第五章 铜线工艺设备优和参数的优化调整
接过程中，加入保护性气体防止氧气与铜发生反应，同时还加入适量的氢气作为还原气体以去掉铜表面的Cu20，其反应式为：Cu20+H2—2Cu+H20。保护性气体采用95％N2+5％Hz作为还原气体，加在易出现氧化的EF0烧球点与工作台的芯片加热区域，流量一般为1 L／rain左右，而流量的大小主要视铜球的氧化颜色与铜球的焊接形状而定，太大会出现高尔夫球情况，太小则会影响保护作用。 5.3.4 铜线优势
（1）价格优势：引线键合中使用的各种规格的铜丝，其成本只有金丝的1/3－1/10。 （2）电学性能和热学性能：铜的电导率比金的电导率大，同时铜的热导率也高于金，因此在直径相同的条件下铜丝可以承载更大电流，使得铜引线不仅用于功率器件中，也应用于更小直径引线以适应高密度集成电路封装；
（3）机械性能：铜引线相对金引线的高刚度使得其更适合细小引线键合； （4）焊点金属间化合物：对于金引线键合到铝金属化焊盘，对界面组织的显微结构及界面氧化过程研究较多，其中最让人们关心的是\紫斑\（AuAl2）和\白斑\（Au2Al）问题，并且因Au和Al两种元素的扩散速率不同，导致界面处形成柯肯德尔孔洞以及裂纹。降低了焊点力学性能和电学性能，对于铜引线键合到铝金属化焊盘，研究得相对较少，在同等条件下，Cu/Al界面的金属间化合物生长速度比Au/Al界面的慢10倍，因此，铜丝球焊焊点的可靠性要高于金丝球焊焊点。
1992年8月，美国国家半导体公司开始将铜丝球焊技术正式运用在实际生产中去，但目前铜丝球焊所占引线键合的比例依然很少，主要是因此铜丝球焊技术面临着一些难点：
（1）铜容易被氧化，键合工艺不稳定，
（2）铜的硬度、屈服强度等物理参数高于金和铝。键合时需要施加更大的超声能量和键合压力，因此容易对硅芯片造成损伤甚至是破坏[2]。
5.4 试验材料及方法
采用热压超声键合的方法，分别实现Au引线和Cu引线键合到Al-1％Si-0.5％金属化焊盘，对比考察两种焊点在200℃老化过程中的界面组织演变情况，焊点力学性能变化规律，焊点剪切失效模式和拉伸失效模式，分析了焊点不同失效模式产生的原因及其和力学性能的相关关系。 5.4.1 球焊机设备与改进
键合设备采用K＆S公司生产的Nu-Tek丝球焊机，超声频率为120m赫兹，铜丝球焊时，增加了一套Copper Kit防氧化保护装置，为烧球过程和键合过程提供可靠的还原性气体保护（95％N25％H2），芯片焊盘为Al＋1％Si＋0.5％Cu金属化层，厚度为3μm。
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尽管在铜线保存过程中采取了足够的措施，使铜线不被氧化，但是在压焊过程中，当压焊机的打火棒对铜线线尾高压放电烧球时，铜球仍然能够在高温下被氧化，生成氧化铜，被氧化的铜球不仅坚硬，压在芯片上容易压伤芯片，而且与芯片表面的钝化铝层不能熔合成化合物，形成虚焊，因此在打火烧球与焊接时，必须用惰性气体保护铜球，使之不被氧化。先前的压焊机都是以金线作为晶体管连线的，金线打火烧球时，金并不会氧化，针对铜线压焊易氧化的特点必须做一个特别的设计，在劈刀侧面加装一个塑料气管，塑料气管须耐200 ℃以上的高温，以免被焊接炉温熔化，并且不会干扰打火棒对铜线放电。塑料气管的作用在于引入惰性气体，使之吹向铜球，在铜球周围形成一个最优的惰性气体湍流环境，隔绝空气中的氧气，如下图5.1 所示。
图5.1 打火装置的改进
Fig5.1 The improvement of the Lighting
实际情况下，考虑到成本等因素，惰性气体使用99.99 %的氮气，并以95∶5 的比例与高纯氢气混合，形成还原气体，保证铜球周围没有氧气。还原气体中氢气的含量不能太高，否则容易引起自燃。还原气体均匀地吹向铜线线尾，为了保证铜球形成过程中不被氧化，气流量不能太小，但是如果气流量太大，则容易将线尾吹偏，影响打火烧球。经过试验，还原气体在2kg/cm2压力下流量为0.5～0.6cm3/min时形成的铜球较为理想，在40～80倍的显微镜下观察，线尾烧球之后形成的铜球颜色几乎保持铜线原色不变，如果铜球表面颜色变成紫色或者发黑，则说明有氧化，需要检查还原气体。当完成上述工作之后，进入设备调试，压焊机的超声频率不能改变，焊接炉温主要与芯片有关，因此只有通过改变超声功率、超声时间和超声时的压力来达到焊接目的。
5.4.2 用DOE试验法对铜线球焊参数进行改进
我们用DOE(design of experiment)方法对铜线球焊的工艺参数进行优化试验，试验材料如下表5.2所示：
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第五章 铜线工艺设备优和参数的优化调整
表5.2铜线球焊试验所用材料 Table 5.2 The material of the experiment 客户 封装形式 芯片 焊线 长电 TO-252(4R) 新顺B772M Cu wire: 42um(1.7mil) SPT: UTS-58LK-CM-1/16-XL 劈刀 H:58um Tip:250um CD:92um FA:8° 引脚焊线的布线图如下图5.2所示：
图5.2 布线图
Fig5.2 Wire Bonding Diagram
使用劈刀如下图5.3所示所示：
图5.3 劈刀外形 Fig5.3 Capillary
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DOE流程图如下图5.4所示：
图5.4 DOE流程图 Fig5.4 DOE follow diagram
DOE计划：
针对产品的球形标准，球的大小被定义为2- 4倍的焊线直径，球厚为40%-80%焊线直径，从而来找出合适的球焊参数，然后通过DOE进行参数优化(针对第一焊点）。 通过小组成员的讨论，找出主要的参数组合：推球、拉力、加热块温度（245℃）、时间、功率、压力。这些参数中，加热块温度是固定的，拉力和推球数据作为一个参数优化的输出结果，因此DOE试验可以分为三个因子，三个水平。另外说明：推球必须在保证无弹坑的前提下，拉力越大越好，用田口L9直交表可以满足试验的要求。
主要的参数和水平如下表5.3所示：
表5.3参数水平表 Table 5.3 Parameter Level
A：焊接时间Bond time (ms) B：功率Bond power(Dac) C：压力Bond force (g) 第一焊点 水平1 8 45 40 水平2 12 55 70 水平 3 16 65 100 备注：以上数据是根据球形质量标准在保证无弹坑的前提下提出的，同时通过DOE反
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第五章 铜线工艺设备优和参数的优化调整
向验证参数的合理性。
预先假设所选定的因子相互之间没有影响，因此得到下面的L9直交表。
表5.4 直交表L9 Table 5.4 orthogonal array L9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A 1 1 1 2 2 2 3 3 3 B 1 2 3 1 2 3 1 2 3 C 1 2 3 2 3 1 3 1 2
根据直交表对应参数表（第一焊点）
表5.5参数直交表L9
Table 5.5 orthogonal array L9 of parameter 1 2 3 4 5 6 7 8 9 焊接时间（ms） 8 8 8 12 12 12 16 16 16 焊接功率(dac) 45 55 65 45 55 65 45 55 65 焊接压力(g) 40 70 100 70 100 40 100 40 70 针对以上参数设置，做了9组试验，并进行了以下测量： 推球：样值: 20 balls /cell, 标准：推球的最小值＞55grams 拉力: 抽样: 20 wire/cell， 标准：拉力的最小值＞18grams
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