（材料加工工程专业论文）微电子器件铜丝球焊工艺及键合行为研究.pdf

哈尔滨1 + 业大学工学顿十学位论文 摘要 本文研究了硅芯片铝焊盘上铜丝球键合过程，对影响键合过程的四个主 簧工艺参数：怒声链量、键合毯力、键台对闼、键合溢瘦遘行了饶讫。僵溺 焊点承载剪切力作为评判铜球焊点质量的标准。试验发现与会丝球焊相比铜 熊球焊的王艺参数密日蝴当窜，过程瞧较不稳定。结合工艺参数缆纯，详细 讨论了各工艺参数对键合质量的影晌规律，并绦出了它们对键合质量的影响 机理。 对f a b ( f r e ea i rb a l l ) 的s e m 分析寝明，在烧球过程中铜晶粒的生长方 向是从f a b 底部向铜丝方向生长，但内部亚晶粒的生长方向县有很大的随 撬牲。分褥谈为f a b 豹这秘缝绞特征逶盘予教龟过糕中徐护气露黯液态锅 的强制冷导致的快速凝固引起的。 在键台过程审焊点缀爨了一令大浆燹形过程。逶避电子显微镜鼹察露分 析，认为最主要的塑性变形机制是滑移，孪生现象只是在个别焊点的特定位 置处出现。本研究同时了证实塑性变形变形对镳台过程的促进作用。 焊点的老纯结果显示，在2 0 0 下，经过长达近1 6 0 0 小时的老化焊点 的承载剪切力没肖降低反而有很大程度的提高。认为在键合时界面的扩散很 鹅，蔼戳螽老纯过程中笈生静会矮扩散辩予掇麓浮点瀚强度爰有稍的。在老 化6 4 天的试样中也没有发现键合界面处金属间化合物明显生长的迹缘，而 鬏据文献，在金，镪键含赛囊上越条 拳f 已经澎或终2 1 a m 豹金属闼诧合 物。因此可以证实铜锚球焊点具有远商于会锅球焊点的可靠性。 为了对键合筮程中艨力场进萼亍了数德模拟本文建立了铜丝球键台躲有限 元模型。有限元计算结粜较好的符合了工艺实骏，并根据计算结果提出了改 善芯片所受的压腹力问题的一些方法。 关键诱镶丝球姆；剪甥力；交彩；金矮闺纯合鞠 塑尘堡! ：兰垒耋! ；：翌! ：誊磐鎏兰 a b s t r a c t t h eb o n d i n gp r o c e d u r eo fc o p p e rw i r eb a l l b o n d i n g o na na l u m i n u m m e t a t l i z e ds i l i c o ns u b s t r a t ew a s i n v e s t i g a t e d ，t h e f o u rc r u c i a l p a r a m e t e r s ： u l t r a s o n i cp o w e r , i m p a c t f o r c e ，f r e q u e n c yd u r a t i o na n db o n d i n gt e m p e r a t u r ew e r e o p t i m i z e d i tw a sf o u n dt h a tt h ep r o c e s sw i n d o ww a sq u i t en a r r o w , t h u st h e b o n d i n gp r o c e s s l e s ss t a b l e + i nc o n j u n c t i o nw i t ht h er e s u l t so ft h e p r o c e s s o p t i m i z a t i o n ，t h e e f f e c to fa l lt h e p a r a m e t e r s o nt h e b o n d i n gq u a l i t y a n d m e c h a n i s m sw e r ei n v e s t i g a t e d t h es e m a n a l y s i sr e s u l t so ff a b ( f r e ea i rb a l l ) s h o w e dt h es o l i d i f i c a t i o n p r o c e e d e df r o mt h eb a l le n dt o w a r d st h ew i r ee n dw h i l et h eo r i e n t a t i o no ft h e c e l l t y p e f i n es u b s t r u c t u r e sw a s i r r e g u l a r t h i s w a sa t t r i b u t e dt oa r a p i d s o l i d i f i c a t i o no fc ud u r i n gt h ee l e c t r i cs p a r k i n gw h i c hw a sp r o t e c t e db ym i x e d r e d u c i n gg a s h ef a bu n d e r w e n ta l a r g ep l a s t i c d e f o r m a t i o n d u r i n g t h e b o n d i n g p r o c e d u r e i tw a si n d i c a t e dt h a ts l i pw a st h em a j o rm e c h a n i s mi n v o l v e di nt h e o v e r a l ld e f o r m a t i o no f p o l y c r y s t a l l i n ec o p p e r ，a l t h o u g hi nv e r yl i m i t e db o n d st h e t w i n n i n gc o u l d a l s ob ef o u n d t h er e s e a r c hr e s u l t sa l s oa p p r o v e dt h a tt h ep l a s t i c d e f o r m a t i o nb e n e f i t e dt h eb o n d i n g p r o c e d u r e t h er e s u l t so f a n n e a l i n gt e s ts h o w e dt h 砒t h es h e a rf o r c eo f t h eb a l lb o n d s d i d n td e g e n e r a t ea f t e r1 6 0 0h o u r si n2 0 0 w h i l ei th a ds o m ee x t e n s i o no f i n c r e a s i n g t h i sw a sa t t r i b u t e dt ot h ei n t e r f a c ed i f f u s i o no ft h eb o n d s i tw a s b e l i e v e dt h a ts o t n ee x t e n s i o no fi n t e r f a c ed i f f u s i o nw a s g o o d f o rb o n d i n g q u a l i 瓤 t h ea n n e a l i n gt e s ti n d i c a t e dt h a tt h e r e l i a b i l i t y o fc o p p e rw i r e b o n d i n go n a l u m i n u m p a dw a sg o o de n o u g hf o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n an o n - l i n e rf i n i t ee l e m e n tf r a m e w o r kw h i c h i n t e g r a t e dt h eb o n d i n gp r o c e s s a n dt h es i l i c o nd e v i c eu n d e rt h eb o n dp a dw a s a d o p t e d t oa n a l y z et h es t r e s sf i e l d o ft h eb o n d i n gp r o c e d u r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sf i tt h ee x p e r i m e n t sw e l la n d m e a n w h i l e t h e yp r o v i d e ds o m eg o o dm e t h o d s t or e d u c et h es t r e s so nt h es ic h i p k e y w o r d sc o p p e r w i r e b o n d i n g ；s h e a rf o r c e ；d e f o r m a t i o n ；i m c 1 1 哈尔滨t 业人学t 学坝 ：学位论文 1 1 选题意义 1 1 1 引线键合技术 第1 章绪论 微电子封装中，芯片与引线框架的连接往往首选引线键合( w i r eb o n d i n g ) 技术【1 0 1 。虽然，近年来新的封装形式不断涌现新的封装技术层出不穷。仅在 集成电路的封装中得到广泛使用的电互连技术也有三种，即：倒装芯片技术 ( f l i p - c h i p ) ，载带自动焊( t a p e a u t o m a t e db o n d i n g ( t a b ) ) 技术，和引线键合技 术。但是由于引线键合的工艺成熟，价格相对低廉，质量稳定性好，柔性强， 至今它仍然是电子封装界最重要的技术之一，承担了所有i c 电互连约9 6 的 焊接任务阶】。 引线键合使用得最广泛的是会丝。会具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优 点，而且技术成熟，工艺稳定性好【7 】。但金也有一定的局限性：余不适用于高 密度封装，材料成本非常昂贵，而且在高温条件下金焊点与芯片铝电极之间容 易产生金属问化合物a u a l 2 ( 紫斑) 和a u 2 a l ( 白斑) 。这些化台物接触电阻 大，具有脆性，在有振动或者弯曲的情况下容易发生断裂捧“。此外，出于金 属互扩散的缘故键合界面处可能生成可见的柯肯德尔空洞或裂纹，导致器件失 效。铝丝球键合存在形球非常困难的问题。铜丝产生的球球形度好，价格低， 目前已经在低端i c 的封装中得到了少量的应用，随着其工艺过程的进一步优 化，相关设备研制的进步，预计可成为主流键合材料。与金丝球焊相比，铜丝 球焊具有以下几个方面的优势【1 , 3 , 5 - 7 1 ：在需要长引线、超微细丝的高密度封装 中，可以有效缓解工艺难度，有效避免丝摆、坍塌等现象，提高良品率；在一 些大功率器件、电源器件的封装中，所需的丝的直径较大，使用铜可以有效缓 解材料成本问题。但铜丝在大气下形球存在容易氧化的问题；铜的硬度大于 盒，键合过程在硅片中产生较大的应力；铜的氧化膜与铜基体的性质接近，键 合中不容易破碎，需要更大的变形等问题。铜丝键合有应用前景但尚存在需要 解决的问题。 哈尔滨t 业人学t 学坝i ：学位论文 1 1 2 引线键合过程及原理 引线键合技术是用会属丝将集成电路o c ) 芯片上的电极引线与集成电路底 座外引线连接在一起的过程，通常采用热压、热超声和超声方法进行。热压键 合和热超声键合都是先用高压电火花使金属丝端部形成球形，然后在i c 芯片上球 焊，再在管壳基板上楔焊，故又称球楔键合。两种方法的区别在于热压键合采用 加热加压：热超声键合采用加热加压加超声。由于通过加超声可以有效去除焊 盘表面的氧化物膜，增加有效连接面积；并且，连接会属之间的摩擦也会产生 一定的热量使焊接过程易于进行。因此采用热超声键合可以有效降低热压温度， 提高键合强度，有利于器件的成品率提高。热超声键合已逐步取代了热压键合。 引线键合的基本原理是：键合所施加的压力使金属球发生很大的塑性变 形，其表面上的滑移线使洁净面呈阶梯状，并在薄膜上也切出相应的凹凸槽， 薄膜表面的氧化膜被破坏，使其活性化，通过接触面两金属之间的相互扩散而 完成连接，图1 1 给出了铜丝球焊的键合过程示意图和引线键合原理图。 “咿_ i 影； 一 全萋! 攀 铝焊 a ) 引线键台过程示意图 ： b 1 引线键台原理示意图 图1 - 1引线键台过程及原理示意图 譬兰蒌二些叁耋：兰竺，! ：竺竺耋兰 余丝球焊技术满足了9 0 年代封装工艺的要求，因此它也得到了迅速的发 展与广泛的应用，据文献报道丝球焊技术进行电子封装时所使用的会属中，会 占8 0 以上。但是随着在高密度封装中遇到的困难以及微电子行业对利润的追 逐必然会寻找工艺性能好、价格低廉的金属材料来代替价格昂贵的会，众多研 究结果表明铜是会的最佳替代品1 7 , 1 0 。 1 2 国内外研究现状 关于铜丝球焊的研究国外从上世纪八十年代丌始就已经展开，但是国内有 关这方面的研究还鲜见报道。目前，主要的研究还集中在铜丝球焊取代会丝球 焊的必要性，键合的可行性，以及工艺参数的优化等方面。 1 2 1 铜丝球焊的优势 铜具有优良的电学性能。此外，铜具有很高的热导率和极好的机械性能， 易加工、易沉积，连接方便且易与铝等会属粘结，来源广泛，价格相对于会要 低廉很多，因此铜丝球焊取代金丝球焊的可行性研究早在上个世纪八十年代就 已经开始。此后铜迅速确立了它作为金的首选替代品的地位【1 0 1 。 1 2 1 1 价格优势引线键合中使用的各种规格的铜丝，其成本一般只有金丝的 1 3 1 1 0 ，这种价格优势是不言而喻的。而且金的价格很容易受市场的影响而 大幅波动，铜的价格就相对稳定l m 。 在某些长引线键合中，采用铜丝球焊的成本优势将得到更大的体现。采用 长度为5 m m 的引线，每个封装的引线数达到5 0 0 条时，所用引线的盒丝成本 已超过了o 2 0 美元，而高密度封装器件的引线数目更是可以达到一千至两千 根，芯片焊接的金丝成本不断地增加，器件生产厂家为增加产品的竞争力迫切 需要降低成本。 在大功率的电源用元器件的封装中，铜丝球焊的应用也会使封装成本进一 步下降。出于大功率元器件的电互连引线需要通过较大的电流，所以元器件封 装必须使用直径较大的引线。众所周知，金属丝的赢径增大一倍，其横截面面 积将增大四倍，相应的其材料成本也将增加四倍【1 ”。由于引线直径的增大而导 致的引线金属使用量的剧增会给生产商带来很大压力。 随着铜金属化工艺的不断完善，采用价格相对低廉的铜引线替代会引线，可 以极大地降低封装成本，其成本优势将会完美的体现出来。 1 2 1 2 电学性能和热学性能铜和金的基本电学性能相似，但铜的电导率要明 喻尔滨t 业人学。r 学颂i ：学位论文 显饶予愈。镖翁惫警率为0 ，6 2 ( p a c m ) ，大终魄会兹毫警率 o 4 2 ( g f l c m f ) 大 3 3 1 1 3 1 。相同直径的铜丝和金丝通过相同的电流，单位长魔的铜丝将产生较少 的热量。这对微电子封装具有重嚣的意义。此外，在承载电流一定的条件下， 可以采用直径更小的铜丝。这为减小焊盘尺寸、闻距，实现赢密度封装掇供了 潜在可髓性驻a “ 1 5 1 。在热学牲戆方霞，同等祭传下，铜丝蠡冬敬熬麓力楚会丝静 2 倍。这将有助于改游封装的散热条件，控制器件的温度l i “。 1 2 1 3 机械性能一般来说，经过回火或退火处理的铜丝，无论是在室潺下还 是在蠢瀑环境里，驻表现出寒的撬拉强度秘延馋率都接近或优于众丝。 s a l i m l k h o u r y 曾经强遘琵较试验，实验证鞠：采瑶铜丝球焊掰得到的辫患强 度要好于会丝球焊的焊点强度【1 4 1 。 采用直径为i m i l 的铜丝和众丝在铝焊盘上进行丝球焊，并对焊点进行剪 切强度翻拉储强度试验，得到以下绩论：键合瓣锔球款承载剪韬力平均为8 5 一 1 0 9 f , 蒋会球豹承载翦诱力平均为6 0 8 0 9 f , 镄球静抗拉强废平均为l l 1 3 9 f ， 会球的抗拉强度平均为8 - 1 0 9 f 。此外，铜的延伸率也比会商，铜的延伸翠为9 - 1 6 ，窳为4 - 8 。猩焊点成型后，铜球具有优异的球颈强度，并且成型稳定性 裹f h l 。 超细问距丝球焊是目前生产中急需实现的一种技术。由于当焊盘节距减小 到6 0 9 m 以下时，键引线直径必颁减小到2 5 9 m 以下。小赢径的引线将公带来 低的强度和较差的刚性，由于键合日l 线的摆动将会加大操作难度。铜日l 线的强度 a 乎怒鑫雩| 线豹2 倍，掰疆在黪定弱强度要求下，锈丝豹寝径蜀致减少逐一 半。铜的刚性比金商4 0 ，可以有效降低丝球烬过程中可能发生的丝摆、坍塌 等现象。有效缓解了采用直径小于2 5 9 m 金引线的一些组装难度。由此可见， 采用销熊可阻有效减小烬盘尺寸帮焊盘f 唾距，有剥于提高蕊片引脚密度，实现 商密发瓣装淑1 4 j s l 。 另外，由于铜的强度较大、刚性较好，襁存储和运输j 穗程中可以降低由于 人为误操作而造成的对铜丝的损坏。这不仅会谯一定程度。j 二降低生产成本，对 保证键合烬点质薰茏其重要意义。 1 2 1 4 焊点金属闻能合物和可靠健的比较经j 建大量试验诞明，铜丝表现出很 好的粘缩性能，能够和a g n i 、a i 、a i c u s i 甚至纯铜等材料很好的粘结在一 起。同时证实在这些键合体系中，铜丝球焊焊点的可靠性均疆比金丝球烬焊点 数霹冀槛裹1 4 , 6 “嗣。 姆点处金属闯化合物的生长情况不仅对能否产生牢固缩台的焊点，而且对 哈尔滨1 _ 姚大学t 学坝i ：学t 拉论文 电子露器臀夔哥靠瞧鸯着饕豢大虢影稳。对丝球瀑点瑟苦，一定程废静扩敖裁 会属潮化合物的生长对焊点能够满足特定的剪切、拉伸强度楚有利的。慨是， 金属削化合物层的过度生长将对焊点的机械性能、电性能、热性能均产生不良 影响。蠢文献报道，影峨c u a i 。a i d a i 焊点剪切强度的主婪骥索之一就怒金属 闼程台携屡戆潭痰，蓬罄金疆闽豫合耪垂莓凌鹃增鞠浮点熬药甥强度涎之透 援 成线性降低i j 。圜1 - 2 示意性的袭示了余属间化合物和扩散、电阻及产热之间 的关系。在同等条件下，c u a i 界面化合物的生长速度l g a u a l 界面化食物的 生长遴发慢2 - 2 5 倍，怒匿1 3 。由茈可以判断，与a u - a l 结含赛露糖比，c u - a 1 结合器弱上懿电隧率、发燕量都较舔，金漏闽他会耪生长遮发较橙，浮点豹强 度退化较慢，因此电子器件的可嚣性、使用寿命会有所增加i m s l 。 氢翻黼 翻嘲目一 蔫删 啊孽鞠u 奠瞪糍 翻翻艄h 穗墨粕秘氍啊雕黼i 麓 鞠静盱a r 曩嗣聃 篝、一。 静叫嘲照r 毯童嗣嘲鞴氍 疆国崮嬲鬟黻 幽1 - 2 焊点内部备因素关系 1 7 】 0 1 b 0 ； t “i t i t i , i r i ：f c t 窘慧嚣麓：豢嚣：警， 幽1 - 3 化合物生跃速度比较1 1 7 1 此外需要特别指出的是，近年来锅芯片技术的发展也对铜丝球焊的发展提 窭了燹为这凌豹要袋。与鞋往弱锻每线技拳稳魄，钢金疆德减枣了电j 芝移，圈薅 具有在不损失可靠憾的前提下生产比铝更窄布线的能力。铜布线的低传鼯延时， 为芯片提供了更快的运行速度。铜会属化圆片聚用铜引线键合，提供了低成本、 高运行遮度和单一众属封装系统。一般柬说，单一金属系统比龛属阍化合系统具 有更好鹣长麓可靠瞧。霹高速爱逡季亍器 季，疆及f j 距枣于5 0 t m a 熬键浮焱豹器释 的封装，铜短引线的封装设计将裔助于丝球烨技术在高档次封装产品市场同倒 装芯片封装产品竞争1 2 , 6 , 2 0 , ”j 。 综上所述，铜熊球焊满足了降低生产成本的需求；出于钢极佳的愈特性和 熬特镶，它为藏小辫盘足寸、闽鼷，实现器 孛小鍪伍提供了可能毪；奁镧芯片 成为主流的今天，铜丝球焊技术媳有更为广阔的发展空间。此外，铜丝球焊技 睛尔演t 业火学t 学顿l4 学位论文 术具有工艺上的可行性，满足可靠性的鬻求。因此，该技术具有在高端i c 、功 率器件中获得广泛斑璃的荚好前景。 1 2 2 铜丝球焊的难点 尽管铜丝球焊具有上面所讲的种种优点，但是经过2 0 多年的研究、发 禳，它仍然没有在工救生产中获得广泛的应用。这主要是由于该技术筒稿许多 严峻撰竣，爨然骞缀多澡惩有特避一步磷究。 l + 2 2 1 铜的硬度铜与会不同，它没有像金那样的纤维状组织，其硬度、强度 均比余高i 黔t 。因此，与金丝球焊不同，在剪切试验时发生破坏的位置往往不在 镪球上。镂电辍是一层柔较会骚缀容易发生破坏，在一些条释一f ，稳经、搦碎 的硅基体也会发生破坏【2 2 l 。由于铜的硬度比会赢。所以在焊接时往往霈要更大 的焊接压力、更高的超声功率，这样在加工过程中容易对铝焊盘下面的硅蕊片 造残损锈1 1 2 1 。这成为将镣丝球浮茏其是大直径舔黧球弹焉予工韭，圭产盛矮簧解 决的一个冀要闷题。 有关这方面的研究，从上世纪9 0 年代已经- 丌始。在初期，人们试图采用 诸鲡t i n 、w c 这类硬度院硅的仡台物大密 f i ：多的薄膜来防丘键合遭程中对芯 片鲍掇伤秘裂纹的扩展。然薅这样灼方法与囊接熄锅烬接刭锡电投上糨比馀格 过于昂贵。后来，有研究人员采用在铝电极中掺杂少壤铜的方法( 例如：加入 o 5 - 4 w t 的铜) ，可以改薷它抗电迁移的性能，增加电极韵电流承载密度，并 霹鞋壤攮烽盘熬硬度褥到了溃意的缝暴【1 2 1 。 针对铜丝球焊对铜丝的硬度要求，人们开始寻找那些既软又易于成型加工 的铜丝，并做了不少比较和研究，比如提出了使用5 n c u 、6 n c u 以及其触的 一些经过鹣殊楚理的钢丝。美酱靛k u l i c k e & s o f i a 公司已经璜髑澄逶用于镶丝 球焊的铜丝：d h f 朔i c u 两个系列。前者邋用于一些电源设备中的球焊稠楔 焊，届者可以应用到一些高端i c 的高密度封装中1 2 6 , 2 7 t 。也有文献报道了铜丝 赣纯豹一塑其钵方案渊。总体来讲，釜然取褥了一定酶遴袋，毽是其疆发锯然 与金窍较大的羞距。 1 2 2 2 铜熊的鬣化铜表面在室温下就很容易被氧化，其氧化物的粘结性能很 差，凡乎不能和铝等会瘸秸结。更为重蘩的怒这菇氧玩物层的往瘊和钢鹃性质 蝴似，在丝球烽避纛中不蜜易被破瓣、去除，往毯导致丝球焊避程无法进行。 因此如何防止铜在键合过程中被氧化，怒铜丝球焊技术面临的一个难题【i 6 ，”j 。 出于在稍高温度下，铜的氧化朦会不断生长，使得键合过程中的铜表面状 尘尘鎏二些盎兰二耋璺。! ：兰竺鎏兰 念发生显著变化。为了说明铜氧化对对键合过程的影响，有研究人员做了使用 铜焊盘进行了会丝球焊实验。即使对铜焊盘进行等离子体清洗也不能确保键合 过程中芯片足够的清洁。k u l i c k e & s o f i a 公司和它的一个用户发现在刚刚等离 子体清洗的铜焊盘上进行球焊时，仅需将温度提高到4 0 以上，氧化物生长的 速度就足以使得，即使使用最快的丝球焊机来焊接也无法完成键合过程。另有 文献报道1 4 5 下，铜焊盘在空气中暴露6 分钟后键合过程将无法进行。清洗 后的焊盘即使在有惰性气体保护的条件下也必须在1 5 分钟内焊接，否则氧化 将再次发生。这很明显不能满足工业生产的要求l j ”。 即使键合过程已经顺利的完成，其后铜的氧化同样会对器件的使用产生影 响。铜的氧化物主要有两种不同的结构在湿度比较大的环境里，铜表面会发 生氧化还原反应生成以c u 0 2 为主要形式的氧化物层，c u 0 2 是一种带有阴性放 电空位的p 型半导体材料，铜表面大量的铜离子不断通过放电空位向铜内部渗 透，而电子则通过放电空位向反方向运动，这样不断在铜的表面形成c u 0 2 氧化 层。其电阻随温度的升高而增大，但是当温度达到1 5 0 2 0 0 时，电阻将急剧 降低。将导致在高温导电时它几乎承载了接头所有的电流，将在很小的氧化区 内产生大量的热，温度可能高达1 2 0 0 1 3 0 0 。这就又急剧加速了氧化的进一 步进行。而另一种铜的氧化物形式是c u o ，c u o 是c u 0 2 经过一个缓慢的过程 进一步氧化所形成的j 。 在微电子封装中，铜的氧化问题不仅不利于键合过程的进行，同时会给电 子元器件的可靠性带来很大影响。在c u a i 结合界面处出现的铜的氧化物可能 使键合处出现裂缝，削弱了c u a 1 的结合强度，进一步发展可能会使焊点失 效。因而，尽管保护气体的使用会在一定程度上增加生产成本，在采用铜引线 键合时仍然必须使用还原性气体( n 2 h 2 ，a r h 2 ) 进行保护，键合过程完成后的 器件如果有可能也尽量采用气密性封装。 1 2 3 铜丝球焊技术的研究进展 1 2 3 1 氧化问题的解决为了解决铜的氧化问题主要就两个方向展开了研究。 首先是使用各种涂敷层保护铜不被氧化。根据文献报道，研究人员已经丌发了 多种不同的保护层，如：金属镀层( 金、铝等) 、有机物层、无机物层等等。第 二个方向是在键合进行前对铜焊盘的表面进行清洗，等离子体清洗、化学清洗 等 1 l 3 h 。 采用有机物涂敷层保护时，在丝球焊过程中有机物涂敷层被去除，金属与 哈尔滨下北人学t 学倾i j 学位论文 会演静连接褥鞋实现。有文熬掇邋，在镬瑗一瑟这有穰叁缀缀薄罄( s a m ) 遴行 保护时，可以使得烨接参数的时悯窗口大大变宽，试验证实在该条件下，即使 没有事先等离子体清洗，铜和会熊均已经可以燃现和铜焊盘的直接键合口“。 n i a u 镀层由予谯将它从实骏室镀屡工艺穆檀到要求重复性好的工媲生产 中遥弱戆困难，不筏够满足生产瑟求。囱锅辫纛主溅射弱楚一令费雳磊黉豹工 艺，所有的生产商都希望可以不使用它，因为这给产品增加了额外的工麓流程 和成本。k & s 公司，l 丌发了一种氯化防止技术( o r 2 技术) ，使得金丝和铜焊盘 的焊接褥以顺利遴纷。该过程易予控键，著且 e 溅射、镀层费用 氐廉u ”。 毽怒，霹表谣涂数了有税魏糍豹锅弹蠢泉讲，无论蹩会丝还莛钢丝辫接它 们的稳定性均比各自对应的和n i l a u 表面处理的铜焊盘焊接的稳定性差。主要 是因为n i a u 表面镀胺已经被很好的标准化，稍试样准备阶段的有机物涂敷还 是一秘缀蒙靛方法，嚣越还在缀大程度上取决予操 睾者的按戆。现在还没蠢珏 始进行有机物涂敷豹标准纯豹工佟。 上述研究结果激簧着眼于铜芯片技术的发展对铜焊盘保护提出的要求。这 些方法可以被有效的复制到铜丝楔焊中去，但照由于在丝球焊过程中，荫先有 一令邀火芯放电豹成球遘程，翳羰这些方法对绶球溽蓁一烬熹的键舍过稷势不 适用。秘前，较为流行的保护方武仍然是采羽还原性气体保护。侄是有关保护 气体的成分、含量、流速等参数仍需迸一步优化。 1 2 3 2 分段载荷( t w o - s t a g e p u l s em e t h o d ) 技术由于铜的硬度较高，所以在键 合瓣晕菱缝震要嫒弼羹大豹浮接疆为、菱离熬越声功率，这撵在键台逮程中容爨 对锱烊斑下面的s i 芯片造成损伤 1 2 j 。为了解决这一问题，研究人员掇磁了一 种双倍藏荷( d o u b l el o a db o n d i n g ) 技术，该技术是在施加趟声能量前施加一个 预载荷，预载荷一般为最终载荷的2 3 倍，通过这种方法弼以在一定程度上减 少芯片灌坑装发垒# 0 5 1 。 商柬，随着人们对氧化问题的重视，双倍溅荷技术逐渐发展成了分段载荷 技术。在铜球的表颇包围了一层簿的氧化物。为了得到一个好的接头，趟声发 生器必须首先去除这层氧化物。使用标准的越声键含时，如聚用于去除氧化物 垂靛戆囊遘亵，将会等致芯片释j g 鏊( d i ec m t e r i n g ) 豹发生。蔽之，可莪逡璇寝浮 的情况。为了优化焊接过程，采用分段载荷技术时，每个阶段的能量和加截时 间都魁独立的。第一阶段可以去除氧化物层，第二阶段形成有效接头。窝验表 明，玎始使用一令大鲍能量，跟着采用一个较小的能鬣( 约比第一盼段低 3 0 ) ，霹落形成好鹣浮点，并曼键出现芯冀弹坑静爵琵毪穗至最低”瑚。 1 2 1 3 3 高频超声振动丝球焊时采用的超声频率一般为6 0 k h z 。有研究比较了 哈尔滨1 _ 业人学t 学硕f ：学位论文 6 0 k h z 鞫1 0 0 k h z 下瓣滓接稳鬣褥秘了使焉麓豹超声频率可竣在较 羲熬滋度， 较短的焊接时问下实现较好的挥披接头的结论i 3 2 1 。此外高频振动时所需的振幅 很小，例如在超声频率为7 8 0 k h z 时的振幅仅o 0 4 r u n ，为6 0 k h z 时的1 3 0 ， 这对予提离键合过裰的稳定性具鸯重要的意义娜l 。 键熊表露氧健濮豹去豫枫毽怒锯丝球浮庭溺过程中蒲邋到麓最大熬滚蘧。 到目前为止，仍然没有真正的对铜丝表面氧化膜的去除机理做出合理的解释， 有的只熄猜测和假设l m l 。原因在于采取常规方法切剖面观察丝球焊点界蕊时， 出于烊杰较小，不翳找到有效的激察赛蘧，戳弼无法对焊点器l | 嚣处氧 芑髅去除 祝毽 蔽爨歪确豹臻述和解释。登须设法采致箕锻一些方法( 魏离子寒鞠翎) 柬 切丌焊点，寻找结含界面进行观察研究和分枣斤。掌握了铜丝表面氧化膜的去除 机理届，就能较为衡针对性的设计和制造适合于铜丝球焊的正艺和设备。 1 。3 本文主要研究内容 1 进行铜丝球焊工艺试验，考察影响键食过程的四个关键工艺参数；超 声能爨，键会压力，键台温度翻镳合时闻，辩键合过程的影响。对工艺试验酶 试样踅 行费窃强度、拉种强菠灏试，对簿点魏机械强度避孝亍评赞，著据鼗来翔 定不同键合工艺参数下的焊点质濑，对工艺参数进行优化。 2 选择最佳工艺参数下制作的试样进行老化试验，考察其机械强度随老 化时蝴变优数关系，劳对老化过程中烽点静夔切、拉搏叛袋模式进行分爨。缝 合e d x 对穗舍赛瑟处豹金藩扩散，金羁间识食物静生长 彗况的考察绪聚，对 铜丝球焊焊点的可靠性提出科学的判断。 3 对f a b 以及铜丝球焊焊点进行截面分析，考察成球过程中的凝固特征 激及燃点形成过程枣戆塑蛙变形过程，莠对产生这秘凝固特经夔骧嚣及浚性变 形机镥滋行讨论。问时，对银丝球焊键合机遴避行进步的探讨。 4 通过有限元模拟的方法对键台过程中的f a b 及s i 芯片内部的应力分布 进行讨论，并通过模拟结果对减少s i 芯片内部虚力提出有髓的建议。 哈尔滨1 ：业人学t 学倾i 擘位论义 2 1 试验研究过程 第2 章试验材料及方法 主要试验研究过程简单介绍如下：酋先进幸予锶丝球焊的工艺试验，然后通 建劈韬疆瘦试验、羧律强痉试验、撵凌试验、凝爱模式分季螽瓣浑点戆矮鼙遴行 分析判断，据此优化工艺参数。黻后，对键合飚的试样进幸子老化，并对意化以 后的试样进行剪切、拉伸强度实验。最后，对老化前后的焊点进行剖面分析， 研究键念过程中铜球鲍变形行为，探讨铜丝球烬的键台枫理，薨考察余属阕位 合秘豹黧长情凝，浮势j 锶丝球浑豹可靠洼。 2 2 试验材料 试验所使用的铜艘为k u l i c k e s o f i a 半导体公司( 以后简称k & s 公司) 专 门针对f i n ep i t c h 的离密度封装所开发的i c u 系歹4 产品，本研究中选用的铜线 壹径菇0 9 m i t ( 终2 3 1 t m ) ，露豳2 - 1 。主要数疑搔拣秀e l o n g a t i o n ：8 - 6 ； b r e a kl o a d ：6 - 1 2 9 f 。厂商标注的铜线主要成分为9 9 9 9 以上的回火纯铜r 另 外有约o 0 1 的其他成分的掺杂。 图2 - 1 键合铜丝黼2 - 2 ：f 艺试骏键含芯片 零研究中，在工艺参数斡傀纯徐段谈嗣豹键合芯片尺寸为1 0 6 x 1 2 6 r a m 2 ， 整个芯片表面镀铝，铝膜厚度约为3 1 x m ，如图2 - 2 所示。猩随后的老化试验阶 哈尔滨r 她人学t 学顾i 学位论文 羧镬蠲豹芯片必寸为1 4 6 x l 。6 8 m m 2 ，芯片厚袋必o 。3 2m m ，蕊片上韬金糕纯浮 盘的蜉艘约l g m ，见图2 - 3 。 2 3 试验方法及设备 2 3 1 铜丝球焊工然试骏 键会祝器为k & s 公司生产豹n u - t e k 会照球浮税，为了防止镉豹戴健傻嗣 了k & s 公司生产c o p p e rk i t 防轼化保护装鬣，为键合过樱尤其是烧球过程提 供可靠的还原性气体保护( 9 5 n 2 5 h 2 ) 。超声振动频率为1 2 0 k h z 。键合设 备见圈2 - 4 。劈刀是k & s 公司生产戆铜丝球群专用劈刀，篡粼视图及乡 勰在图 2 5 中绘密， 图2 - 3 滋化试验芯片 图2 - 4 键台设备 其主簧参数觅表2 1 。对表中的缀写迸嚣一个筏零豹麓释，t ：t i pd i a m e t e r ； h ：h o l ed i a m e t e r ：c d ：c h a m f e rd i a m e t e r ； o r ：o u t e rr a d i u sl ： l e n g t h o d ：o u t e rd i a m e t e r c a ：c o n ea n g l e ；f a ：f a c ea n g l e 。 岱o d d e t - “a ” 毽2 - 5 键台骜刀 表2 - l ；劈刀参数 彳 e do 袋 lo de a融 ( r a i l ) ( r a i l ) ( m i d ( m i l )( m i l )( r a i l )f d e g ) d e g ) 7 i1 2 02 5 0 1 2 04 3 7 0 06 2 5 02 08 影响键合质鬃鹣工艺参数主要有：超声怒量、键合愿力、键会辩阕、键 台溢浚。键台工艺静纂准参数觅滚2 - 2 。 表2 - 2 键台t 艺基准参数 趣声戆鼙和a )键食压力( g | )时闻m s )键台潺痰( ) 第一焊点 8 06 01 02 2 0 第二焊点 1 3 01 1 0 1 52 2 0 在工艺试验过程中。确定三个工艺参数值不变，让其余煦一个工艺参数在 基遴王艺参数篷嚣重l 露变耗，渡魏沫考察宅霹镳台遥程豹影翻。考虑刘试验或 本，工蕊参数的取髓比较分散。怒声能量( 按设备标示) 分别为：7 0 、8 0 、9 0 、 1 0 0 、1 1 0 m a ；键合压力分别为：3 0 、4 0 、5 0 、6 0 9 f ；键合时间分别为 5 、 l o 、1 5 、2 0 m s ；键食湿度分别为：1 8 0 、2 0 0 、2 2 0 、2 4 0 。c 。 黉簧蛰充说稠豹是邀火花放嘏成球过程中的一些参数。电火花放电魄流为 5 0 m a ，成球过程中保护气体流速为0 6 - 0 8 1 m i n 。最终铜丝尾部成球商径为 精尔滨t 北人学 _ = 学倾l 。举位论文 2 。2 m i l ( 5 6 1 1 m ) t 2 3 2 焊点形貌纪添 为了考察浮点豹残登囊量，渡及键会过程中锯金疆往浮巍受揍篷豹程疫， 本研究使用o l y m p u ss t m 6 光学测量显微镜醴及j e o lj s m * 5 1 0 6 l v 扫攒墩子显 微镜测掇焊点的外形尺寸并记录焊点形貌。 2 3 3 赘甥强度试验 利用r o y c e5 8 0 剪切力测试仪对焊点进行翦切强度试验，测得每个焊点的 承载剪切力并记录焊点失效位鬣。劈刀距焊擞表面的距离为2 1 x m ，并甩以 5 涔n s 豹速度沿承警方蠢攫动锔球海点，赘锈试验示意圈熙强2 6 。实骚巾必 了尽鬣减少随机因索豹影晌，取4 0 个样点，分剐进行测鬣，将测得数攒的平 均值作为该工艺参数下铜球焊点的主要机械性能指标。结会剪切力和烊点尺 寸，可以得到铜球焊点的剪切应力值。 鹜2 - 6 舞甥试验嚣熬黧 2 3 4 老化试验 老化试验主要怒为了考察接头在长期服役过程中的可靠性。有研究表明接 头强度涎金属闻纯会糖蜃浆厚度燧热藏线蠖隆羝，莠提出将会疆闼纯合物漂靛 厚度佟为评判接头馁能的指标1 6 】。 使用老化炉对键合过成完成以后的试样猩2 0 0 。c 下进行老化。h y o u n g - j o o n k i m 等人的研究结果寝明：c u a 1 闯金属化合物的生成速度主要取决于老化时闯 匏长戆蔽及老缳滋浚豹毒惩潮。釜痰速疫霹瑷瓣虢下方程表示： 蘧疆1醚醚蘸 q l ! ：耋鎏王娑垒兰：誊璧：；：兰监兰 存心6 5 8 1 0 - 3e x p ( 半) ( 2 - 1 ) 焚孛：衾属纯念物生成速瘦； ；退火瓣阕；零：老纯滚度。考懑到毒 二会貔屡 的厚度与老化时问的1 2 次方成f 比，所以确定老化时阐依次为1 、4 、9 、 1 6 、2 5 、3 6 、4 9 、6 4 天。老化试验结束艨切横断蕊戏察微鼹组织。弗对愈属闻 化合物的生长情况进行考察。 2 3 s 簧转解封 为了考察试样在经过老化后有没有焊点脱落、铜丝断裂等缺陷，对试件进 行了解封。在解辩遗程中宠整的保存锈线、滓煮嗣铝会耩仡霹盘、奄线怒菲常 必要的。使用的解封装置为n i s e n ed 2 i 系列成套设备，解封头示意图见图2 7 。簿封避程孛佼用豹瘗镰裁羰及互艺参数霓表2 0 。 表2 - 3 ：器制：解封一i ：艺参数 瘸蚀刘深度 流速 加热时闻潴蚀辩阈清洗时闻 ( ) ( m l m i n ) ( s )( s )( s ) 3 h n 0 3 ：1h 2 s 0 4 9 0 4 1 2 0 4 0 2 0 说明：h n 0 3 浓度为2 0 ，h 2 s 0 4 深度为9 8 ，鼹者之比为体积比。 援买 器 l ： 密封闭 定能环 满蚀热 强2 - 7 聪封示意隧 解封宽成以聪立即将腐蚀头连带密封避及器传取下来使熙魂酮清洗。随后 竺竺鎏：些盔兰二兰竺：兰竺鎏兰 将器件和密封圈分离，使用去离子水喷沈器件。喷洗后将器件放到乘有 u r e s o l v es g 溶剂的烧杯中浸泡，该溶剂有助于进一步去除腐蚀过程中的残余 物。最后使用异丙醇冲洗。 2 3 6s e m 分析 2 3 6 1 试件制备 1 将器件用树脂封装，为了避免在随后的机械打磨、抛光等处理过程对 焊点形态、组织的影响，尽管焊点本身的尺寸非常小，但是使用的封装尺寸比 较大，为0 1 5 m m 。 2 使用6 0 0 # 水砂纸打磨，直至芯片刚刚露出时立即停止。 3 依次使用2 0 0 # - 5 0 0 # 8 0 0 # 1 2 0 0 # 的金相砂纸手工打磨。这里需要特别指 出的是由于硅芯片非常脆，所以在打磨过程中必须要严格控制所使用的力，避 免对芯片产生过大的力冲击从而使得芯片破碎。在整个机械打磨以及随后的抛 光过程中，试样相对于砂纸和抛光机转轮的相对运动方向均为垂直于芯片的表 面方向，在整个过程中无须换向。这样将可以在大大减少芯片破碎的概率。见 图2 8 。 4 使用l p m 的金刚石悬浮液对打磨好的试样进行抛光。 5 抛光后的样品在新配的腐蚀液中腐蚀1 5 s 左右。腐蚀液的成分配比如 下：2 9 k 2 c r 2 0 7 ，4 m l 饱和n a c i 溶液，1 0 m l 浓h 2 s 0 4 ，1 0 0 m l h 2 0 。 图2 - 8 制样示意图 2 3 6 2 扫描电镜分析 试样制备工作完成后，在待观察面上喷会后即可在扫描电镜下观察其微观 堕尘鎏二些銮耋二兰竺! ：主竺鲨兰 组织，并可以使用能谱分析( e d x ) 半定量确定各点成分。 2 4 本章小结 本章首先明确了本文主要的试验研究方法、过程。随后给出了工艺试验基 准参数，工艺试验所使用的材料、设备等基本情况。介绍了老化试验条件、剪 切试验条件、器件解封方法、金相试样制备方法等。 晴尔滨下妲大学_ t 学倒 。学位论文 3 1 雩l 害 第3 章铜丝球焊键合工艺参数优化 强金熊臻烽襻，决定镁丝球霹键合过程煞凌毒效遴季亍，戳及键会矮曩戆 四个关键性参数怒：超声能量、键合压力、键合时问和键合温度。本研究确定 铜球焊点的承载赞切力佟为键合矮量的主要判定标准，势参考爆点形貌、剪切 威力等因索。将讨论这圆个参数对键舍脯蘑的影晌规律及梳理，并在此蒸础上 确定最佳工艺参数。 3 2 键台工艺参数优化 3 2 1 趣声能量对铜球焊点的性能影响 超声能量对键合过程的作用生要体现在以下几个方面；有效降低铜球在塑 糕变形阶段的变形隰力，使 ；譬变形过程褰翁送行；列用越声在键合扔期逡残匏 铜球和铝焊盘之间的机械磨擦可以有效去除铝表面的脆性氧化物层，并猩一定 稷度上减少铜表蕊的氧化物；超声在键合界面处形成的摩擦可以产生一定的能 燮，有韵予进一疹较仡诵缝，并程进键合过程中键台界商链酶盒满原子扩散。 超声在界面处形成的机械振动而产生的能量由下式计算： e * f l z ( t ) p ( t ) v ( t ) d t ( 3 - 1 ) 式孛：掣8 ) ：镶球魏锯爆盘之闽躲摩擦系数；p ( t ) ：劈刀藏期豹键会攫力； ，：键合时间；矿( f ) ：铜球相对铝焊盘的振幅。 3 - 1 式表明镟合过程中界面处出于机械振动产生的热量是由超声参数积压 力参数共瀚决定的。影痢键合质瀑的这翻个参数之间是桐互关联的。 图3 - 1 给出了超声能量对键含质量的影响关系曲线。实验过程中发现如果 麓据豹趣声辘量道夺，舜接无法实瑷，斑疆n o n s t i c ko i lp a d ( n s o p ) 魏蒙，随 着键台能摄的进步减少，产生n s o p 的可能性会急剧增加。分析认为这是由 予趣声爨过小，键台赛器处懿畿犍物鼷不能被充努去除嚣弓l 起的。扶爨3 一l 鑫 掰疆看窭，当超声麓量小予l o o m a 靖，锅球舜煮匏承载赘韬力会随着怒声能 爨的增加丽提高，但是当超声能凝超过1l