铜线键合的优势与局限

pjh02032121 · 发表于 2015-3-20 17:11

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铜线的优势

随着金价的持续上涨（目前每盎司已超过800美元），金线的价格也不断高升。虽然采用金线和铜线的制造成本基本是一样的，但是金线的材料成本却要高得多。根据市场的行情，1mil 铜线能够节省成本高达75%，2mil 的铜线高达90%。在功率封装中，要求使用大直径导线来达到电力负荷，这样铜线就可以为半导体封装公司节约相当可观的成本费用。即使对于具有多达1000根（每根长达6 米）的某些精确节距封装，采用铜线也可以明显降低成本。例如，一个精确节距QFP或BGA 封装可能需要5 米多长的导线，而采用铜线来代替金线就可以降低大量的成本。

除了较低的成本外，铜线优良的机械和电学特性使它可以用在具有更高引线数和更小焊盘尺寸的各种高端精确节距器件中。由于铜比金和铝的强度高50%，刚度高30%，所以它能提高优良球颈的抗拉强度，并在低长环的塑膜或封装期间能更好的控制环。更高的抗拉强度使在精确节距应用中的一些操用于精确节距工艺的作变得更加容易。

在导线直径相同的情况下，铜的导电性要高出23%，这样在获得同等的导电性时，可采用更细的铜线。所以，更细的铜导线可以取代更粗直径的金线功率器件，铜线的这部分提高的导电性具有明显优势。在精确节距封装中，采用铜就可以使用更细的导线而不会影响电学性能。

在铜线键合中金属间的生长也比在金线键合中的生长慢得多，这样，在IC 寿命周期内，可以增加键合稳定性和器件性能。铜- 铝金属间也会形成化合物，但比形成金- 铝金属间化合物所需的温度高。随着目前器件工作温度变得更高，更慢的金属间化合物生长速率、更高的强度和更优良的电和热传导性这些优势结合起来，就为超精确节距、高可靠性线键合提供了一种效果优异，成本低廉的方法。
克服铜的局限性

虽然铜有着许多优势，但它本身也有两个值得注意的局限点：硬度大和易被腐蚀。由于铜本身的硬度比金大（纯度99.99% 的退火过的铜要比纯度99.99% 的掺杂金的硬度大很多），所以铜更容易损坏微芯片的表面。由于铜线本身比金线不容易变形，所以它对焊盘的应力更大。含有更精确导线、低K 介质和BOAC 的更新型的器件结构要求灵敏的键合条件。

铜很容易腐蚀和发生相互反应。在自由空气小球形成期间的铜氧化反应会导致导线键合球的大小和形状发生变化。大小和形状的改变会产生不规则键合，会使键合力和焊盘形变很难控制。为了消除氧化反应的影响，铜必须被一层封装胶囊保护起来以提供可靠的互连接。

由于铜氧化得很快，所以与铜相关的储存和产品寿命周期也面临着挑战。改进的设备和材料为了解决这些问题，制造商们已经研制出了新材料来增强铜线的性能，尤其在精确节距应用中。新的合金导线（DHF 和Icu）已被引进，它具有更长的货架期，而且在导线键合点上，它被暴露于环境条件下也不会使焊球结构发生衰变。被引进市场的一种新的更软的铜键合线有助于降低IC 焊盘的应力，从而显着提高第二键合的强度。对铜线来说，第二键合强度是一个典型的很有利用前景的属性，尤其在精确节距应用中。与普通的铜线相比，这种新的更软的铜线获得了高达35% 的更高的第二键合拉力响应，并且增加了键合的稳健性。

为了在易腐蚀的条件下获得更长的使用寿命，毛细管已被设计和优化并沿着铜线起作用。为金线设计的普通毛细管不能经受铜线的力，导致了铜线寿命期缩短。这反过来不仅需要停机时间来替换毛细管，还增加了材料的成本。专门为铜线键合研制的新型毛细管具有独特的几何设计特征和材料表面特性，可以获得一致性和稳定性高的精确的铜线第二键合，同时还保持了全部铜线键合工艺的质量。研制这种毛细管是为了补偿铜的固有易腐蚀性在工程技术上所面临的挑战，这种毛细管可以确保用于优质工艺控制和生产的第一和第二键合质量。

为了不采用新的焊线机，制造商已经开发出了铜升级包，以使现有的改进焊线机在工作条件改变的情况下能够继续进行铜线焊接工作。这一策略使制造商们可以把铜线用于高生长、大容量的产品中，从而进入低成本市场。

铜升级包一方面可以使现有的焊线机在密封的环境中生成未被氧化的铜焊球。要获得高成品率高可靠性键合就必须形成未被氧化的铜焊球。当对焊线机进行改进时，电子燃烧熄灭（Electronic Flame Off）硬件可以在焊球形成期间通过减少导线周围的气体来提供一种无氧环境。通过在这种气体传输系统的密封环境中进行键合，采用最少的气体就可以形成完美的焊球。

升级包另一方面含有一个接触探测系统，它可以更好地控制键合力和进行接触保护。这对硬的铜焊球是一个优势，因为该焊线机向下时可以保护表面而不会把焊球压入表层中。

把这些优化方法（即更软的铜线，优化的毛细管和改进的工具包）综合在一起，公司就可为前面所陈述的铜线键合在精确节距应用中所面临的挑战提供一种完整的工艺解决方案。
预测
虽然在20 世纪80 年代晚期和90 年代早期，几乎每个半导体制造商都在开展铜线键合研制工作，但由于成品率的问题和铜线的一些局限性，他们都没能够进入大批量的IC 制造业中。键合工艺的优化和在铜线和支持设备上的重要改进使铜线键合性能可以达到或超过可比的金线键合。这将使铜不仅应用在功率封装中，还将扩展到引线众多的封装中，例如QFP、BGA、易被金属化的器件和有源电路上的键合（BOAC）。

在引线数更多的封装中，衬底的成本已降到了一定的极限，现在导线占封装预算的一大部分。由于低成本和高功率器件的市场竞争非常激烈，所以目前极小的成本优势也会受到关注。铜所带来的成本的降低及它的机械和电学优势将为制造商们创造一个竞争的空间，使他们把铜线作为主要材料来生产低成本的器件。