江苏科技大学工程硕士学位论文
低20％工艺参数窗口增大60%，并保持焊点剪切强度不变。 4.3.2 键合压力温度时间
键合工艺参数除超声能量以外，键合温度、键合压力以及键合时间等对焊点性能也有着很大的影响。键合压力控制着铜球变形量，对焊点形貌影响很大。键合压力又决定了铜球底部与焊盘的实际接触面积，对焊点连接强度有着很大的影响。在超声施加之前用一个较大的压力使铜球充分变形，并在超声能量施加后适当减小键合压力以减轻对芯片的损伤。两阶段的压力大小比例在2~4：1左右。
键合时间的长短会引起焊点尺寸、连接强度的变化。时间过短，能量输入不足，焊点连接不充分；时间过长，能量输入过大，铜球变形过于严重，内部出现滑移、重结晶等现象，还可能引起焊点连接疲劳效应，另外焊点和焊盘之间产生较有影响的内应力，给铜球焊点可靠性带来隐患。如果铜丝表面出现较多的氧化物时，可以适当加长键合时间，以保证充分去除氧化物。
键合温度的主要作用有：软化金属表面上的氧化层，确保金属氧化物层在较小的载荷下被撕裂开来；软化金属本身，使得它们在外力作用下更容易发生塑性变形；促进连接面上金属原子的扩散能力；提供除键合能量、压力等以外的能量，促进键合过程的顺利进行。铜丝球焊中，过高的键合温度会加重铜丝的氧化，不利于连接并对产品的可靠性产生不良影响；但过低的键合温度不能保证铜球焊点的连接强度。
针对超声功率以及键合压力对铜球焊点质量的影响作了相应研究，结果表明在适当范围内，铜球焊点的剪切力及直径随超声能量的增大而增大，而焊点剪切强度随之减小；键合压力对铜球焊点剪切力的影响不明显，但对铜球焊点外形有较大影响。随着键合压力的增大，铜球焊点直径增大，剪切强度下降．过大或过小的键合压力都可能导致芯片出现芯片损伤[8]。
4.4 铜线
铜材料在常温下极易氧化，在温度高于40℃的环境中氧化速度更快，并因没有自保护能力而向纵深发展。铜丝球焊工序中有许多场合的环境温度远高于40oC，铜丝的氧化将不可避免并导致铜丝可焊性的退化。铜丝组织结构对第二焊点的形状、强度也有较大的影响。研究发现铜丝球焊第二焊点的形状主要由铜丝晶粒尺寸与铜丝直径的比例所决定的，如果在铜丝横截面上能同时存在数个晶粒并相互交错将能获得可靠的第二焊点。另外当铜丝晶粒尺寸与铜丝直径不匹配时会削弱铜丝拉弧的稳定性。以上问题对铜丝制造工艺提出新的要求。通过掺杂、回火工艺可以使铜丝的机械性能、晶粒组织发生改变，从而提高其可焊性。
16
第四章 铜线超波球焊工艺的几个重要因素
4.5 焊盘
金属焊盘作为芯片电路与外界电路联系的窗口，承担着传送电流、疏散热量等任务，在键合过程中还须能有效缓冲外界压力以保护芯片不受损伤。目前焊盘材料多为铝及铝合金焊盘。铝焊盘表面易形成氧化物，对焊点连接有一定的影响，铝焊盘上氧化物层厚度若超过20nm会严重降低焊盘的可焊性能。采用等离子清洗法对焊盘上氧化物及污染物进行表面处理，发现焊盘表面的微观组织有所改变，焊盘表面上的氧成分明显减少。这种方法可以有效去除焊盘表面的氧化物及污染物，但会对焊盘周围的散热层造成一定的伤害。
随着电子技术的不断发展，铝焊盘不能很好的满足更快、更可靠的电学性能要求，因此铜丝与铜焊盘的直接连接形式成为新的发展方向。铜焊盘的主要优势在于低电阻率、低电迁移、高响应速度等，铜焊盘的应用对丝球焊工艺提出挑战，其关键问题就是如何防止铜焊盘被氧化。裸露的铜焊盘表面极易形成氧化物层，如果铜焊盘上氧化物层超过5 nm后其可焊性将大大削弱。通过研究发现铜焊盘上的氧化物萌生于晶粒边缘区域并向内部逐渐发展，其氧化速度与晶面取向有关。铜焊盘上氧化面积超过10％ ~20％时，焊盘可焊性将明显下降。针对以上问题，在铜焊盘上加上保护层，键合过程中再利用超声振动将保护层去除，实现铜丝到铜芯片的直接连接而不需要中介层的过渡。现行发展的保护层材料有金属材料、有机材料和无机材料，研究发现在铜焊盘上覆盖有机材料进行防氧化保护可以获得性能很好的铜球焊点，连接后铜焊盘上的有机材料能被充分去除，形成的铜焊点连接强度高。
4.6 本章总结
在实现铜线球焊的过程中，涉及到的设备和工艺参数的要求都比较高，在利用铜丝的优良的电性能达到产品的优质性能时，也同时需要解决铜线不耐氧化和硬度高的问题。通过各项工艺参数和设备的调整，可以使铜线球焊工艺达到一个较高的性能水平。
- 17 -
江苏科技大学工程硕士学位论文
第五章 铜线工艺设备和参数的优化调整
5.1 引言
前面一章介绍的是铜线工艺涉及到的各个因素，由于材料不同，相比于传统的金丝球焊工艺，需要调整和优化设备和工艺参数，根据该工艺的特性，需要制定不同的检验质量标准。本一章对调整的具体参数、如何调整，成品的性能和可靠性方面进行研究，找到最为合理的工艺要求和检验标准，并检验了产品的性能和可靠性。
5.2 铜线焊接工艺要求
5.2.1 焊接位置
1.焊接面积不能有1/4以上在芯片压点之外，或触及其他金属体和没有钝化层的划片方格；
2.在同一焊点上进行第二次焊接时，重叠面积不能大于之前焊接面积的1/3； 3.引线焊接后与相邻的焊点或芯片压点相距不能小于引线直径的1陪。 5.2.2 焊点状况
键合面积的宽度不能小于引线直径的1倍或大于引线直径的3倍； 焊点的长度不能小于引线直径的的1倍或大于引线直径的4倍；
不能因为缺尾而造成键合面积减少1/4，丝尾的总长度不能超出引线直径2倍； 键合的痕迹不能小于键合面积的2/3，且不能有虚焊和脱焊； 焊球大小：焊球的直径应该大于2倍金线直径，小于4陪金线直径。 焊球厚度：焊球的厚度应该大于1.2倍金线直径，小于2.5倍金线直径。 5.2.3 弧度要求
最低：第一点的高度应该高出低二点的高度，形成第一由点到第二点的抛物线形状； 最高：不能高出晶片本身厚度的2倍。 拉力控制： 5.2.4 焊线要求
引线不能有任何超过引线直径1/4的刻痕，损伤，死弯等；
引线不能有任何不自然拱形弯曲，且拱丝高度不小于引线直径的6倍，弯曲后拱丝最高点离芯片的距离不应小于2倍引线直径；
不能让引线下垂，在芯片边缘上或其距离小于引线直径的1倍；
18
第五章 铜线工艺设备优和参数的优化调整
引线松动而造成相邻两引线间距小于引线直径的1倍或穿过其他引线和压点； 焊点预引线之间不能有大于的30度的夹角。 5.2.5 芯片外观
不能因为键合而造成芯片的开裂，伤痕和铜线短路；
芯片表面不能因为键合而造成的金属熔渣，断丝和其他不能排除的污染物； 芯片压点不能缺丝，重焊或未按照打线图的规定造成错误键合。 5.2.6 键合强度
对于25 um线径拉力应该大于5g，23 um线径拉力应该大于4g，30um铜线线径拉力应该大于7g（当做破坏性试验时，断点不应该发生在焊点上）； 对于25 um线径要求铜线剪切力度大于25g；
框架不能有明显的变形，管脚，基底镀层表面应该致密光滑，色泽均匀呈白色，不允许有沾污，水迹，异物，发花，起皮，起泡等缺陷。
5.3 铜线材料的性能
铜丝与金丝相比具有明显的优势，采用铜丝超声键合不但可以大大降低器件制造成本，提高竞争优势，而且铜丝各种优良的性能也加速了其在电子封装业的应用。铜丝优良的性能主要表现在以下几个方面： 5.3.1 铜线的力学性能
键合丝的力学性能，即丝的破断力和伸长率对引线键合的质量起关键作用。由表5.1可以看出，铜丝与同规格的金丝(99.99％)相比力学性能优良，具有高的伸长率和破断力，由此，可在模压和封闭过程中得到优异的球颈强度和较高的弧线稳定性。并且在满足相同焊接强度的情况下，可采用直径更小的铜丝来代替金丝，从而可使引线键合的间距做得更小。此外，铜的杨氏模量比金的大40，使其能更好地控制引线长度，减少下垂和变形。对于铜键合丝，丝材长度可超过5.08mm，长间距键合时比金丝更容易控制。
- 19 -
江苏科技大学工程硕士学位论文
表5.1 铜丝和金丝的机械性能数据
Table 5.1 Mechanical properties of the Cu wire and Au wire 直径（um) Cu 伸长率/% 破断力/g 伸长率/% 破断力/g 22 8-16 5-10 2-8 3-7 25 8-16 8-15 2-10 6-12 28 10-20 10-20 2-11 7-15 30 10-20 12-22 2-12 8-18 38 10-20 20-30 2-13 12-24 50 15-25 40-55 2-16 20-40 Au 5.3.2 铜线的电性能
封装材料的电性能直接决定芯片的技术指标。随着芯片频率的不断提高，对封装中导体材料的电性能提出了更高的要求。铜丝具有优良的电性能，电阻率为1．673x10-8 ohm·m，是优良的导体；而金的电阻率为2.4 x10-8 ohm·m，比金线高出33％。另外，铜丝的熔断电流和抗电迁移性能比金丝要高，用其替代金丝可进一步提高芯片可靠性。 5.3.3 铜线的热学性能
铜的热学性能明显优于金和铝，因此能以更细的焊丝直径达到更好的散热性能及更高的额定功率。随着芯片密度的提高和体积的缩小，芯片制造过程中的散热是设计和工艺考虑的一个重要内容。在常用封装材料中，铜比金和铝的传热性能都好，被广泛用于电子元器件的生产制造中。并且铜的热膨胀系数比铝低，因而其焊点的热应力也较低，大大提高了器件的可靠性。另外，铜丝与金丝焊点相比，铜丝焊点中的金属间化合物(IMC)生长速度显著减缓，降低了电阻增加量和产热，提高了器件的可靠性。金属间化合物的导电性差、硬度高，所以金属间化合物的存在与发展会影响电路键合点处的可靠性，应控制其生长。
通过实验比较发现，Cu／Al金属间化合物的生长比在Au／Al中缓慢得多，用铜丝替代金丝可改善键合点处金属间化合物的不良影响。研究发现Cu／Al扩散速度缓慢的原因有2个：铜原子的激活能力高，原子间距离短，扩散过程中需要更多的能量来克服原子束缚力。铜丝的氧化与防氧化保护造成铜线焊接性能差的主要原因是铜线表面的污染与氧化。铜线表面的污染问题一般可采用离子清洗法和过程控制来解决，而对于氧化问题则必须采用增加保护气体来处理。铜的氧化有2种情况：一种是在室温下由于其外表面长期与空气接触而产生的氧化现象，其成分为Cu20，反应式为：4Cu+02--2Cu20；另一种是在焊接加工过程中高温作用下铜与氧气发生的反应，其成分为CuO，反应式为：2Cu+02—2CuO。铜线在焊接过程中存在这2种氧化物，影响了铜线的焊接性能。因此，在焊接过程中必须采取措施进行处理和保护。
为了提高铜线的焊接性能，焊接过程中采用了增加还原和保护气体的方法：在焊
20