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半导体封装行业中铜线键合工艺的应用


第10卷.第8期
V01.10.NO.8

电子与封装
ELECTRONlCS&PACKAGING
一、

总第88期 2010年8月

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半导体封装行业中铜线键合工艺的应用
毕向东
(广东省粤晶高科股份有限公司,广州510663)

摘要:文章介绍了半导体封装行业中铜线键合工艺下,各材料及工艺参数(如框架、劈刀、设 备参数、芯片铝层与铜材的匹配选择)对键合质量的影响,并总结提出如何更好地使用铜线这 一新材料的规范要求。应用表明芯片铝层厚度应选择在0.025mill以上;劈刀应使用表面较粗糙 的;铜线在键合工艺中使用体积比为95:5的氢、氮气混合保护气体;引线框架镀银层厚度应控
制在0.03 mm-0.06mm。

关键词:铜线;引线键合;键合质量;工艺管控 中图分类号:TN305.94 文献标识码:A 文章编号:1681—1070(2010)08—0001—04

Application of Copper Wire Bonding Technology in Semiconductor
BI Xiang—dong

Packaging Industry

(Guangdong Yuejing

High—tech Co.Ltd,Cmangzhou

510663,China)

Abstract:Copper wire bonding techniques in semiconductor packaging industry was introduced in this paper.including effects of material application conditions and processing parameters,such
as

lead frame,

capillary,equipment parameter setup,and matching of die pad with copper wire

on

bonding quality.The
on

process criterion was determined and seggested,which indicated that aluminum layer be thicker than 0.025mm;capillary should be selected
as

die pad should

the rougher surface;the volume proportion for

protected gas in process ofH2 andN2 should be 95:5;andthe thickness of silverlayer in lead flame should be controlled in the range ofO.03 mm-O.06mm. Key words:copper wire;wire bonding;bonding quality;process control

了一系列的成果。金线材料慢慢地被铜线材料所取


引言
半导体封装行业中,由于金的价格不断飙升,造

代,并被各大公司所接受使用,现铜线已出现在各公 司的不同系列产品中。本文主要介绍铜线键合工艺 的各影响因素对键合质量的影响,并提出较好的工 艺规范要求,为工业生产提供参考。

成成本不断提高,人们在寻找其他更合适的金属来 替代金线材料。由于铜线的导电性能好、成本低、最 大允许电流高、高温下的稳定性高等特点,其优势逐 步体现出来。各公司及研发机构均在进行铜线键合 应用的研发。研究者分别从理论(有限元仿真)[t-4]、 键合机理【5l、失效模式16I、工艺实现与参数优化限川等 各个方面对铜线键合工艺进行研究,近年来已取得



工艺技术

2.1应用 铜线的优势在于: (1)高的传导性;

收稿日期:2010?06—09

万方数据

第10卷第8期

电子与封装

(2)在较高的延伸率的情况下,能够保证较高 的强度; (3)好的弧形稳定性; (4)键合过程能够减少金属间化合物的形成; (5)在有惰性气体的保护下,键合时能够形成 一个比较好的球形。 表1为几种金属元素及其氧化物的物理性能对 比。铜线工艺对材料和设备的要求还不够成熟,再 加上铜材本身有以下缺陷: (1)铜在高温下容易氧化;

(2)相对其他线材铜线的硬度比较高(见表2)。 这使得各公司在使用铜线材料时总是需要面对 不良率、产能低、可靠性差等问题。要改进铜线应 用技术就必须在以下几个方面有所提升: (1)对材料的要求(包括框架镀层要求银镀层 的粗糙度); (2)对设备的要求; (3)对芯片的要求; (4)对铜线的要求; (5)混合气体的要求及工艺参数的设计管控。

表I几种金属元素及其氧化物的物理性能

表2各金属的硬度

≤0.005mm。框架中铜的比例不低于90%,使用过程 中框架要求预热温度在180"C-200"C、加热温度200℃ -230℃。最后要检查框架的引线脚是否压紧(可以考 虑在压板下面使用高温胶布来保证引线脚是否压平

2.2 2.2.1

工艺管控及技术要求 丝材控制 首先对新进的铜线要进行原材料检验,确认原材

紧),如引线脚没有压紧,在打线的过程中就无法保 证余尾长度,这样就影响了焊接的质量。

料的技术规格符合使用要求,包括线径、长度、含铜 比例、破断力及外观;外观包括包装的密封性、丝材 表面的颜色是否存在明显氧化或者明显的凹凸及划 伤、碰伤的痕迹,如图1。进料检查完后要入仓保存, 其保存条件要求在通氮气的专用氮气保存柜中,对柜 中湿度也要严格控制在50%以内。最后丝材在上机使 用时要明确规范在空气中的时间不能超过24h(视具 体的空间环境设定)。使用过程中要加氮气氢气保护 (95:5的比例混合)。人手处理过程中凡需要接触到丝 材的地方,需要带上防止污染的胶指套。 2.2.2引线框架控制 采购引线框架的过程中明确框架的镀层厚度, 一般适用于铜线的框架镀层厚度要求控制在O.03mm- 0.06mm以内。镀层的粗糙度要求控制在0.003mm≤Ra
.2.

图l铜线损伤情况示意图
2.2.3

混合气体的使用 在工业中使用的安全氢氮气体标准混合比例为

95:5,使用此比例的混合气体可以提高烧球后焊球的 质量,减轻氧化对焊球的影响,并有助于提高焊接的 质量。图2是在空气、氮氢气体中的铜球FAB外观, (a)图中FAB表面粗糙、球径小且含有气孔。烧球后 表面形成氧化铜,这样硬度就比金球大很多,在键合

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第1 0卷第8期

毕向东;半导体封装行业中铜线键合工艺的应用

过程中铜球可能穿透焊盘,直接对硅层造成伤害的 几率很大。这种没有保护气体形成的铜球FAB明显 不能满足键合生产要求,(b)图是在氮氢混合气体中 形成的铜球,FAB球形匀称,表面比较光滑,无严重 的氧化现象。另外不同的气体流量也是影响铜线球 形的重要因素,从图3、图4中可以明显看出不同流 速下的铜球形成后外形有着比较明显的差异。小流 速下的铜球带有明显的尖头,而大流速下的铜球有 一定的偏头现象,这两种情况都不利于键合连接,中 速的保护气体对铜球FAB的成形效果最好。所以不 同的线径所要求的混合气体的流量也是不同的。

图2烧球对比情况

图3不同气流量FAB

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图4主要参数不变气流量分析

2.2.4劈刀(即瓷嘴)

铜线键合工艺过程中,应选用表面更加粗糙的
.3.

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电子与封装

劈刀,如图5所示,其参数对比如表3所示。由表3 可知,表面粗糙劈刀的拉力和推球的CPK均有提高。 所以在铜线使用过程中劈刀的选择也是不可或缺的。

图6铜线键合工艺过程中芯片铝层损伤的典型情况

表4铜线键合的典型工艺参数
Pammeters of SOT

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25?4“m铜线
lst Bond 2nd Bond 30 l O 160 O 8 100 120 100 384 10

20-3“m铜线
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Standby Power Contact Time Contact Power Contact Force Power Delay Base Time BaseP ower Base Force

15 l 0 120 0 8 65 35 loo 384 8


120 O 8 120 120

W砘C】ar叩 图5劈刀表面粗糙程度对比
Force Search Speed

100

384
10

表3劈刀参数对比情况
表面光滑 打线测试数据 表面车|l糙 打线测试数据

Se觚:h Height
Power Mode Rise Tune Contact "ll,aeshold EFo Onrent E】’oTime EFO

八Const-I八Comt—P八Const—I八Comt-P
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推球:80(LSL),130(t甜get)拉力:15(LSL),35(target) 推球 拉力 推球 拉力

24 4000 1150 5

28

24 4000 1000 5

28

De崎

3 2.2.5芯片

结束语
在铜线超声引线键合工艺中,各因素之间存在

由于铜线的材质较硬,在打线过程中容易造 成芯片铝层击穿(如图6),所以应该选择铝层较厚 的芯片。基本应在两个方面做出管控: (1)芯片铝层的材质:铝层使用合金材质以提 高焊盘的硬度,这是提高铜线焊线质量、减少弹坑 的方法之一(可采用2.5 2.2.6工艺参数 为了做好铜线的实际应用,最后需要将以上条 件综合考虑,试验出一套适合自己设备、材料的工 艺参数,这是提高铜线质量的最优保障。表4为典 型的铜线键合工艺参数。
.4. u
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着相瓦制约、相互补偿的关系,找出各个因素间的 不同要求,理清这些关系可以保证铜线在使用过程 中的良好效果,在降低成本的同时,提升了半导体 封装行业中的封装品质。 参考文献:
【1 1 Dominiek
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(2)芯片铝层厚度的管控应大干0.025ram。

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technologies,2004,27(4):643-650.

(下转第13页)

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半导体封装行业中铜线键合工艺的应用
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 毕向东, BI Xiang-dong 广东省粤晶高科股份有限公司,广州,510663 电子与封装 ELECTRONICS AND PACKAGING 2010,10(8) 0次

参考文献(11条) 1.Dominiek Degryse.Bart Vandevelde.Eric Beyne Mechanical FEM simulation of bonding process on Cu / low-k wafers 2004(4) 2.Chang-Lin Yeh.Yi-Shao Lai.Jenq-Dah Wu Dynamic analysis of wire bonding process on Cu / low-k wafers 2003 3.Yong Liu.Scott Irving.Timwah Luk Thermosonic wire bonding process simulation and bond pad over active stress analysis 2004 4.宗飞.田艳红.王春青 Cu引线超声键合动态过程有限元模拟 2007(4) 5.田艳红.孔令超.王春青 芯片互连超声键合技术连接机制探讨 2007(1) 6.田艳红.杭春进.王春青 Cu丝超声球焊及楔焊焊点可靠性及失效机理研究 2006(2) 7.杨平.李春梅.周康武 微电子封装铜线键合的组织与微结构 2007(4) 8.Jian Chen.Doninick Degryse Mechanical Issues of Cu-toCu wire bonding 2004(3) 9.鲁凯.王春青.田艳红 Cu引线超声键合FAB工艺及影响研究 2008(4) 10.Sarangapani Murali.Narasimalu Srikanth Effect of wire diameter on the thermosonic bond reliability 2006(46) 11.Yanhong Tian.Chunqing Wang.Ivan Lum Investigation of Ultrasonic Copper WLre Wedge Bonding on Au/Ni plated Cu Substrates at Ambient Temperature 2007(12)

相似文献(7条) 1.期刊论文 陈新.李军辉.谭建平 芯片封装中铜线焊接性能分析 -电子机械工程2004,20(5)
通过对纯铜的机械性能和电、热和化学氧化性能进行分析和比较,铜线在芯片引线键合具有良好的机械、电、热性能,它替代金线和铝线可缩小焊接 间距,提高芯片频率和可靠性.但是,铜由于表面氧化使其可焊性较差,可采用焊接工艺来改善其可焊性,并给出了具体方案.

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3.期刊论文 范象泉.钱开友.王德峻.从羽奇.王家楫.FAN Xiangquan.QIAN Kaiyou.WANG Ted.CONG Yuqi.WANG Jiaji IC键合铜线材料的显微力学性能研究 -电子元件与材料2010,29(4)
用于IC(集成电路)的键合铜线材料具有低成本、优良的导电和导热性等优点,但其高硬度容易对铝垫和芯片造成损伤,因此对其硬度的测量是一项关 键技术.纳米压痕测量技术可以方便、准确地测量铜线材料的显微硬度值和其他力学性能参数.描述了纳米压痕测量技术的原理以及对铜线材料样品进行 纳米压痕测量的参数选择,进行了测量试验.结果表明,原始铜线、FAB(金属熔球)、焊点的平均硬度分别为1.46,1.51和1.65 GPa,为键合铜线材料的选择 和键合工艺参数的优化提供了依据.

4.期刊论文 陈宏仕 新型铜线键合技术 -电子元器件应用2007,9(5)
铜线以其良好的电器机械性能和低成本特点已在半导体分立器件的内引线键合工艺中得到广泛应用;但铜线的金属活性和延展性也在键合过程中容易 带来新的失效问题.文中对这种失效机理进行了分析.

5.期刊论文 Hong Meng Ho.Yee Chen Tan.Heng Mui Goh.Wee Chong Tan.Boon Hoe Toh.Jonathan Tan.Zhao Wei Zhong.Hong Meng Ho.Yee Chen Tan.Heng Mui Goh.Wee Chong Tan.Boon Hoe Toh.Jonathan Tan.Zhao Wei Zhong 铜引线键合中影响焊球硬度因素的研究 -电子工业专用设备2009,38(11)
铜丝球焊由于其经济优势和优越的电气性能近来得到了普及,然而,在引线键合工艺中用铜丝取代金丝面临着一些技术上的挑战.多年来,IC芯片焊盘 结构已经逐步适应了金丝球焊.铜在本质上比金硬度高,因此以铜线取代金线便引出了有关硬度的问题.研究了用25.4μm铜丝球焊中与键合机参数有关的 铜焊球硬度特性.采用电子打火系统不同的电流和打火时间设置.用5%氢气和95%氮气组成的惰性保护气体形成了一个典型的25.4 μm大小的铜焊球,研究

了维氏硬度的焊球.用实验设计建立了第一和第二键合参数,进行了无空气焊球基本数据调整.通过改变电子打火系统参数,对硬度特性进行了进一步的测 试.典型的键合球的大小和厚度的第一键合响应证实铜键合球的生产实力与电子打火系统的电流和打火时间有关.

6.期刊论文 王彩媛.孙荣禄.WANG Caiyuan.SUN Ronglu 芯片封装中铜丝键合技术的研究进展 -材料导报 2009,23(z2)
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7.学位论文 王辛 铜互连工艺中的铝接触块失效分析及其工艺整合优化 2005
传统封装中的引线键合工艺经相当成熟,所以在铜工艺IC的最后一层的接触块仍然保留传统的铝线工艺,以和后段引线键合工艺相整合。这种 AlPAD由于是与铜线相连,其加工技术比传统的铝互连接触块技术有了更高的要求,尤其AlPAD的阻挡层必须有更好的性能。如果AlPAD制造不佳,会影响 到后段的封装引线键合工艺,造成外接引线键合不牢,导致后段封装失效以至影响最终产品的使用可靠性。 本课题从分析铜制程实际生产中在后段AlPAD加3-32艺中遇到的扩散缺陷入手,主要研究了AlPAD边缘处的铝铜扩散缺陷,这些缺陷是由于铜穿过阻 挡层的薄弱点,扩散到AlPAD中,并且发生了电化学反应,严重时造成AlPAD的扩散腐蚀缺陷。 课题研究重点放在铜铝穿透阻挡层材料相互扩散造成的缺陷与机理,采用DOE方法从模拟的PAD的沟槽蚀刻、蚀刻后的表面清洗、高温脱附(degas)、 等离子体轰击清洗、阻挡层的形成,铝的物理气相沉积、高温合金等各道生产步骤。研究如何在铜工艺中形成符合要求的AlPAD,目标是找到优化工艺整 合的方法,以提高铜互连产品的最终良率和可靠性。 对模拟的AlPAD整合工艺合金化工艺进行研究发现:合金工艺会影响AlPAD,在高温升降循环条件下能增加铝铜扩散的缺陷,而在高温合金时间延长 四倍后依然观察不到缺陷。可以说明温度的升降循环次数比在增加高温时间更容易引发铝铜扩散现象。阻挡层在多次高温循环之后会产生更多缺陷,因 此可以用高温循环来作恶化实验的方法。 刻蚀工艺的优化研究中发现:如果试图调解沟槽的侧壁角度更加倾斜,以改善阻挡层在沟槽角落上的阶梯覆盖能力。经过观察,沟槽侧壁倾斜以后 PAD的表面与正常的蚀刻的两组条件结果并无明显的差异。另外在金属铝蚀刻后通入氧气,可以加快使AL表面更快形成氧化铝的保护层,通氧的PAD表面 更加平滑。最后研究比较了阻挡层沉积之前的不同清洗时间对AlPAD质量的影响,实验结果表明不同的清洗时间的AlPAD上没有发现典型的第一种缺陷。 所以蚀刻工艺可以影响改善AlPAD,但它不是最关键因素。 在PVD工艺研究中。首先,发现高的DCpower的工艺腔形成的阻挡层会更加致密,不会产生扩散缺陷,所以使用‘SIP型的工艺腔为最佳选择。研究发 现阻挡层沉积之前离子体轰击清洗工艺对AlPAD扩散缺陷有影响,发现过多的离子体轰击清洗会增强铜扩散。因为在阻挡层薄弱的侧壁上,过多的离子体 轰击清洗会溅射出更多的铜残留从而更易导致扩散缺陷。最后发现提高氮化钽阻挡层氮含量,会有效的抑制了铜铝扩散现象。 因此,选择适当的氮的氮化钽阻挡层配以适当的离子体轰击清洗的量,是优化AlPAD工艺的重要方面。

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