銅鍵合絲資料學(xué)習(xí)文獻(xiàn)綜述

1、銅鍵合絲摘要：簡(jiǎn)要介紹了目前市場(chǎng)中使用的各種鍵合絲，通過(guò)與鍵合金絲的對(duì)比，重點(diǎn)描述了鍵合銅絲在各方面的優(yōu)勢(shì)，以及制備銅絲的基本過(guò)程和影響因素、銅絲的織構(gòu)等，并簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)外關(guān)于鍵合銅絲的部分專利，最后對(duì)目前鍵合銅絲所面臨的一些困難作了總結(jié)，并指出了今后研究的方向。1 鍵合絲鍵合絲主要應(yīng)用與晶體管、集成電路等半導(dǎo)體器件和微電子封裝的電極部位或芯片與外部引線的連接。雖然現(xiàn)在有不用鍵合絲的鍵合方法，但目前90%的ic的產(chǎn)品仍以鍵合絲來(lái)封裝。鍵合絲焊接點(diǎn)的電阻，在芯片和晶片中所占用的空間，焊接所需要的間隙，單位體積的導(dǎo)電率，鍵合絲的延展率，化學(xué)性能，抗腐蝕性能和冶金特性等特性必須滿足一定的要求才能得

2、到良好的鍵合特性。具體來(lái)說(shuō)，用于鍵合的鍵合金屬絲應(yīng)該具有如下特性：尺寸精度要高且 均勻、不彎曲；表面光潔，沒(méi)有沾污，沒(méi)有傷痕；具有規(guī)定的拉斷力和延伸率；焊接時(shí)焊點(diǎn)沒(méi)有波紋；球焊時(shí)熔球的正圓度要高1。元素周期表中過(guò)渡族金屬元素中，金銀銅鋁等四種金屬元素具有較高的導(dǎo)電性能，同時(shí)兼有上述性能，可以做為集成電路微電子封裝用的鍵合絲。表1列出了這四種金屬材料的基本性質(zhì)，包括電導(dǎo)、熱導(dǎo)、彈性模量等。表1 金銀銅鋁基本性質(zhì)比較。超大規(guī)模集成電路引線鍵合，使用最多的導(dǎo)電絲材料是金絲。鍵合金絲是指純度為99.99%，線徑為1850的高純金合金絲，通常采用球焊-楔焊方式鍵合，并常用于塑料樹(shù)脂封裝。鍵合金絲直徑一般

3、在2050之間，由于大部分使用在高速自動(dòng)鍵合機(jī)上，最高速焊機(jī)每秒可完成710根鍵合線，因此要求金絲具有均勻穩(wěn)定的機(jī)械性能和良好的鍵合性能。為適應(yīng)自動(dòng)化規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)要求每軸絲的長(zhǎng)度在300，500或1000m，國(guó)外的微細(xì)絲已達(dá)到2000m，甚至3000m。國(guó)內(nèi)主要的生產(chǎn)研制單位有4家：山東賀利氏招遠(yuǎn)貴金屬材料有限公司，常熟特種電子材料廠，昆明貴金屬研究所，北京有色金屬與稀土應(yīng)用研究所等，年供應(yīng)金絲量約1800kg。在陶瓷外殼封裝的高可靠集成電路中, 多采用鋁絲(含有少量的硅或鎂)作為鍵合引線材料。因?yàn)殇X絲具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱能力和抗蝕性，易于與集成電路芯片的鋁金屬化布線形成良好的鍵合, 并且很穩(wěn)

4、定, 也易于拉制成細(xì)絲, 且價(jià)格比金絲便宜得多。目前硅鋁絲主要有日本田中公司(新加坡)生產(chǎn)的硅鋁絲, 該公司生產(chǎn)的硅鋁絲基本能滿足應(yīng)用。國(guó)產(chǎn)硅鋁絲的主要問(wèn)題是硬度不一, 表面氧化層過(guò)厚等, 不能獲得高質(zhì)量的鍵合引線。由于工藝條件限制, 國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)大批量生產(chǎn)的工廠。銅鍵合絲由于其高的電導(dǎo)率，優(yōu)良的力學(xué)性能和熱學(xué)性能，在很大程度上提高了芯片頻率和可靠性，適應(yīng)了低成本、細(xì)間距、高引出端元器件封裝的發(fā)展，成為替代傳統(tǒng)鍵合絲的最佳材料。目前，只有日本、美國(guó)、瑞士等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家能開(kāi)發(fā)出銅鍵合絲產(chǎn)品，而我國(guó)對(duì)銅鍵合絲研究尚處在實(shí)驗(yàn)研究階段。2在目前的集成電路封裝中，鍵合金絲占據(jù)著絕大部分，鍵合鋁絲也只占了

5、很少一部分。據(jù)一份2005年的統(tǒng)計(jì)顯示3，鋁線鍵合封裝只占總封裝的5%，而銅線鍵合封裝才占不到1%的份額。盡管銅線封裝占據(jù)著很少的市場(chǎng)份額，但是由于其低廉的封裝成本和優(yōu)良的封裝特性，現(xiàn)在對(duì)其的研究不斷增加，并取得一系列重要進(jìn)展，有望在將來(lái)稱為市場(chǎng)的主流鍵合用絲。2 銅鍵合絲 2.1 銅鍵合絲的優(yōu)勢(shì)銅鍵合絲的成本引線鍵合中使用的各種規(guī)格的銅絲，其成本只有金絲的1/31/10。銅鍵合絲的力學(xué)性能鍵合絲的力學(xué)性能，即絲的破斷力和伸長(zhǎng)率對(duì)引線鍵合的質(zhì)量起關(guān)鍵作用，具有較高破斷力和較好伸長(zhǎng)率的絲更利于鍵合。高的破斷力能使絲抵抗一定的機(jī)械應(yīng)力，好的伸長(zhǎng)率使鍵合絲在打線鍵合時(shí)的成弧性好，一致性好，無(wú)塌絲現(xiàn)象

6、，從而提高半導(dǎo)體器件的可靠性。由表2可以看出，銅絲與同規(guī)格的金絲(99.99%)相比有優(yōu)良的力學(xué)性能4，它具有高的伸長(zhǎng)率和破斷力，這樣在模壓和封閉過(guò)程中可以得到優(yōu)異的球頸強(qiáng)度和較高的弧線穩(wěn)定性。并且在滿足相同焊接強(qiáng)度的情況下，可采用更小直徑的銅絲來(lái)代替金絲，從而使引線鍵合的間距可以做得更小。此外，銅的楊氏模量比金大40%，這就使得其能更好的控制引線長(zhǎng)度，減少下垂和變形。對(duì)于銅鍵合絲，絲材長(zhǎng)度可超過(guò)200mil(1mil=0.0254mm)而直線度總偏差不足1.5mil，在長(zhǎng)間距鍵合時(shí)比金絲更容易控制5。表2 鍵合銅絲與金絲的力學(xué)性質(zhì)比較。銅鍵合絲的電學(xué)性能封裝材料的電學(xué)性能直接決定了芯片的性能

7、指標(biāo)，隨著芯片頻率不斷提高，對(duì)封裝中的導(dǎo)體材料的電性能提出了更高的要求。銅的電導(dǎo)率比金高出近40%，比鋁高出近2倍。在承受相同電流時(shí)，銅絲截面積比金絲小，這樣在微間距封裝中就可以采用更細(xì)的焊線，其微間距應(yīng)用性能優(yōu)異(焊墊尺寸較小)，提高了功率調(diào)節(jié)器件的電流容量和性能。此外，銅絲的寄生電容比金絲小，由寄生電容引起的信號(hào)串?dāng)_也越小，信號(hào)在銅絲上傳輸?shù)乃俣缺仍诮鸾z上快，這對(duì)高速ic是非常有利的。因此，銅焊線更適用于多種高端、高速、微間距器件和引線數(shù)量更高、焊墊尺寸更小的元器件的封裝6。銅絲的熔斷電流和抗電遷移性能比金絲要高，用其替代金絲可進(jìn)一步提高芯片可靠性。銅鍵合絲的熱學(xué)性能銅的熱學(xué)性能顯著優(yōu)于金

8、和鋁，因此能夠以更細(xì)的焊絲直徑達(dá)到更好的散熱性能及更高的額定功率。隨著芯片密度的提高和體積的縮小，芯片制造過(guò)程中的散熱是設(shè)計(jì)和工藝考慮的一個(gè)重要內(nèi)容。在常用封裝材料中，銅比金和鋁的傳熱性能都要好，被廣泛地用于電子元器件的生產(chǎn)制造中。在對(duì)散熱要求越來(lái)越高的高密度芯片封裝工藝中，選取銅線來(lái)代替金線和鋁線是非常有意義的。并且，銅的熱膨脹系數(shù)比鋁低，因而其焊點(diǎn)的熱應(yīng)力也較低，大大提高了器件的可靠性。銅鍵合絲金屬間化合物生長(zhǎng)速度慢銅絲與金絲焊點(diǎn)相比，銅線焊點(diǎn)中的金屬間化合物(intermetallic)生長(zhǎng)速度顯著減小，這就降低了電阻增加量，減小了產(chǎn)熱，提高了器件的可靠性。瑞典larbiainouz,m

9、etallurgist等人研究了銅線作為互連材料在半導(dǎo)體封裝中的性能7。他們的研究表明，銅絲與金屬化層鍵合的匹配性及可靠性均相當(dāng)于或優(yōu)于金絲和鋁絲。在鍵合過(guò)程中，影響焊接成型以及焊接可靠性的一個(gè)關(guān)鍵因素是焊絲與金屬化層之間的金屬間化合物(imc)的增長(zhǎng)速率。鍵合時(shí)，焊絲與金屬化層的擴(kuò)散速度越低，使得接觸電阻越低，金屬間化合物的增長(zhǎng)速率就越低，產(chǎn)生的熱量就少，從而提高了鍵合強(qiáng)度，并最終提高了焊接可靠性和器件性能。圖1顯示了銅球和金球在鋁焊盤上的金屬化層滲透現(xiàn)象8。從圖中我們可以看出銅絲球焊的金屬間滲透明顯低于金絲球焊，這就使得電阻隨時(shí)間的增加量和老化速度同時(shí)得到減小，產(chǎn)熱量更小，封裝壽命更長(zhǎng)，這

10、也就為大功率分立封裝帶來(lái)了超一流的可靠性。圖1 銅球和金球在鋁焊盤上的金屬化層滲透2.2 鍵合銅絲制備過(guò)程及影響因素單晶銅鍵合絲是利用單晶銅優(yōu)異的塑性加工性能加工而成的超細(xì)線材，可以作為生產(chǎn)集成電路、大型計(jì)算機(jī)以及電子儀器所需的高級(jí)原材料。由于單晶銅材料具有連續(xù)的柱狀晶組織，減少或消除了晶界，避免了鑄造過(guò)程的縮孔、縮松等缺陷，在很大程度上提高其可拉性，可滿足將其加工至直徑為0.03mm0.09mm甚至更細(xì)小規(guī)格的鍵合絲。單晶銅鍵合絲拉制過(guò)程中，從坯料到成品其工藝過(guò)程較復(fù)雜，主要有坯料、模具、潤(rùn)滑、清洗和張力控制等幾個(gè)工藝過(guò)程。制備過(guò)程中，應(yīng)注意如下因素的影響9：（1）坯料的組織不均，純度不高及

11、存在缺陷，直接影響鍵合絲性能。單晶銅具有均勻組織，高的純度且避免了缺陷，能夠保證銅鍵合絲性能。（2）模具定徑區(qū)的不圓整或存在缺陷，會(huì)造成鍵合絲表面起皮、劃傷，或造成鍵合絲表面嚴(yán)重污染等缺陷。（3）潤(rùn)滑劑濃度為要適當(dāng)，一般為0.4%-0.8%，潤(rùn)滑劑的稀釋采用去離子水，超聲波清洗時(shí)其功率要合適，清洗液采用無(wú)水酒精代替純水。（4）單晶銅鍵合絲制備過(guò)程中，張力較大會(huì)造成鍵合絲的應(yīng)力集中，張力過(guò)小導(dǎo)致放線不暢，熱處理過(guò)程中張力過(guò)大會(huì)造成鍵合絲的卷曲和扭轉(zhuǎn)。2.3 銅鍵合絲的組織與微織構(gòu)織構(gòu)的存在可能對(duì)絲球鍵合及楔形鍵合產(chǎn)生一定的影響。首先是不同晶體學(xué)方向上彈性模量的差異，如銅單晶的e100=91，e1

12、11=165，e110=137，不同取向單晶的應(yīng)力應(yīng)變曲線也顯示了很大的差異。銅絲中織構(gòu)為主時(shí)，絲的剛度大加工硬化率高，形變抗力大，鍵合時(shí)劈刀攜帶銅絲快速“沖擊”可能對(duì)硅芯片造成損傷。相反，取向晶粒形變抗力小，可能降低絲本身的強(qiáng)度，即降低拉拔強(qiáng)度。此外，不同晶體學(xué)方向?qū)崮芰Σ煌?，形成自由球時(shí)柱狀晶內(nèi)的織構(gòu)也可能不同。組織或形變不均勻性也會(huì)造成影響。鍵合后絲內(nèi)既有原始細(xì)晶組織，也有熱影響區(qū)粗晶組織，還有粗大柱狀晶，性能也不同。圖2 鍵合銅絲取向成像圖圖2為某原始銅絲橫截面上取向成像的結(jié)果。中心區(qū)和邊緣區(qū)為/拉拔軸的取向(黃色)，而兩區(qū)域之間為取向?yàn)橹鞯木Я?紅色)。圖2(b)為晶界類型分布?？?/p>

13、見(jiàn)紅色的孿晶界主要分布在取向晶粒附近。從取向差分布(圖2(c)可見(jiàn)，孿晶關(guān)系的比例并不高?？梢钥闯?，原始銅絲內(nèi)存在中心及邊緣的織構(gòu)和它們之間的強(qiáng)織構(gòu)，孿晶主要分布在取向晶粒區(qū)10。2.4 國(guó)內(nèi)外專利世界上較早取代金絲的鍵合銅絲的專利是yoshinaga yasuhiko; kurihara kenichi; mukoyama koichiro等人1986年發(fā)明的用于半導(dǎo)體器件的鍵合銅絲11。通過(guò)把微量的zr, nb, pd, ag, in, 和 sn等元素中的一種或兩種以上的元素與高純銅混合，得到了可以替代金絲的銅鍵合絲。其具體組分為5-50ppm zr, 5-50ppm nb, 10-100

14、ppm pd, 10-100ppm ag, 10-100ppm in, and 10-100ppm sn中的一種或兩種以上的元素，微量元素總量為5-150ppm，然后是重量分?jǐn)?shù)為99.99%以上的高純銅。日本的sanki sadahiko等人通過(guò)添加很少量的特殊元素到高純銅中，得到了一種較為柔軟的，可以大大減少鍵合損害的鍵合銅絲12。其基本組成為：0.0002到0.002wt.%的稀土元素或zr元素，99.9999wt.%的高純銅。這種銅絲可以防止鍵合中si裂紋的形成，改善環(huán)紋特性和阻止球頸處晶粒的生長(zhǎng)。寧波康強(qiáng)電子股份有限公司的房躍波，鄭志法，鄭康定等發(fā)明了一種鍵合銅絲及其制備方法13，其材

15、料配方重量百分比為：鈰0.00050.001，鋅或錫0.00030.0008，余量為銅，銅的純度99.996；鍵合銅絲的制備方法，它包括：用純度為99.99wt的銅電解提純出純度為99.999wt的銅；經(jīng)金屬單晶水平連鑄方法制作出純度為99.9999wt的單晶銅；制作中間合金；按材料配方將純度為 99.9999wt的單晶銅與中間合金經(jīng)金屬單晶水平連鑄方法制作出本鍵合銅絲的坯料；拉伸；退火；分卷；真空包裝。韓國(guó)的sung-joon won，oh min kwon，sung mun lee等人申請(qǐng)了一種半導(dǎo)體封裝用的鍵合銅絲專利14，專利中指出該鍵合絲由含量為99.999%的高純銅和含量在20wt

16、 ppm至100wt ppm之間的p或nb中的至少一種，以及含量在1wt ppm至100wt ppm之間的zr、sn、be、nd、sc、ga、fr和ra中的一種或幾種組成。添加元素的總量嚴(yán)格限制在20wt ppm至200wt ppm之間， 高純銅的含量大于或等于99.98%。這種鍵合銅絲可以防止鍵合過(guò)程中金屬擠壓、芯片縮孔等現(xiàn)象發(fā)生。最近日本的uno tomohiro等人發(fā)明了一種適合半導(dǎo)體鍵合用的銅合金絲15。這種銅合金絲有較低的成本，優(yōu)越的球結(jié)合形狀和線連接特性，以及好的環(huán)紋形成特性和優(yōu)越的生產(chǎn)率。合金絲的基本組分為：總量為10wt ppm至700wt ppm的mg和p中的至少一種，6wt

17、 ppm至30wt ppm范圍內(nèi)的o，余量為銅。3 結(jié)束語(yǔ)3.1 目前面臨的困難盡管銅絲與金絲相比有很大的優(yōu)越性，而且國(guó)內(nèi)外都有關(guān)于鍵合銅絲的專利產(chǎn)生，但是目前銅絲球焊所占引線鍵合的比例依然很少，主要是銅絲球焊技術(shù)面臨著一些困難：（1）銅具有極強(qiáng)的親氧性，容易被氧化，需要還原氣體保護(hù)，鍵合工藝不穩(wěn)定。（2）對(duì)環(huán)境有特殊需要，空氣中的氧氣和濕度以及鍵合時(shí)的溫度都會(huì)對(duì)銅線產(chǎn)生影響。（3）銅的硬度、屈服強(qiáng)度等物理參數(shù)高于金和鋁，鍵合時(shí)需要施加更大的超聲能量和鍵合壓力，這樣容易對(duì)硅芯片造成損傷甚至是破壞，所以對(duì)芯片鍵合區(qū)的鋁層厚度有一定的要求。（4）銅具有較強(qiáng)的親氧性，因此必須對(duì)銅焊線進(jìn)行保護(hù)以延長(zhǎng)其

18、保存期。為此各卷銅焊線均應(yīng)采用吸塑包裝，并在塑料袋內(nèi)單獨(dú)密封，不可常時(shí)間與空氣接觸。（5）銅線在焊線過(guò)程中對(duì)efo電壓和電流有一定的要求，對(duì)劈刀也有特定要求，部分機(jī)器使用銅線后會(huì)降低uph值，容易產(chǎn)生斷線和對(duì)劈刀的堵塞。3.2 今后努力的方向針對(duì)以上的各種困難，應(yīng)從以下幾個(gè)方面對(duì)鍵合銅絲開(kāi)展研究工作：（1）優(yōu)化銅鍵合絲的微合金化成分配方及工藝；（2）開(kāi)展定向凝固連續(xù)鑄造銅棒材工藝技術(shù)研究；（3）進(jìn)行銅鍵合絲微細(xì)拉拔及熱處理工藝研究；（4）進(jìn)行銅鍵合絲的加工、顯微組織及其性能的關(guān)系研究；（5）完成銅鍵合絲性能分析檢測(cè)技術(shù)和方法；（6）開(kāi)展銅鍵合絲鍵合工藝及鍵合設(shè)備的研究。3.3 前景展望最初人們

19、開(kāi)發(fā)銅鍵合線的動(dòng)機(jī)主要是為了降低鍵合線的成本，而目前人們更加關(guān)注的是它的優(yōu)良特性。盡管銅作為鍵合線存在一定的不足之處，但是，正是因?yàn)樗哂泻芏嚯妼W(xué)和機(jī)械等方面的優(yōu)勢(shì)，所以人們一直還在關(guān)注研究這種鍵合線，隨著高級(jí)ic封裝技術(shù)的發(fā)展，銅鍵合存在的問(wèn)題將逐漸得到解決，銅作為鍵合線材料是將來(lái)電子封裝的必然趨勢(shì)。所以在今后的半導(dǎo)體封裝市場(chǎng)上，我們還會(huì)看到越來(lái)越多的銅鍵合器件。參考文獻(xiàn)：1 引線鍵合工藝與材料，錫焊料，2001年11月2 田春霞，電子封裝用導(dǎo)電絲材料及發(fā)展，稀有金屬，第27卷第6期，2003年11月3 han martin buschbeck, the future is copper.4

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