第五章 铜线工艺设备优和参数的优化调整
来就是推掉铜球比金球需要更大的力。在弧度中间勾住铜线垂直向上拉，直至扯断铜线的力就是拉力，同样在相同线径下，拉断铜线比金线的力大。剪切力和拉力都是检测焊线与芯片、框架结合的牢固程度,一般来说力越大越好，这样可以有效地防止加热和塑封过程中焊线脱焊的可能性。 5.5.2 弧度
弧度的作用在于保证焊线不与芯片、框架的其余部分接触，以及焊线之间不能相碰短路，由于铜线相对较硬，拉出同样的弧度，铜线往往比金线的弧度参数小，因而在压焊机上更容易拉起弧度。 5.5.3 可靠性
由于铜与铝之间比金与铝之间的扩散速率更接近,更不易产生Kirkendall 空洞,因而铜线连接比金线连接更可靠,通常铜线产品要经过高低温(-50～150o C) 试验、耐久性试验、功耗试验与高温贮存等试验，以检验铜线产品经过多次冷、热温度冲击、电冲击后，铜线产品的电参数、使用寿命等，最后判定铜线产品能够达到国家与企业的质量标准。 5.5.4 不良品
在铜线焊接中,最常遇到2 种不良品:一是由于铜球氧化、超声压力不够等原因铜球与芯片表面脱焊，使得晶体管的某两极之间呈现开路；二是由于铜球氧化后表面变硬、超声压力过大等原因，铜球压穿芯片表面钝化铝层，使芯片内部受伤，造成晶体管性能下降或损坏，这种情况下，用盐酸加双氧水腐蚀芯片表面的铝层后，可以看到芯片表面有一个凹坑，这时需要检查气体保护和重新设置超声能量和压力，另外铝层厚度在3μm以上，如果钝化铝层厚度低于2μm，那么也很容易损伤芯片。 5.5.5 金铜丝球焊焊点金属间化合物生长
丝球焊是在一定的温度和压力下，超声作用很短时间内（一般为几十毫秒）完成，而且键合温度远没有达到金属熔点，原子互扩散来不及进行，因此在键合刚结束时很难形成金属间化合物，对焊点进行200℃老化。金丝球焊焊点老化1天形成了约8μm厚的金属间化合物层，EDX成分分析表明生成的金属间化合物为Au4Al为和Au5AL2，老化时间4天时出现了明显的Kirkendall空洞，铜丝球焊焊点生成金属间化合物的速率要比金丝球焊慢很多，在老化9天后没有发现明显的金属间化合物，在老化16天时，发现了很薄的Cu/Al金属间化合物层（由于Cu和Al在300℃以下固溶度非常小，因此认为生成的Cu/Al相是金属间化合物），老化121天时其厚度也不超过1μm，没有出现kirkendall空洞。
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在温度、压力等外界因素一定的情况下，影响两种元素生成金属间化合物速率的主要因素有晶格类型、原子尺寸、电负性、原子序数和结合能。Cu和Au都是面心立方晶格，都为第IB族元素，而且结合能相近，但是Cu与Al原子尺寸差比Au与AL原子尺寸差大，Cu和AL电负性差较小，导致Cu/Al生成金属间化合物比Au/Al生成金属间化合物慢。
5.5.6 金铜丝球焊焊点剪切断裂载荷和失效模式
金、铜丝球焊第一焊点（球焊点）剪切断裂载荷随老化时间变化，可以看到，无论对于金球焊点还是铜球焊点，其剪切断裂载荷在很长一段时间内随老化时间增加而增加，随后剪切断裂载荷下降，这主要与不同老化阶段剪切失效模式不同有关，同时可以发现，铜球焊点具有比金球焊点更稳定的剪切断裂载荷，并且在未老化及老化一定时间内，铜球焊点的剪切断裂载荷比金球焊点好，老化时间增长后，铜球焊点剪切断裂载荷不如金球焊点，但此时金球焊点内部出现大量Kirkendall空洞及裂纹，导致其电气性能急剧下降，而铜球焊点没有出现空洞及裂纹，其电气性能较好。
对于金球焊点，剪切实验共发现了5种失效模式：完全剥离（沿球与铝层界面剥离）、金球残留、铝层断裂、球内断裂和弹坑，金球焊点剪切失效模式随老化时间的变化。未老化时，Au/Al为还没有形成金属间化合物，剪切失效模式为完全剥离，由于Au/Al老化过程中很快生成金属间化合物，失效模式在老化初期马上发展为以铝层剥离为主：随后，铝层消耗完毕，老化中期失效模式以金球残留为主，此时断裂发生在金属间化合物与金球界面；老化100天以后金球内部断裂急剧增加，成为主要失效模式，导致剪切断裂载荷降低。
对于铜球焊点，剪切实验共发现了4种失效模式：完全剥离、铜球残留、铝层断裂和弹坑。铜球焊点剪切失效模式随老化时间的变化，由于铜球焊点200℃时生成金属间化合物很慢，因此其剪切失效模式在老化较长时间内以完全剥离为主：弹坑随老化进行逐渐增多，尤其老化81天后，应力型弹坑大量增加，导致剪切断裂载荷下降，弹坑数量随老化时间变化，需要说明的是弹坑包括应力型弹坑和剪切性弹坑，应力型弹坑为剪切实验之前就已经存在的缺陷，而剪切型弹坑是由于接头连接强度高，在剪切实验过程中产生，因此只有应力型弹坑是导致剪切断裂载荷下降的原因，相对金球焊点，铜球焊点剪切出现弹坑较多，主要是因为铜丝球焊键合压力比金丝球焊大。 5.5.7 金铜丝球焊拉伸断裂载荷和失效模式
金、铜丝球焊拉伸断裂载荷随老化时间而变化，金丝球焊拉伸断裂载荷随老化时间变化不大，拉伸断裂模式以第一焊点和中间引线断裂为主。铜丝球焊拉伸断裂载荷随老化时间不断下降，由于铜的塑性比金差，而且铜丝球焊第二焊点键合压力比金丝球焊大很多，因此铜丝球焊第二焊点比金丝球焊变形损伤大，铜丝球焊拉伸时容易发
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第五章 铜线工艺设备优和参数的优化调整
生第二焊点断裂，第二焊点断裂又分为鱼尾处断裂（根部断裂）和焊点剥离（引线和焊盘界面剥离），铜丝球焊拉伸在老化初期为鱼尾处断裂，老化16天以后焊点剥离逐渐增多，主要是因为铜丝球焊老化过程中第二焊点被氧化，从而也导致拉伸断裂载荷下降[4]。
5.5.8 铜丝球焊产品的电性能
使用铜引线工艺后，除成本得到控制外，人们最为关心的是器件的电性能以下所列是对产品进行测试后得到的一些参数。产品是TO－126封装的CJ772。由表5.13可见(其中A代表使用1.5mil的金线，B代表使用1.5mil的铜线，C代表使用2mil的金线，D代表使用2mil的铜线)：使用铜线工艺后，饱和电压降各项逐渐减小了，性能更好。另外，铜线的参数离散性比金线好(即一致性好)，这说明使用铜线产品的稳定性和一致性比金线产品好。
表5.13：饱和压降数据
Table 5.13 data of saturation voltage drop 饱和压降vcesat（1A） A B C D 饱和压降vcesat（2A） A B C D 饱和压降vbesat（2A） A 1046 B 1022 C D 平均值 205.1 192.9 169.8 166.9 301.1 276.4 253.4 240.1 992.7 972.0
5.6 铜丝球焊产品的电性能可靠性
产品的质量好坏，除了要求产品的电性能好外，还要求产品具有很高的可靠性。在此同样以CJ772金线产品和铜线产品为例来进行常规可靠性试验，包括高压蒸煮试验、电耐久性试验、温度循环等等。通过试验可知在120oC，2个标准大气压下，将产品放置48小时高压蒸煮试验后，其漏电流Iceo,Iebo,Icbo等各项参数都有所降低，但高压蒸煮前后变化不大，离标准值相差还很远(近一个数量级)。饱和压降Vcesat、Vbesat的平均值也都有所下降，性能有所提高，一致性也更好。结果证明：20个样品高压蒸煮前后的各项饱和压降非常一致，最大偏差都在l％以内。耐久试验后漏电流Iceo,Icbo,Iebo各项的平均值下降不少，说明耐久试验后产品性能更加稳定。而BVCEO、VCESAT、Vf 平均值和离散性前后几乎完全一样。说明电耐久性试验对这些参数毫无影响。温度循环试验后，各样品管的各种参数基本一致，其变化都在l％的范围内。
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5.7 结论
（1）铜丝球焊焊点的金属间化合物生长速率比金丝球焊焊点慢得多，认为Cu与Al原子尺寸差Au与Al原子尺寸差大，Cu和Al电负性差较小是其本质原因。这点性能比金丝球焊的产品好。
（2）铜丝球焊焊点具有比金丝球焊焊点更稳定的剪切断裂载荷，并且在老化一定时间内铜丝球焊焊点表现出更好的力学性能。
（3）铜丝球焊焊点和金丝球焊焊点老化后的失效模式有较大差别。可靠性也优于金线球焊产品。
（4）但由于铜的抗氧化性能和硬度方面比金要差，所以在使用铜线代替金线的工艺中一定要注意工艺参数的区别和防氧化装置的稳定形。
5.8 本章小结
本章详细讲述了铜线球焊产品的工艺要求、质量检验要求、设备的改进，铜线工艺的成品在性能比较和可靠性比较上要优于金线球焊产品，通过实际产品的测试和研究，对比测试和图片数据，发现铜线球焊工艺达到了产品所要求的所有性能。
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总结与展望
总结与展望
归纳起来，金丝超声球焊工艺是半导体后道工艺种一种最常用的工艺，但金丝球焊工艺由于成本和质量对这种工艺有着改进要求，只要克服铜线在球焊中的不利影响，克服铜线易氧化、硬度高、易受卤化物腐蚀等不利因素，而利用铜线的导电率、导热率、经济成本都比金丝占优的特点，通过理论研究和实际工艺试验相结合，一定能够对该球焊工艺进行改进。
另外，通过对工艺改进之后的分立器件产品进行电性能、可靠性等方面考核，分析产品的质量特性和可靠度，确保该先进工艺所生产的产品能够达到或者超过金丝球焊所生产产品的综合质量。并且分析该工艺中的失效产品，失效现象入手，搞清楚失效机理，并采取相应对策不断改善。
通过一段时间正式生产的数据,验证铜线器件产品性能上与金线产品的比较并且,从实际生产成本上论证铜线替代金线器件产品的优越性。我们公司现在生产能力为每月25亿只分立器件，其中用铜丝工艺生产的器件达到了60%左右，并且在客户的实际使用中也取得了很好地效果，质量方面、可靠性都满足并超过了同类型的其他厂家的产品。随着科学技术的发展，细铜线的拉线工艺、超声波热焊工艺的日趋成熟，铜线球焊技术展现出来的成本优势、电性能优势、高可靠性优势等，都将为我们揭示一种新的发展趋势。相信在不久的将来．铜线球焊技术将全面代替现在的金线球焊工艺。也可能出现铜片焊接技术代替粗铝线焊接技术等情况。
通过这次的研究，本公司大部分器件都能够用铜线键合工艺代替了金线的键合工艺，利用了铜丝的优点，并避免了铜丝易氧化和硬度高的缺点，实现了半导体性能的性价比的提高，但针对部分焊盘铝层比较薄的半导体IC芯片，还不能完全克服焊盘下容易受损的情况，在后续的工作中，我们针对这些焊盘铝层较薄的IC产品，我们还要继续研究，通过铜丝材料掺杂其他金属和打线工艺参数的优化，使得半导体铜线工艺的应用范围还能更广泛。
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