝的迫切需求也越来越明显摆在半导体器件生产厂家的面前。按照2011年世界封装材料市场的统计：2011年全世界封装材料市场的规模达到了228亿美元。而其中键合丝的市场规模大概占整个材料市场的18.9%，仅次于刚性封装基板，位于十一种封装材料的第二位。
随着设备技术的发展，采用铜丝代替原来的金丝作为焊丝，已经成为了可能。由于金和铜的材料价格存在着较大差异，很多公司和研究人员投入了很大精力，进行各方面的尝试，经过多年的研究，长电科技已经在这方面取得了较大的突破。
本文主要研究用铜丝代替传统的金丝材料，采用新的技术和工艺参数，运用DOE试验法，找到了最佳的铜线球焊的工艺参数（主要是球焊功率、球焊压力、球焊时间）窗口，加上设备的改进（原有将焊线高温熔化时加上氢气和氮气保护装置），并将做出来的成品与原来的产品进行性能和可靠性的比较，发现铜线球焊产品的主要电性能参数与原来金线产品的参数分布一致，可靠性能还能避免原有的金铝合金的脆化现象，推进了半导体封装产业和半导体器件的不断发展。
for the Degree of Master of Engineering
Researchof semiconductor copper wirebonding process
Submitted by
Tang Zhenkai
Supervised by
ProfessorZhu Zhiyu
Jiangsu University of Science and Technology
Keywordswire bonding;bondingtechnology; packaging;copper ball bonding,reliability;
第一章
1.1
随着半导体技术和产品的发展，摩尔定律接近失效的边缘。半导体产业链上IC设计、晶圆制造、封装测试各个环节的难度不断加大，技术门槛也越来越高，资本投入越来越大。由单个企业覆盖整个产业链工艺的难度显著加大。半导体产业链向专业化、精细化分工发展是一个必然的大趋势。