微电子封装用主流键合铜丝半导体封装技术分析

微电子封装用主流键合铜丝半导体封装技术分析

沈洁,朱慧

无锡中微高科电子有限公司 江苏省无锡市 214000

摘要：现代社会发展中，微电子产品具有广泛应用，而高质量的微电子产品更可推动现代社会向着良好的方向发展。通过采用科学合理的方式进行封装，有效保障了微电子产品的质量，其中，键合铜丝半导体封装技术是较为常见的一种。基于此，本文通过对键合铜丝的简单介绍，同时列举了现有键合铜丝封装时的常见问题及相应的改进意见，以进一步提升微电子产品生产的良率。

关键词：微电子产品；封装；键合铜丝；半导体封装技术

引言：半导体封装技术由诸多工艺环节构成，如芯片焊接、引线键合、塑封、电镀、切割成形等等多复杂工序。而引线键合作为一个关键环节，指的是利用热、压力、超声波能量使金属引线与芯片表面焊盘或是基板焊盘紧密焊合，实现芯片与基板间的电气互连和或是芯片间的信息互通。由此表明，引线键合质量的好坏，直接关系到整个微电子产品的生产质量。传统引线键合时，以金丝为主，虽然其性能非常好，但造价非常高，将会大大增加微电子产品的生产成本。针对这一问题，微电子领域逐渐研发出了多种替代材料，键合铜丝是其中造价较低，性能较为良好的一种，被广泛应用到引线键合环节。

1 键合铜丝概述

所谓的键合丝，指的是以高导电的金属作为主要材料，根据封装引线键合的需求而制作出来的焊丝。显而易见，键合铜丝即为使用铜为主要材料通过真空融炼铸造、粗线拉伸、中粗线拉伸、细线拉伸、清洗退火处理、绕线分卷等步骤制成。

键合铜丝其主要具备下述几个方面的优势：（1）成本优势。通过大量实践表明，采用金丝作为主要材料时，引线键合需要投入较高的成本，导致微电子产品的造价居高不下，严重影响生产企业的经济效益。而采用键合铜丝之后，则可大大降低引线键合的造价，有利于提升微电子产品生产的经济效益。通过调查可以发现，相同规格条件下，铜丝造价仅有金丝造价的50%左右，如表1所示。（2）电学性能优势。在导电率方面，铜丝约为金丝的1..4倍，因而在电压相同的条件下，采用直径更小的引线，在保证引线键合质量的同时，减少引线占用的空间体积；同时铜丝可接受的熔断电流约为金丝的1.5倍，同线径同长度的铜丝比金丝能承载更大的电流，如表2所示。（3）热学性能优势。相对于其他材料，铜具有更加优秀的热传导性，可快速将热量导出，减少热量积累而对元件产生干扰。（4）机械性能优势。铜丝硬度大，而延伸率约为金丝的2倍，能够抵抗机械应力，有效避免引线键合时出现塌陷等问题[1]。

表1 铜丝、金丝造价成本对比

表2 铜丝、金丝主要性能对比

2 键合铜丝封装时的常见问题

2.1铜丝氧化

由物理学知识结合大量实践操作表明，相对于金丝来说，铜丝的氧化性更强一些，在键合操作过程中，铜丝在氧化作用下，会出现大量自由空气小球，导致产品的外形与规格出现一定变化，增加键合力的控制难度，影响封装球焊的精确性，严重情况下，甚至会使线弧碰线、断线等异常影响封装良率。

2.2超声能量控制难度高

由于铜丝具有较高的硬度，在一定程度上增加了引线键合的难度。为了解决这一问题，微电子产品生产企业在引线键合时，逐渐引入了超声工艺，取得了较为不错的效果，但与此同时，该项工艺又带来了新的问题，即难以对超声能量进行有效控制。若超声能量较低，不符合预期设计要求，很容易导致硅衬底在焊盘下方出现弹坑等破损问题，同时，继续提升作用力后，还会影响下一个焊点的可靠性，降低产品良率。若超声能量较高，在设计要求以上，则会将焊盘中的铝材挤出，也会降低键合质量[2]。另外，未能对超声能量进行有效的控制，还会破坏基板氧化层，出现电解质泄露的情况。

3 键合铜丝半导体封装技术的改进

3.1铜丝内融入适量微量元素

由上述分析可以发现，由于铜具有较强的氧化性，将会对引线键合造成一定影响，很容易出现产品质量不符合要求的情况。所以，在生产铜丝时需要对铜丝进行适当的改进，在保证铜丝其他性质不变的基础上，降低铜丝的氧化性。铜丝从早起的纯铜丝，逐步向99.99%铜丝、99%铜丝过渡，均是通过有意添加其他微量元素，提高引线键合生产作业性以及长期可靠性能。比如添加适量的碱土元素，以此当做脱氧剂，主要元素有Sr、Ca、Mg与Be。其中，增加铜丝的Mg元素含量后，由于其具有较强的氧化性，可将元铜丝中的Fe3+与Cu+析出，降低两种离子的含量，使得新材料在焊接高温条件下，能够具备较高的抗氧化性，从而防止出现铜球不良等缺陷；添加适量的Ca元素后，不仅可以提升铜丝的抗氧化性，而且还会赋予材料更强的温塑性与力学特性等；融入适量Sr元素后，可提升材料表面密实度，增加晶界的完整性，使得抗氧原子深入到铜丝内部，从而达到提升铜丝的抗氧化性。此外，还可向铜丝中添加一些过渡元素，例如：添加Ru元素后，可使铜丝具备更强的抗腐蚀性；添加Nb元素后，能够提升焊接质量，并提升材料抗氧化性；添加Zr元素后，可赋予铜丝更强的温塑性，降低杂质对铜丝的危害，进一步细化晶粒等；添加Ti元素后，可直接优化铜丝的键合性能等；添加Au、Pd元素不仅可以提高抗氧化性，而且可以延缓金属间化合物生长，提高焊点可靠性能。

3.2增加绝缘层

通过上述介绍可知，在铜丝当中添加各种金属元素后，可提升铜丝的抗氧化性，有利于提升整个微电子产品的质量。但需要注意的是，对于上述金属元素来说，价格相对较高，是铜丝价格的数倍乃至数十倍，从而增加键合铜丝的成本，使得铜丝不具备原本的优势，在一定程度上影响键合铜丝的使用。针对这一情况，则可在铜丝的表面，构建出一层绝缘层，在控制铜丝总造价成本的同时，提升引线键合操作的质量，为微电子产品生产提供支持。为了达到这一目的，可在铜丝的表面，均匀涂抹特制的有机涂料，涂料层厚度控制在10～20nm范围内，可将其放置到自然环境下存储，也可放置到200℃的环境内存储，以保证涂料层具有较高的稳定性[3]。还可在铜丝表面涂抹一层聚合物绝缘层，在该绝缘层的作用下，可组织铜丝与氧气的接触，从而达到了提升铜丝抗氧化性的目的。与此同时，焊接操作时，在高温作用下，还会促进涂料的分解，防止绝缘材料影响铜丝的电学性能，确保电流能够在铜丝内顺利导通[4]。采用该方案对键合铜丝处理时，应注意土层的耐高温性，有研究发现，键合操作时，土层虽无法快速分解，但在铜丝绒球时，则会快速地碳化，从而影响铜丝性能，因而还应进一步优化。

3.3改进超声工艺

以铜丝为主要材料进行引线键合时，需要采用超声设备，球焊设备见图1，该设备主要有3部分构成，分别为：（1）换能器，是其中最主要的元件，用于对电能的转换，使其变成相对应的机械能，以此对键合设备的振幅与移动速度等进行控制；（2）聚能器，用于对超声能量的扩大，使其达到预期频率，以此对键合设备的谐振进行控制；（3）发生器，即键合设备，主要将放大后的超声能量传输给键合铜丝，以达到引线键合的目的。实际操作过程中，一般采用双向垂直超声系统，在垂直杆上，安装了相应的压电陶瓷材料，以此在系统内形成相反的振动频率，从而出现不同的移动轨迹。

引线键合操作时，应用了超声、压力与热能。键合原理图见图2，超声键合质量受到多种因素的影响，超声软化与摩擦是其中较为重要的两点，在对超声工艺改进时，可从这两个方面出发。对于超声软化来说，指的是将超声能量传输给铜丝后，使得铜丝硬度、强度明显减弱。针对这一情况，可采用生能吸收的优化方式：从钉扎位置开动位错，以赋予铜丝更高的塑性，确保铜丝在压力较低的环境内，依然能够出现形变。铜丝键合操作时，会在基板上环形的痕迹，表明细微摩擦出现了变化，因而在具体操作过程中，应选找出超声能量与压力的契合点，以降低摩擦对键合的影响。

图1 焊接设备图                               图2 焊接原理图

总结：综上所述，相对于传统金丝来说，铜丝具有成本、电学性质、热学性质等诸多方面的优势，使其逐渐代替金丝作为键合材料。但需要注意的是，铜丝依然也存在一些缺陷，铜丝易被氧化，超声能量控制难度高，在一定程度上影响键合质量。所以，为了更好地进行引线键合操作，必须要根据企业具体情况，采取铜丝内融入适量微量元素、增加绝缘层、改进超声工艺等方式对键合铜丝半导体封装技术进行优化，以提升微电子封装质量。

参考文献：

[1]韩栋梁，贺霄琛.微电子封装设备远程运维平台设计与实现[J].数字技术与应用，2022，40(07)：150-152.

[2]何溪，李晓延，张伟栋，等.微电子封装中全Cu_3Sn焊点高温服役下的微观组织演变[J].微纳电子技术，2022，59(03)：284-291.

[3]方欣.微电子封装切筋系统和模具的设计与应用[J].中国集成电路，2021，30(04)：66-70.

[4]夏旭晖.微电子封装技术的优势与应用[J].无线互联科技，2021，18(04)：102-103.