传统记忆体封装形式中铜导线替代金导线的可行性研究

上海交通大学硕士学位论文 统记忆体封装形式中铜导线替代金导线的可行性研究 摘 要 近半个世纪以来，半导体科技的飞速发展给我 们日常生活带来了日新月异的变化，从电脑，手机，数码相机这些生活中必 备品的出现，以及它们的快速的更新，升级，这一切都归功于半导体技术的飞速 发展。紧跟摩尔定律的神话，半导体技术革新向着更小，更快，更低功耗，更低成本目标不断前进。 趋于如上的发展方向，晶圆面积越来越来大 (晶圆尺寸已达到 12 寸 )，单一芯片面积越来越来小，故相应的芯片制造成本越 来越低。但是针对封装厂来说，材料的选用基本没有特别太大变化，而且随着原 材料金导线价格的不断上涨，例如金价目前已超过 1700 美金 /盎司，因此封装厂需要找出替代金引线键合的方案用来降低封装成本。目前行业内正在大力致力研发铜线替代金引线键合的方案。 因为铜线的价格优势，加之良好的导电、导热 ，机械性能，替代金导线键合并实现大规模生产是具有很高可行性。但是铜 导线易氧化会影响引线键合工艺质量和产品可靠性，另外其高硬度容易造成铝垫 受到损伤等劣势，同样面临巨大考验。于是封装外包厂应该多同客户，材料供应 商，设备供应商合作，共同研究，找出解决方案，将该方案尽快由设想或者小规 模生产转变为量产模式，这样就可以在保证产品品质的前提下大幅降低生产成本 ，使封装外包商在整个产业链当中更具有市场竞争优势。 本课题的目的就是通过理论分析和工业实验相 结合的研究方法，进行传统记忆体封装中铜导线替代金导线的可行性评估研 究。第一章中简单介绍传统记忆体封装工艺引线键合流程和评估引线键合质量是 否合格的评判标准。第二章内容针对铜线和金线的优势和劣势进行分析比较，并 着重阐述了铜导线在封装过程中面临的主要问题和解决方案。第三章主要内容是 通过理论结合工业实验的方式讲述了工业化大规模生产中如何通过实验得到铜导 线封装引线键合的优化参数。第四章内容针对可靠性和失效模式分析进行讲述。 第五章讲述了铜导线封装未来的发展趋势，例如铜导线防止氧化的新工艺控制方法。 本课题研究的主要成果是我们使用工业实验设 计方法，在设备和材料供应商上海交通大学硕士学位论文 大力支持下，通过大量的工艺实验，针对单 一封装形式低引脚数目产品得到了铜引线键合可大规模生产的优化参数，例如保 护气体流量，劈刀速度，引线键合时间，引线键合压力，超声波能量等关键参数 ，使铜引线键合替代金引线键合的假设变成可能。但是这只迈出了实际工业应用 中的一小步，由于封装类型的多样化，我们仍然需要更多的研究和实验来进行铜 导线针对其他不同的封装形式和多引脚封装应用中的可行性评估，只有这样才可 以将同引线键合引入大规模量产时代。 关键词： 铜导线，封装， 引线 键合工艺参数，可靠性上海交通大学硕士学位论文 F N or a of to as of to of s . to 2so of no of of is 1,700/ of to to u of s is of is to to be l to do u in or in u be in in 上海交通大学硕士学位论文 V of on u to u. of of I u u u We to as to be to II on to we V u u to u at we a in I. we a ur 2US so u in it in to so we in we to 海交通大学硕士学位论文 录 第一章 铜导线可替代性研究的课题背景及研究方法介绍 1 统记忆体封装流程介绍 1 装流程介绍 2 装的分类形式 2 C 封装形态比较 3 统记忆体封装形式介绍 5 装主要工艺站点介绍 5 球键合评估标准 7 文的主要内容与章节安排 8 第二章 铜导线键合优势和劣势分析 9 导线和金导线性能比较 9 导线优势 9 导线劣势 11 导线封装主要问题的解决方案 13 易氧化问题的解决方案 13 高硬度和铜铝化合物不易形成问题的解决方案 14 结 14 第三章 工业生产中铜导线键合参数实验评估 15 际生产中使用的铜导线基本介绍 15 种铜导线基本性能介绍 15 同尺寸铜导线物理特性比较 16 导线自身可靠性评估 16 护气体成分配比和流量控制实验数据 18 护气体成分配比实验数据 18 护气体流量控制实验数据 18 导线键合性能与工业参数之间的关系 19 球质量与火花放电工艺相关性 20 球直径与超音波相关性 21 上海交通大学硕士学位论文 铜线抗剪强度与超音功率，压力，频率和温度变化相关性 21 导线初期型变量 22 厚度与压力相关性 23 线键合工艺参数选择实验 23 估方案拟定 23 键合参数评估 24 键合参数评估 28 封压模评估 28 铜铝 成的参数选择实验 29 结 30 第四章 铜单线键合可靠性和失效分析 31 统导线键合的可靠性分析流程 31 导线可靠性分析和失效评估方法 32 结 32 第五章 铜导线未来发展趋势 33 止铜氧化的其他控制方法介绍 33 钯导线介绍 33 的优点 34 结 36 第六章 结束语 38 要工作与创新点 38 续研究工作 38 参 考 文 献 40 致 谢 42 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 43 上海交通大学硕士学位论文 录 图 1同引脚数的 装形式 4 图 1同封装形式的引脚密度比较 4 图 1装形式图片 5 图 1球成型热键和过程图 7 图 2011 年黄金价格走势图 9 图 2铝合金生长于金铝合金生长比较图 10 图 2氧化与未氧化 片 11 图 2键合对铝垫造成损伤图片 11 图 2导线键合过程中发生铝飞溅现象 11 图 2铝合金少于金铝合金 12 图 2种常见的铜导线防氧化装置示意图 13 图 3种铜导线物理特性比较表 15 图 3种铜导线电阻特性比较表 15 图 3导线和金导线共晶面形成比较图 17 图 3导线 示 17 图 3响铜导线键合性能的工艺参数关系图 20 图 3声波强度与烧球直径关系图 21 图 3导线抗剪强度与超声相关参数关系图 22 图 3导线初期型变量关系图 22 图 3球厚度与压力关系图 23 图 3化参数铜键合 1st 片 28 图 3化参数铜键合 2nd 片 28 图 4统封装键合可靠性评估流程图 31 图 4佳配比混合液开盖效果图 32 图 5线断面图 33 图 5钯厚度与拉力强度关系图 34 图 5用 置图 34 图 5高温放置实验 35 图 5 1st 示 35 上海交通大学硕士学位论文 5 2nd 示 36 上海交通大学硕士学位论文 X 表 录 表 2 /金 /铝物理特性比较表 10 表 3同尺寸铜导线物理特性比较表 16 表 3护气体成分配比实验数据表 16 表 3护气体流量控制实验数据表 18 表 3声波强度与烧球直径实验数据表 21 表 3刀速度实验数据表 24 表 3声电流 /键合时间 /键合力实验数据表 25 表 3叉实验计划表 26 表 3叉实验结果数据表 26 表 3铝合金实验计划表 29 表 5形尺寸实验数据表 35 上海交通大学硕士学位论文 - 1 - 第一章 铜导线可替代性研究的课题背景及研究方法介绍 统记忆体封装流程介绍 目前半导体行业的发展水平成为一个国家的科 技发展水平中一个相当重要的指标 需要配合同步展开，一是市场，二是成本。众说周知，集成电路的设计，制造，封装已经成为集成电路产业的 “三驾马车 ”，他们三者相互促进，协调发展。由 于紧跟摩尔定律的神话，半导体技术革新，包括设计，制造和封装都向着更小，更快，更低功耗，更低成本目标不断前进。 在这种大环境的激烈竞争下，半导体不同领域 的公司都在想尽办法研发出具有市场竞争的产品或者提供优势服务，包括上游之 计公司，中游外包服务厂，例如晶圆制造厂 (后段封装厂 (后段测试厂 (还有下游之材料，设备供应商等。尤其经历了 20082009 年之世界范围的金融危机，更加激励半导体技术革新朝向低成本，高品质发展，例如 计更加趋于高密度集成，晶圆尺寸更加趋于大尺寸制造等等。 趋于如上的发展方向，单一芯片面积越来越来，相应的制造成本越来越低，但是针对封装厂来说，材料的选用基本没有特别太大变化，而且随着原材料价格不断上涨，例如金价目前已超过 1700 美金 /盎司，未来将有超过 2000 美金的趋势，可见原材料价格占封装成本中的比例越来越突显出来，基本上金线原材料成本占所有封装成本的 30%左右1,而且封装外包厂是占下游阶段， 更面临价格战的考验。在此种严峻的情况当中，封装厂需要找出替代金引线键合的方案，目前行业内正在大力致力研发铜线替代金引线键合之方案。因为铜线的价格优势，加之良好的导电、导热，机械性能，替代金导线键合并实现大规模生产是具有很高可行性。但是金引线键合封装工艺存在半个世纪，加之完善的工艺流程，要完全替代是有定难度的，加之铜导线的制备，应用，包括后续产品可靠性方面还存在诸多问题待解决，例如 ,铜导线易氧化影响引线键合质 量和产品寿命，铜硬度高，容易造成铝垫受损等劣势，同样面临巨大考验。于是封装外包厂应该多同客户，材料供应商，设备供应商合作，共同研究，找出解决方案，将该方案尽快由设想上海交通大学硕士学位论文 - 2 - 或者小规模生产转变为量产模式， 这样就可以在保证产品品质的前提下大幅降低生产成本，使封装外包商在整个产业链中更具有市场竞争力。我坚信通过所有人共同的努力会使铜导线替代金导线势封装工艺必在不远的将来成为现实。 装流程介绍 所谓的 装，是指由半导体集成电路与其他相关元件，经过疏导工艺与产品 (零件 )的。使其在合适的环境下，发挥其 系统设计的功能，整个流程就叫做封装 (它不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，而且还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接， 从而实现内部芯片与外部电路的连接。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的 制电路板 )的设计和制造，因此它是至关重要的。 封装的主要目的在于传到电能，传递信号，提 供散热途径，机械承载与保护。一般封装可分为三个阶段，第一阶段是由晶圆 (作好电路，然后切割成单独芯片，再将其封装完成，在此 又可按照芯片数目分为单芯片模块 (者多芯片模块 (接着将组装好零件的印刷电路板放置在主机板 (即为第三层。 衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是 芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近 1 越好2。 封装时主要考虑的几点因素： 1、芯片面积与封装面积之比为提高封装效率，尽量接近 1： 1； 2、引脚要尽量短以减少延迟，引脚间的距离尽量远，以保证互不干扰，提高性能； 3、基于散热的要求，封装越薄越好。 装的分类形式 基于各种 送信号与应用功能不同，为配合 件与印刷电路板的结合方式，有各种的 装形式，可按照其结合方式，引脚外观，使用材料，封装大小等加以区分。 1、根据结合方式区分： 上海交通大学硕士学位论文 - 3 - 从 件与 合技术的烟花来看，早期两者间多为引脚插入式 (后来为了加速元件的组装速度，之 城开始向表面黏着型( 展，引脚插入行包含 形式；表面黏着性包含 F/C(及 。 2、依引脚外观区分： 初期 装形态依外观看，均属于导线框架 (式，后续电子产品逐渐朝多功能及轻量化发展， 件的承载以及连接方式亦随之严谨，因此目前 装形态依照其对外连接讯号的脚管外观区分，除导线框架外，凸块(装产品亦逐渐形成主流 。导线框架封装形式包含 ，凸块式则以基板或者金凸块 对外连接信号，包含 ， F/C(较新的封装形态。 3、封装材料区分 装依照所使用的材料种类不通， 可分为塑料 (装， 陶瓷 (装，金属 (装等三种形式，其中陶瓷封装具有可多层封装可容纳较多线数，散热性与气密性等优点，缺点则是价格过高。目前 子产品多应有在消费电子产品市场，因此产品以塑料封装为主，约占 90%以上。 4、依封装大小区分 一般 装后面积均大于 片本身大小，除 F/C(装因为芯片本身长凸块， 所以封装大小即芯片本身， 由于目前应用产品有逐渐变小的趋势，因此 装形态亦有小型化的趋势， 先进已有 态的封装，此类封装元件尺寸与芯片面积之比必须在 内。 5、依封装芯片数目区分 目前 装多为单芯片封装 (但在小型化与高密度化的潮流下，减少 装体积有期必要性，因此多芯片封装 (者 运而生，但仍非市场主流。 C 封装形态比较 各种常见 装 较： 上海交通大学硕士学位论文 - 4 - 由于各种 装引脚间距 (引脚数量 (比较， 可看出各种装形式间的差异。如引脚插入 ( (如 及 )，除件面积有限，加上引脚间距必须有一定距离，一般为 如 )，则可达到 间；凸块封装方面， 装则因为阵列排放故而有较宽的间距，约为 因此，以引脚数目来说，由于导线框架形式封 装因受框架材料及只能利用周边设计引脚排列空间的限制，无法做出更高的脚数，一般都在 254 脚以下，阵列形式因使用基板面积分布接点，引脚空间较多，故可发展更多的引脚数，参考如下图 1 和图 2。 图 1同引脚数的 装形式 图 1同封装形式的引脚密度比较 上海交通大学硕士学位论文 - 5 - 统记忆体封装形式介绍 传统记忆体封装常采用贴片式封装形式，即需要采用引线键合工艺。 最早型的贴片封装形式为 小外形封装形式，参照图示 1面粘装型封装之一，引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状 (L 字形 )。材料有塑料和陶瓷两种。 了用于存储器 广泛应用于规模不太大的路。再输入输出端子不超过 10 到 40 的领域， 普及最广泛的表面粘装封装。引脚中心距离为 脚数从 8 到 44。 另外，引脚中心距离小于 称为 小型 装配高度不到 称为 小外型封装 )，另外还衍生出 J 型引脚小外形封装） 、 、 小外形封装） 、 的缩小型 外形晶体管） 、 外形集成电路）等 图 1装形式图片 装主要工艺站点介绍 丝球工艺简单介绍： 目前超过 90%的集成电路的封装是采用引线键合技术。引线键合 (称线焊，是将金属导线 的一端焊接到芯片的铝垫 (或其它外围金属层 )上，另一端焊接到承载芯片的封装底座上，一般是基板 (内引脚 (表面镀金 )，或框架的内引脚 (表面镀银 )。连接过程一般通过加热，加压，超声等能量，借助引线键合工具（劈刀）实现。按照外加能量形式的不通，引线键合可分为热压键合，超声键合和热超声键合。按劈刀的不通，可分为楔型引线键合 (球形引线键合 ( 上海交通大学硕士学位论文 - 6 - 电源和信号通过封装的外引脚传递到内引脚， 然后通过引线键合的导线传给芯片电路，在芯片内实现逻辑或模拟的功能后再通过导线传回封装底座，最终传给应用的电路板。因此相对于封装工序中的其它站别，丝球引线键合直接建立了芯片与外界的电性联系，受芯片工艺的更新和封装底座技术的更新影响最大，可以说是尤为关键，最复杂，技术发展也最快的一站。 丝球引线键合主要有以下几个步骤，关键流程请参照图示 11、前期准备 :开机后，操作员用镊子将金属丝穿入劈刀的孔，开始自动作业后无需再做此动作直到下次停机。芯片己经通过前道工序被粘合在芯片底座上，而芯片底座被不锈钢工具压紧在焊 线机轨道上，同时加热到一定温度 (150C 到200C 左右 )。 2、烧球 :机台对金属丝顶端放电火花形成融化的金属球 位于劈刀下方。 3、丝球位置固定