第一節(jié) 產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

金屬導(dǎo)線材料的選擇會影響到焊接質(zhì)量、器材可靠性等方面。理想的材料應(yīng)該達(dá)到下面的性能要求：可與半導(dǎo)體材料形成良好的接觸，化學(xué)性能穩(wěn)定，與半導(dǎo)體材料間有很強(qiáng)的結(jié)合力，導(dǎo)電性能良好，容易焊接，在鍵合過程中可以保持一定的形狀。黃金作為一種金屬，它化學(xué)性能穩(wěn)定，導(dǎo)電性能好，延展性能優(yōu)異，容易加工成絲，因此成為鍵合的首選材料。由于其優(yōu)異的性能，目前半導(dǎo)體封裝 行業(yè) 大多是采用金線鍵合。

但是由于黃金作為貴重金屬，具有明顯的稀缺性，價(jià)格昂貴，導(dǎo)致封裝成本高。隨著封裝技術(shù)的發(fā)展，銅絲價(jià)格低廉，機(jī)械、電子、熱學(xué)性能優(yōu)異，因此被認(rèn)為是金絲最好的替代品。與金絲鍵合工藝相比，采用銅絲鍵合在工藝上存在幾個(gè)主要的問題。首先是銅絲容易氧化，氧化后焊接難度大；第二是銅絲硬度高，在鍵合過程中容易對芯片形成損傷；第三是形球過程中銅球表面容易形成銅氧化物；最后在封裝后銅絲容易受到塑封材料中鹵化物的腐蝕。隨著世界黃金價(jià)格的不斷上漲，以及對銅絲物理、化學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，在高密度封裝要求以及半導(dǎo)體制造業(yè)成本的多重壓力之下，銅絲鍵合工藝面臨新的機(jī)遇。銅絲成本不到金絲成本的30%，這是絕對優(yōu)勢，也是推動工藝不斷進(jìn)步的最大動力。銅絲鍵合是目前半導(dǎo)體 行業(yè) 重點(diǎn)發(fā)展的一項(xiàng)新焊接技術(shù)，許多世界級半導(dǎo)體企業(yè)紛紛投入開發(fā)這種工藝。

根據(jù)2010年1月SEMI公布的銅引線鍵合的調(diào)查，有41％的半導(dǎo)體廠商使用銅引線鍵合。在銅引線鍵合的購買比例中，臺灣占到全球的39％，菲律賓占到全球的18％，日本占3％。銅引線鍵合的先行者—臺灣日月光ASE表示，“采用銅引線鍵合的封裝供貨量截至2010年9月累計(jì)達(dá)到了10億個(gè)，實(shí)現(xiàn)了不亞于金線的質(zhì)量”。另外，臺灣日月光集團(tuán)預(yù)計(jì)2010年底的累計(jì)供貨量將達(dá)到20億個(gè)，2010年底之前將購買4000臺銅引線鍵合裝置。從日月光ASE2010年第一季、第二季的財(cái)報(bào)上就可以明顯看出銅引線鍵合所帶來的毛利率提升效應(yīng)，第二季單季獲利大增36%，表現(xiàn)優(yōu)于預(yù)期。日月光ASE預(yù)計(jì)在2010年，銅引線鍵合芯片的出貨量將超過傳統(tǒng)的金絲鍵合芯片。

在目前的集成電路封裝中，金線鍵合仍然占據(jù)大部分，鋁線鍵合也只是占了較少一部分，據(jù)一份2005的統(tǒng)計(jì)顯示[8]，鋁線鍵合封裝只占總封裝的5％，而銅線鍵合大概也只有1％。盡管銅線鍵合占的份額較少，但是，人們對它的 研究 開始增加，并且，它的應(yīng)用范圍已經(jīng)迅速得到擴(kuò)大。市場的驅(qū)動要求芯片密度更高，功能更加復(fù)雜，價(jià)格更加低廉，功耗更低，這使得封裝向著細(xì)間距，多引腳，小焊盤，小鍵合點(diǎn)發(fā)展，在這樣的封裝技術(shù)趨勢下，銅線鍵合能構(gòu)更好的滿足人們對封裝的要求，這是因?yàn)殂~作為鍵合線比金鋁有更多的優(yōu)良特性。這包括以下幾點(diǎn)：

（1）成本可以降低。

金比銅貴3-10倍，最初用銅線鍵合鋁金屬化層是在十多年前，當(dāng)時(shí)黃金的市場價(jià)格波動得非常厲害。曾經(jīng)一度達(dá)到$800/金衡盎司（金衡盎司為歐美黃金計(jì)量單位，1金衡盎司=31.1034768克），而當(dāng)今的黃金價(jià)格也不過$260-$325/金衡盎司。目前金線鍵合長度超過5mm,引線數(shù)達(dá)到400以上，封裝成本粗略估計(jì)已經(jīng)超過0.20美元。對于1密耳焊線（1密耳=0.0254毫米），成本可以降低75％，2密耳焊線可達(dá)到90％，Cu和Au的封裝成本比較如下表所示。

Cu和Au的封裝成本比較

因此用銅線代替金線可為封裝公司節(jié)省不少成本。

（2）優(yōu)良的電和熱傳導(dǎo)特性。

銅線具有優(yōu)良的電性能,其電阻率較低為1.6μΩ/cm，銅的熱傳導(dǎo)的能力也優(yōu)于金，金的熱傳導(dǎo)率只有銅的60%-70%。在大功率和大電流器件中，銅鍵合應(yīng)用的特別廣泛，因?yàn)榈膶τ谕瑯又睆降逆I合線，銅比金和鋁可以承載更多的電流。銅比金的熱傳導(dǎo)率也高出25%左右，銅為385-401Wm-1K-1，而金的為314-318Wm-1K-1。因此銅線比金線更加容易將封裝中的熱散掉，這樣減少了它本身所受的熱應(yīng)力。過熱的話，會加速晶粒生長，這樣就降低了鍵合線的強(qiáng)度。銅的優(yōu)良熱傳導(dǎo)特性也使形成金屬熔球過程中鍵合線上的熱影響區(qū)域變少。熱影響區(qū)域變小將又利于形成一個(gè)好的拱線，拱線的好壞在堆疊的多芯片組封裝中是非常重要的。

（3）金屬間生長較少。

銅的一個(gè)突出優(yōu)良特性是它不容易跟鋁形成金屬間化合物，而金線的原子很容易跟鋁焊點(diǎn)互擴(kuò)散而形成金屬間化合物。這種互擴(kuò)散會在鍵合表面形成一些空洞，從而導(dǎo)致鍵合可靠性問題。另外金鋁之間形成的化合物非常脆弱，在當(dāng)存在熱-機(jī)械負(fù)載時(shí)，它就很容易遭破壞。有時(shí)金鋁間形成的化合物的電阻系數(shù)很大，那么當(dāng)有電流流過時(shí)，就會導(dǎo)致額外的熱產(chǎn)生，這些熱又導(dǎo)致更多的金屬間化合物產(chǎn)生，這將使熱產(chǎn)生和金屬間化合物的形成之間出現(xiàn)一個(gè)惡循環(huán)。

（4）高溫下鍵合點(diǎn)可靠度提高。

銅與鋁之間形成金屬間化合物需要的溫度要高于金。銅與鋁形成金屬間化合物的速度也只有金的四分之一。所以在高溫環(huán)境下，銅線比金線的可靠度更加高。

（5）機(jī)械穩(wěn)定性比較好。

有 研究 表明，銅比金有更好的機(jī)械穩(wěn)定性，一些標(biāo)準(zhǔn)鍵合力度測試（象拉線試驗(yàn)和剪力試驗(yàn)）表明：銅鍵合所承受的力度要比金高出20%-30%。在拉線測試過程中，被拉裂斷的是鍵合線，而不是鍵合點(diǎn)，這說明銅鍵合點(diǎn)的鍵合強(qiáng)度非常好。

（6）隨著硅片上銅互連技術(shù)的發(fā)展，銅與銅焊盤之間的鍵合有很多屬于單金屬間的鍵合，這樣不用擔(dān)心互擴(kuò)散，可以大大提高鍵合的可靠度。單金屬間鍵合更能進(jìn)一步縮小焊球間間距。常用的鍵合方法為楔形鍵合以及球鍵合，楔形鍵合較球形鍵合技術(shù)成熟一些。另外，隨著硅片上銅金屬化，如果用金線鍵合的話，金比銅較硬，所以鍵合時(shí)為了避免產(chǎn)生彈坑必須調(diào)整鍵合參數(shù)，而用銅線鍵合將不用擔(dān)心這以問題，但是銅線與硅片上的銅金屬化區(qū)域直接鍵合這種技術(shù)在商業(yè)應(yīng)用上還不多間，這主要是由于硅片上的銅金屬化區(qū)域的防氧化問題難以得到解決。

第二節(jié) 產(chǎn)品工藝特點(diǎn)或流程
 

第三節(jié) 國內(nèi)外技術(shù)未來發(fā)展趨勢 分析

當(dāng)今，全球的IC制造商普遍采用3種金屬互連工藝，即：銅絲與晶片鋁金屬化層的鍵合工藝，金絲與晶片銅金屬化層的鍵合工藝以及銅絲與晶片銅金屬化層的鍵合工藝。近年來第一種工藝用得最為廣泛，后兩者則是今后的發(fā)展方向。

1、銅絲與晶片鋁金屬化層的鍵合工藝

近年來，人們對銅絲焊、劈刀材料及新型的合金焊絲進(jìn)行了一些新的工藝 研究 ，克服了銅易氧化及難以焊接的缺陷。采用銅絲鍵合不但使封裝成本下降，更主要的是作為互連材料，銅的物理特性優(yōu)于金。特別是采用以下’3種新工藝，更能確保銅絲鍵合的穩(wěn)定性。

（1）充惰性氣體的EFO工藝：常規(guī)用于金絲球焊工藝中的EFO是在形成焊球過程中的一種電火花放電。但對于銅絲球焊來說，在成球的瞬間，放電溫度極高，由于劇烈膨脹，氣氛瞬時(shí)呈真空狀態(tài)，但這種氣氛很快和周圍的大氣相混合，常造成焊球變形或氧化。氧化的焊球比那些無氧化層的焊球明顯堅(jiān)硬，而且不易焊接。新型EFO工藝是在成球過程中增加惰性氣體保護(hù)功能，即在一個(gè)專利懸空管內(nèi)充入氮?dú)?，確保在成球的一瞬間與周圍的空氣完全隔離，以防止焊球氧化，焊球質(zhì)量極好，焊接工藝比較完善。這種新工藝不需要降低周圍氣體的含氧量，用通用的氮?dú)饧纯桑虼私档土顺杀尽?/span>

（2）OP2工藝：銅絲球焊和金絲球焊的正常焊接溫度為175-225℃。在該溫度范圍內(nèi)，銅線很快被氧化，如果表面沒有保護(hù)層就無法焊接。所以需要進(jìn)行抗氧化的表面處理形成可靠的可焊接表面層。

（3）MRP工藝：絲焊鍵合工藝的有限元模型的建立為焊接材料和工具圖形的效果提供了新的認(rèn)識。通過金絲焊球和銅絲焊球的變形而產(chǎn)生的壓力圖形比較，可以看出在銅絲球焊過程中的底層焊盤的力要大一些。同樣高度的銅、金焊球，銅焊球的焊接壓力大，硬度明顯高于金，但比金焊球容易變形。硬度和模量是焊絲的主要參數(shù)。為降低其硬度，以前人們是依靠采用純度高達(dá)99.999%或99.9999%的銅，因?yàn)榧兌鹊蛣t硬度高。

目前最新的方法是結(jié)合專利的焊接和焊絲制造工藝，在降低模量的同時(shí)提高了焊接質(zhì)量和產(chǎn)量。MRP工藝可以提高銅焊點(diǎn)的拉伸強(qiáng)度，一般對于10um直徑的Cu來說，采用MRP的焊接強(qiáng)度可達(dá)5-6g，若不采用MRP，焊接強(qiáng)度僅有1-2g。此外，還可改善由細(xì)直徑焊接頭和細(xì)間距劈刀產(chǎn)生的銅球焊接點(diǎn)的失效模式。

2、金絲與晶片銅金屬化層的鍵合工藝

焊區(qū)間距降低到55um以下后，金絲球焊工藝可以代表許多元器件銅金屬化互連的整體級別。金是貴金屬，不需要球成型的保護(hù)性氣體。然而未受保護(hù)的晶片金屬化銅在正常工藝溫度下易氧化。因此，在組裝工藝即劃片、芯片粘結(jié)、熱固化以及絲焊鍵合過程中，需要加入特殊的清洗、保護(hù)性表面處理和OP2工序中以防金屬化銅的氧化。試驗(yàn)證實(shí)，銅絲焊球的形狀及剪切強(qiáng)度在銅金屬化焊盤上與鋁金屬化焊盤上的質(zhì)量一樣。但是金、銅的擴(kuò)散率明顯低于金-鋁。金-銅金屬間的化合成型較低，很少出現(xiàn)空洞，因而可靠性高于金-鋁。

3、銅絲與晶片銅金屬化層的鍵合工藝

元器件的工作速度是銅絲與晶片銅金屬化層的鍵合工藝發(fā)展的主要驅(qū)動力。銅楔焊是在室溫下進(jìn)行的焊接工藝，而球焊接則需要提高溫度來輔助焊球成型。楔焊接的一個(gè)主要缺點(diǎn)是其焊接速度低于球焊接。然而，目前較新型的楔焊機(jī)在生產(chǎn)率和精確度方面都取得了顯著的提高，可達(dá)到每秒5根絲的生產(chǎn)速率，而且焊絲間距為50um。因此，這種銅絲與晶片銅金屬化層的鍵合工藝能滿足最佳功能與特性設(shè)計(jì)要求。其中：（1）有超長或跨接鍵合絲的封裝設(shè)計(jì)，焊絲直徑小于20um。（2）金絲直徑小于17um時(shí)，其阻抗或電阻特性很難滿足一些封裝要求，而銅絲的導(dǎo)電率比金絲高，直徑也小于金絲；（3）銅絲具有超強(qiáng)的電特性，可滿足數(shù)據(jù)傳輸速率和射頻要求。

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