铜丝键合工艺在微电子封装中的应用.doc

/铜丝键合工艺在微电子封装中的应用 赵钰1引言 当今半导体行业的一些显著变化直接影响到IC互连技术，其中有3大因素推动着互连技术的发展。第一是成本，也是主要因素，目前金丝键合长度超过5mm，引线数达到400以上，封装成本超过0.20美元。而采用铜丝键合新工艺不但能降低器件制造成本，而且其互连强度比金丝还要好。它推动了低成本、细间距、高引出端数器件封装的发展。第二是晶片线条的尺寸在不断缩小，器件的密度增大、功能增强。这就需要焊区焊点极小的细间距、高引出端数的封装来满足上述要求。第三是器件的工作速度，出现了晶片铝金属化向铜金属化的转变。因为晶片的铜金属化可以使电路密度更高、线条更细。对于高速器件的新型封装设计来说，在封装市场上选择短铜丝键合并且间距小于50m的铜焊区将成为倒装焊接工艺强有力的竞争对手。表1列出铜作为键合材料用于IC封装中的发展趋势。表1材料组合 细引线 晶片上的焊区金属化 应用时间 铜（Cu） Al 1989年 金(Au) Cu溅射铝(Al)的焊区 2000年 Au Cu镀镍/金(Ni/Au)焊区 2000年 Au CuOP2(抗氧化工艺) 2001年 Cu Cu 2002年将来 2铜丝键合工艺的发展 早在10年前，铜丝球焊工艺就作为一种降低成本的方法应用于晶片上的铝焊区金属化。当时，行业的标准封装形式为18个40个引线的塑料双列直插式封装，其焊区间距为150m200m，焊球尺寸为100m125m，丝焊的长度很难超过3mm。与现在的金丝用量相比，在当时的封装中金丝用得很少。所以，实际上金的价格并不是主要问题。此外，在大批量、高可靠的产品中，金丝球焊工艺要比铜丝球焊工艺更稳定更可靠。然而，随着微电子行业新工艺和新技术的出现及应用，当今对封装尺寸和型式都有更高、更新的要求。首先是要求键合丝更细，封装密度更高而成本更低。一般在细间距的高级封装中，引出端达500个，金丝键合长度大于5mm，其封装成本在0.2美元以上。与以前相比，丝焊的价格成为封装中的重要问题。表2列出铜和金的封装成本比较。由此，专家们又看中了铜丝，在经过新工艺如新型EFO(电子灭火)、OP2(抗氧化工艺)及MRP(降低模量工艺)（这些工艺在下文中将作详细说明）的改进后，使铜丝键合比金丝键合更牢固、更稳定。尤其是在大批量的高引出数、细间距、小焊区的IC封装工艺中，成为替代金丝的最佳键合材料。 表2长5mm、直径为1m的金丝和铜丝封装成本比较 材料 引线数 丝焊成本/（封装/美元） Au 256 0.12 Cu 256 0.06 Au 400 0.19 Cu 400 0.09 超细间距的球形键合工艺是随产品尺寸和线条不断缩小的要求而发展，特别是因为器件的包封密度要求越来越高。当间距尺寸低于60m时，键合丝的直径必须低于25m。而直径低于25m的金丝在硬度和强度上都要略差一些，工艺实施也比较困难。但是采用直径低于25m的铜丝，其硬度比金丝硬度大40，强度是金丝的两倍，且便于工艺操作，器件产量高。因此,在当今高级微电子封装中，硅晶片上的铝金属化工艺正在朝着铜金属化工艺发展，铜丝键合明显占优势。目前，在晶片上实现铜丝金属化工艺的线条最细可达到0.18m。预计到2003年，其线条最细可低于0.13m。图1示出直径为25m的铜丝、铝丝和金丝的强度及硬度对比图。3晶片金属化层的键合工艺 当今，全球的IC制造商普遍采用3种金属互连工艺，即：铜丝与晶片铝金属化层的键合工艺，金丝与晶片铜金属化层的键合工艺以及铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺。近年来第一种工艺用得最为广泛，后两者则是今后的发展方向。3.1铜丝与晶片铝金属化层的键合工艺 近年来，人们对铜丝焊、劈刀材料及新型的合金焊丝进行了一些新的工艺研究，克服了铜易氧化及难以焊接的缺陷。采用铜丝键合不但使封装成本下降，更主要的是作为互连材料，铜的物理特性优于金。特别是采用以下3种新工艺，更能确保铜丝键合的稳定性。1）充惰性气体的EFO工艺常规用于金丝球焊工艺中的EFO是在形成焊球过程中的一种电火花放电。但对于铜丝球焊来说，在成球的瞬间,放电温度极高,由于剧烈膨胀,气氛瞬时呈真空状态,但这种气氛很快和周围的大气相混合，常造成焊球变型或氧化。氧化的焊球比那些无氧化层的焊球明显坚硬，而且不易焊接。新型EFO工艺是在成球过程中增加惰性气体保护功能,通俗说法就是铜焊球成形过程中的气氛保护工艺，即在一个专利悬空管内充入氮气，确保在成球的一瞬间与周围的空气完全隔离，以防止焊球氧化,焊球质量极好，焊接工艺比较完善。这种新工艺不需要降低周围气体的含氧量，用通用的氮气即可，因此降低了成本。2）OP2工艺铜丝球焊和金丝球焊的正常焊接温度为175225。在该温度范围内，铜丝很快被氧化，如果表面没有保护层就无法焊接。所以需要进行抗氧化的表面处理以形成可靠的可焊接表面层。3）MRP工艺丝焊键合工艺的有限元模型的建立为焊接材料和工具图形的效果提供了新的认识。通过金丝焊球和铜丝焊球的变形而产生的压力图形比较，可以看出在铜丝球焊过程中的底层焊盘的力要大一些。若强度过大，会产生成坎效应和金属层起皮之类的焊接缺陷。如图2示出金焊球和铜焊球的压力图。从图中可以看出，同样高度的铜、金焊球，铜焊球的焊接压力大，硬度明显高于金，但比金焊球容易变形。硬度和模量是焊丝的主要参数。为降低其硬度，以前人们是依靠采用纯度高达99.999或99.9999的铜，因为纯度低则硬度高。 目前最新的方法是结合专利的焊接和焊丝制造工艺，在降低模量的同时提高了焊接质量和产量。 图3示出采用MRP和未采用MRP的第二次焊接拉力测试。MPR工艺可以提高铜焊点的拉伸强度，一般对于10m直径的Cu丝来说,采用MRP的焊接强度可达5g6g，若不采用MRP,焊接强度仅有1g2g。此外,还可改善由细直径焊接头和细间距劈刀产生的铜球焊接点的失效模式。3.2金丝与晶片铜金属化层的键合工艺 焊区间距降低到55m以下后，金丝球焊工艺可以代表许多元器件铜金属化互连的整体级别。金是贵金属,不需要球成型的保护性气体。然而未受保护的晶片金属化铜在正常工艺温度下易氧化。因此，在组装工艺即划片、芯片粘结、热固化以及丝焊键合过程中，需要加入特殊的清洗、保护性表面处理和OP2工序以防金属化铜的氧化。试验证实，铜丝焊球的形状及剪切强度在铜金属化焊盘上与在铝金属化焊盘上的质量一样。但金铜的扩散率明显低于金铝。金铜金属间的化合成型较低，很少出现空洞，因而可靠性高于金铝。目前，晶片铜焊区上的铝丝球焊工艺做得好的是美国的KS公司,该公司的专家已将这种工艺编写成工艺文件,设备采用KS8028型键合机，焊丝为99.99的金丝，劈刀为特殊设计，其剪切强度达0.87g/cmm20.93g/cmm2。这种被命名为“OP2Gold60”和“OP2Gold50”的工艺能使用户在焊区间距为60m和50m的晶片铜金属化层上实施既实用又可靠的金丝键合工艺。3.3铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺 元器件的工作速度是铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺发展的主要驱动力。目前,铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺还处于研究阶段，已经于2001年底应用在大批量生产中。该工艺目前只能使用KS8060楔焊机。因为楔焊在超细焊工艺中处于领先地位，它的焊接间距比球形焊的间距小。这种KS8060楔焊机装有UnibodyTM超声传感器，可产生高频超声焊，它使整个楔焊的焊接点直径比焊丝直径大2030，而球形焊的焊球直径比焊丝直径大5060。此外，铜楔焊是在室温下进行的焊接工艺，而球焊接则需要提高温度来辅助焊球成型。但高温会加速氧化，且阻碍焊接。楔焊接的一个主要缺点是其焊接速度低于球焊接。这是因为它需要附加运动轴来旋转焊接头，所以降低了焊接速度。然而，目前较新型的楔焊机在生产率和精确度方面都取得了显著的提高，可达到每秒6根丝的生产速率，而且焊丝间距为50m。因此，这种铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺能满足最佳功能与特性设计要求。其中：（1）有超长或跨接键合丝的封装设计，焊丝直径小于20m；（2）金丝直径小于17m时，其阻抗或电阻特性很难满足一些封装要求，而铜丝的导电率比金丝高，直径也小于金丝；（3）铜丝具有超强的电特性，可满足数据传输速率和射频要求。此外，铜丝表面应进行高质量抛光，卷筒包装并符合化学标准要求，以便与高产、无故障的制造工艺相适应。4铜丝与金属化层键合的匹配性及可靠性 铜丝已经很成功地应用于镀Ag/Ni引线、铝金属化层以及铜金属化层的键合中。影响焊接成型以及焊接可靠性的一个关键因素是焊丝与金属化层之间金属间化合物的增长速率。在焊接过程中，焊丝与金属化层的扩散速率越低，金属间化合物的增长速率就越低，而使接触电阻值低，产生的热量就少。图4分别示出金丝和铜比分别与铝金属化层键合的金属间相（IP）增长。我们从图中球形键合界面可以明显看出，铜丝球焊的金属间渗透明显低于金丝球焊。这就意味着铜铝界面比铜铝界面的电阻率更低、热量更小、封装寿命更长即可靠性更高，更能满足焊接强度的要求。除此之外，我们还可通过失效模式来分析它的键合强度。图5示出在剪切试验后的高强度100MPa（约1.01g/cmm2）的焊接点。对于金铝焊点来说，它的剪 切表面是在焊球内部，穿过球体。而铜铝焊点的剪切面是穿过铝焊区，明显比金丝的强度高。铜焊球和金属间界面层都比铝焊区坚硬。有关利用铜丝球焊到铝焊区的可靠性测试已编写成文件。5结语 随着微电子封装技术的发展，芯片制造商拟将晶片上的铝金属化层更换为铜，这样不但能提高器件特性，还能降低成本。因为在晶片的铜金属化层上可以直接焊接，而不需要像铝金属化层那样加一层金属焊接层。同时，在工艺上，逐渐将传统的金丝换为铜丝，解决细间距的器件封装。对器件超细间距的要求成为降低焊丝直径的主要驱动力。因而，在今后的微电子封装发展中，铜丝焊将会成为主流技术。铜丝与传统的晶片上铝金属化焊区的键合，可降低成本，使高产、细间距的封装的焊丝更牢固和坚硬。金丝与晶片上铜金属化焊区的键合，需要附加OP2和MRP工艺。铜丝与晶片上铜金属化焊区的键合是解决最细间距封装的最佳方案，该工艺技术是未来的发展方向。6致谢 本文在成文中得到我所研究员高工斯培新的悉心指导,特此鸣谢。 金、铜丝球键合焊点的可靠性对比研究字体: 小 中 大 | 打印 发表于: 2007-4-08 22:05 作者: anndi 来源: 电子胶水中国 1 引言丝球焊是引线键合中最具代表性的焊接技术，它是在一定的温度下，作用键合工具劈刀的压力，并加载超声振动，将引线一端键合在IC芯片的金属法层上，另一端键合到引线框架上或PCB便的焊盘上，实现芯片内部电路与外围电路的电连接，由于丝球焊操作方便、灵活、而且焊点牢固，压点面积大（为金属丝直径的2.53倍），又无方向性，故可实现高速自动化焊接1。丝球焊广泛采用金引线，金丝具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，广泛应用于集成电路，铝丝由于存在形球非常困难等问题，只能采用楔键合，主要应用在功率器件、微波器件和光电器件，随着高密度封装的发展，金丝球焊的缺点将日益突出，同时微电子行业为降低成本、提高可靠性，必将寻求工艺性能好、价格低廉的金属材料来代替价格昂贵的金，众多研究结果表明铜是金的最佳替代品26。铜丝球焊具有很多优势：（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1/31/10。（2）电学性能和热学性能：铜的电导率为0.62（/cm）1，比金的电导率0.42（/cm）1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7，8，对于铜引线键合到铝金属化焊盘，研究的相对较少，HyoungJoon Kim等人9认为在同等条件下，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。本文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-1Si-0.5Cu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。2 试验材料及方法键合设备采用KS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（95N25H2），芯片焊盘为Al1Si0.5Cu金属化层，厚度为3m。引线性能如表1所示。采用DOE实验对键合参数（主要为超声功率、键合时间、键合压力和预热温度四个参数）进行了优化，同时把能量施加方式做了改进，采用两阶段能量施加方法进行键合，首先在接触阶段（第一阶段），以较大的键合压力和较低的超声功率共同作用于金属球（FAB），使其发生较大的塑性变形，形成焊点的初步形貌；随之用较低的键合压力和较高超声功率来完成最后的连接过程（第二阶段），焊点界面结合强度主要取决于第二阶段，本文所采用的键合参数，如表2所示。为加速焊点界面组织演变，在200下采用恒温老化炉进行老化实验，老化时间分别为n2天（n1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11）。为防止焊点在老化过程中被氧化，需要在老化过程中进行氮气保护。焊点的横截面按照标准的制样过程进行制备。但由于焊点的尺寸原因需要特别精心，首先采用树脂进行密封，在水砂纸上掩模到2000号精度，保证横截面在焊点正中，再采用1.0m粒度的金刚石掩模剂在金丝绒专用布上抛光，HITACHIS4700扫描电镜抓取了试样表面的被散射电子像，EDX分析界面组成成分。剪切实验和拉伸实验是研究焊点力学性能和失效模式的主要实验方法，采用Royce 580测试仪对各种老化条件下的焊点进行剪切实验和拉伸实验，记录焊点的剪切断裂载荷和拉伸断裂载荷，剪切实验时，劈刀距离焊盘表面4m，以5m/s的速度沿水平方向推动焊点，Olympus STM6光学显微镜观察记录焊点失效模式，对于每个老化条件，分别48个焊点用于剪切实验和拉伸实验，以满足正态分布。3 试验结果与分析3.1 金、铜丝球焊焊点金属间化合物成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，如图1所示。金丝球焊焊点老化1天形成了约8m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，如图2所示，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），图3显示了老化121天时其厚度也不超过1m，没有出现kirkendall空洞。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。3.2 金、铜丝球焊焊点剪切断裂载荷和失效模式图4显示了金、铜丝球焊第一焊点（球焊点）剪切断裂载荷老化时间的变化，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，图5显示了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