微电子器件封装铜线键合可行性分析

宋慧芳

（上海交通大学微电子学院，上海 200240）

1 引言

近半个世纪以来，半导体科技的飞速发展给我们的日常生活带来了日新月异的变化，从电脑、手机、数码相机这些生活必备品的出现，以及它们的快速更新、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、更低成本的目标不断前进。

在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力的产品或者提供优势服务，包括上游IC设计公司，中游外包服务厂Fab、Assembly、Test house，还有下游的材料、设备供应商等。尤其经历了2008～2009年世界范围的金融危机，更加激励半导体技术朝向低成本、高品质方向不断革新和发展，例如IC设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，芯片的制造成本越来越低，但对于封装厂来说，材料的选用基本没有太大变化，而且随着原材料价格不断上涨（例如金价目前已超过1500美金/蛊司，未来将有超过2000美金的趋势），原材料价格占封装成本中的比例越来越凸显出来，基本上金线成本占所有封装成本的30%左右，而且封装外包厂占据产业下游，更面临价格战的考验。在此种严峻的情况下，封装厂需要找出替代金线键合的方案，目前行业内正在大力研发铜线替代金线键合的方案。因为铜线的价格优势，加之良好的导电、导热、机械性能，替代金线键合并实现量产具有很高的可行性。但是金线键合已存在半个世纪，加之完善的制程工艺，要完全替代是有难度的，而且铜导线的制备、应用，包括后续产品可靠性方面还存在诸多问题有待解决，例如铜易氧化影响键合质量和产品寿命，铜的硬度较高容易造成Al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或者小规模生产转变为大规模量产，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。

2 铜导线和金导线比较

2.1 铜导线优势

2.1.1 价格

2009年11月国际金价突破1000美元/盎司大关，时隔两年，2012年初国际金价已经达到1700美元/盎司，而同期国际铜价约为3.8美元/磅（1公斤＝2.2磅=35.274蛊司）。一面是金价持续攀升，一面是电子消费类产品的价格不断走低，封装厂寻找替代金线的新型焊接材料势在必行。在这种严峻环境下，铜导线以其良好的电学、热学、机械特性及低成本优势走进了封装领域研究人员的视野。

2.1.2 导电率

铜线的导电率为0.62μΩ/cm，金的导电率为0.42μΩ/cm，可见铜的电学特性高于金导线，即相同直径的键合线，铜比金可以承载更多的电流。

2.1.3 导热率

铜线的热导率为401W/(m·k)，金的热导率为318W/(m·K)，可见铜的热导率高于金导线。因此铜线比金线更加容易将封装中的热散掉，这样就减少了它本身所受的热应力。

2.1.4 化合物生长率

铜铝化合物的生长率低于金铝化合物的生长率，这样将提高器件封装的可靠性。同时铜相比于金线更适合高密度细丝引线封装。

2.2 铜导线劣势

2.2.1 铜易氧化

铜易氧化，这有可能降低材料的使用寿命，并给材料的储存环境和条件带来一定的要求。另外在键合过程中高温作用容易氧化成CuO，影响焊合性能，降低产品可靠性。

2.2.2 硬度

铜的硬度比金要大，金导线硬度＜60，而铜导线硬度＞64；金球硬度＜39，而铜球硬度＞50。氧化的铜会变得更加硬，所以键合就更加困难。

3 铜导线制备工艺和性能研究

如想实现铜导线键合，必须先实现其原材料的制备，所以如何制备适用于低成本、细间距、高引出端元器件封装的铜导线同样获得半导体材料制造商的关注。

3.1 焊合导线的性能要求

表面清洁，无油污，无拉伸润滑痕迹，无颗粒附加物和其他任何脏污；表面无大于直径5%的刻痕、凹坑、划痕、裂纹、凸起和其他任何有可能降低器件使用寿命的缺陷；导线在放开即自由伸展时应无明显弯曲，导线的弯曲应不降低其使用性能；导线无轴向弯曲；高的表面质量；可拉性。

由于铜丝球焊在长引线、超微细丝的高密度封装中的独特优势，作为替代金导线的超微细丝具有广阔的市场前景，但由于其标准要求严格并且加工困难，因此对拉制单晶铜键合导线的坯料性能提出更高的要求。

拉线性能是微细拉线的特性标志。在铜杆标准中，规定了化学成分、延伸率、电阻系数、表观状况和用扭绞试验判断内在缺陷。另外国际有一个参数指标来衡量短线率，即每次短线可拉至的铜线重量：T/B值（T为铜线重量，B为短线次数）。

3.2 不同单晶铜的性能研究

不同晶向弹性模量的差异，如铜单晶的E100=91 GPa，E111=165 GPa，E110=137GPa，不同取向单晶的应力应变曲线也有很大的差异，铜丝中〈111〉结构为主时，铜丝的刚度大，加工硬化率高，形变抗力大，键合时劈刀携带铜丝快速冲击可能对硅芯片造成损伤。相反，〈100〉取向晶粒形变抗力小，可能降低丝本身的强度，即降低拉拔强度。

3.3 铜导线焊合组织和微结构变化研究

如果想更好地实现铜导线代替金导线制程，最好清楚了解铜导线在每个键合阶段的组织和微结构变化。铜线键合的基本过程包括：（1）由铸锭拉拔及退火制备出铜线；（2）通过高压放电（EFO过程）造成局部熔化在丝的端部形成自由球；（3）铜丝球第一键合实现铜丝球与芯片的连接；（4）丝的另一端与引线框架实现楔形键合。

3.3.1 形成自由球过程

铜线与金线最大的差异在于铜易氧化，焊合过程中因放电极加热板加热，会形成氧化铜。已氧化的FAB（Free Air Ball）球不圆，容易造成打不黏。

在1000℃以下形成黑色氧化物，反应为2Cu+O2→2CuO；1000℃以上形成褐色氧化物，反应为4CuO→2Cu2O+O2

3.3.2 一焊点键合

所谓一焊点，即焊线同芯片PAD进行键合形成的焊点。目前由于Foundry的制程分Al制程和Gu制程两种，即焊垫也存在Al和Gu两种，但是目前行业内铝垫占多数。在加热状态下，铜球会和Al Pad或者Gu Pad达到熔融状态并实现键合，需要着重分析铜键合线针对此两种PAD的键合状态。

4 铜导线焊合技术难点

4.1 如何控制氧化

在加热过程中加入惰性气体和混合气体进行抗氧化保护，因氧化稀释作用不会燃烧或起化学反应，借以防止氧化。

混合气体成份为95% N2和5% H2。为了防止氧化，必须在加热区吹N2保护，隔离空气中的氧；利用H2燃烧产生高温，烧球比较圆，H2含量越高烧球越圆。

4.2 铜的高硬度造成焊合困难

因为铜的硬度高于金，铜丝键合时需要更高的超声功率和更大的压力，这样比较容易对PAD造成伤害，而如果降低超声功率和压力，又会造成虚焊。如何在实际工艺中寻找合适的参数，需要利用DOE试验分析方法。

5 铜导线和金导线焊点可靠性对比分析

实际生产过程中，关于焊合制程的缺陷通常为基板裂纹、硅坑、接头强度低和虚焊等等。这些不良基本上是和金导线相同，但是由于铜焊线的高硬度，例如基板裂纹或者硅坑应该更容易出现在铜焊线制程当中。另外铜易氧化，高湿环境下对产品的可靠性是否有明显影响也是一个问题。另外铜导线制程又给可靠性分析带来一定的挑战，例如铜线会跟硝酸进行反应，所以不能用传统的喷射刻蚀来对封装器件做失效模式分析。

虽然铜丝键合在制备、实际生产、后续产品可靠性问题上都存在诸多问题待确认和解决，但是随着半导体技术的不断发展，该技术必将日臻完善。

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