铜线键合注意.doc

铜丝键合工艺及操作注意事项对键合铜丝产生弹坑问题的有关原理的解释 键合铜丝作为微电子工业的新型材料,已经成功替代键合金丝应用于半导体器件后道封装中随着单晶铜材料特性的提高和封装键合工艺技术及设备的改善,铜丝在硬度，延展性等指标方面已逐渐适应了半导体的封装规定其应用已从低端产品向中高品位多层线、小间距焊盘产品领域扩展因而，在此后的微电子封装发展中，铜丝焊将会成为主流技术采用铜丝键合工艺不仅能减少半导体器件制导致本,更重要的是作为互连材料，铜的物理特性优于金目前,铜丝键合工艺中有两个方面应予以高度注重:一是铜丝储存及使用条件对环境规定高,特别使用过程保护措施不当易氧化;二是铜丝材料特性选择、夹具选择、设备键合参数设立不当在生产制造中易导致芯片焊盘铝挤出、破裂、弹坑、焊接不良等现象发生，最后将导致产品电性能及可靠性问题而失效因此,铜丝键合应注意如下工艺操作事项及规定，以保证铜丝键合的稳定及可靠性 1、 铜焊线的包装和寄存：铜具有较强的亲氧性，在空气中铜丝容易氧化，因此铜丝必须寄存于密封的包装盒中以减少环境空气中带来的氧化现象于是规定各卷铜焊线必须采用吸塑包装，并在塑料袋内单独密封贮藏时间一般为在室温(２0～25℃）下４~６个月。

铜丝一旦打开包装放于焊线机上,铜丝暴露于空气中即可产生氧化原则上规定拆封的铜丝在4８小时（涉及焊线机上的时间）内用完为好,最长不超过72小时2、惰性保护气体：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,氛围瞬时呈真空状态,但这种氛围不久和周边的大气相混合，常导致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,并且不易焊接目前，铜丝键合新型EＦO工艺增长了一套铜丝专用装置（K＆S公司配备相对封闭的防氧化保护装置),是在成球及楔线过程中增长惰性气体保护功能,以保证在成球的一瞬间与周边的空气完全隔离,以避免焊球氧化一般保护气体有两种防氧化方式：一种是采用纯度为5个“9”以上的１0０％氮气作为保护气体;另一种是采用9０～95％氮气和５～1０%氢气的保护加还原的混合气体在焊接过程中，氮气避免氧气与铜发生反映，同步适量的氢气作为还原气体以去掉铜表面的氧化层目前，大部分生产厂家现工艺趋向使用混合保护气体但是,还应注意如下几种方面: ⑴ 高压打火杆的上表面与相应的气体喷嘴的下表面应处在同一种平面上，以保证烧球时气体保护良好;⑵ 保护气体加在易浮现氧化的高压打火杆烧球点（EFO过程）与工作台的芯片加热区域,流量一般为１L／ｍin左右。

流量大小重要视铜球的氧化颜色与铜球的焊接形状而定,太大会浮现高尔夫球状况，太小则会影响保护作用;⑶ 保护气体的气嘴尽量接近劈刀,以保证气体最大范畴的保护工作面⑷ 在设备上加一套铜丝专用装置(Cｏpper&nｂsp; Kｉｔ）,这套装置运用惰性气体保护暴露在空气中的铜线和引线框架虽然重要的氧化作用在球键合过程中发生，但设立合适的保护气体对第二步键合工艺也是有益的3、 劈刀的选用:铜丝选用的劈刀与表面的焊接力同步还要注意如下劈刀形状尺寸差别：⑴ 铜丝劈刀Ｔ面要稍大一点，太小第二压点（2ｎd）容易切断导致拉力不够或不均匀;⑵ 铜丝劈刀CD可基本保持不变,太大或太小都容易浮现不粘等现象；⑶　铜丝劈刀H（孔径）比铜丝直径大8μm即可，太小容易在颈部拉断；⑷　铜丝劈刀CA可合适减小角度值，大了易导致线弧不均匀，但太小线弧颈部容易拉断;⑸ 铜丝劈刀ＦA选用一般规定8度如下（４-8度)；⑹ 铜丝劈刀OR选用与金丝大同小异4、铜丝工艺对框架的规定：对于框架的第二焊点是铜丝键合质量的一种挑战,一方面,铜丝氧化也许导致焊接点和引线框架之间界面间强度削弱,并且由于氧化作用焊接点容易脆裂，即容易产生焊点脱落或拉力强度低；另一方面，铜键合在第二焊点需设立更高的键合参数，从而在控制焊接形貌上存在难度，并且需要调节引线框架（引线端）的设计以可以经受更高的键合参数。

因此,规定达到：⑴ 框架表面光滑、镀层良好如Ａｇ预镀表面框架的银层厚度应控制在0.０３mm～0.0６mｍ;⑵ 管脚共面性良好,不容许有扭曲、翘曲等不良现象管脚表面粗糙和共面性差的框架拉力无法保证且容易浮现翘丝和切线导致的烧球不良,压焊过程中容易断丝及浮现尾部过短的现象⑶ 铜丝对于Ａg预镀表面框架键合具有良好的焊接性能,合理的设立焊接参数即可达到质量规定而对于NiPｄAu预镀表面框架,则需要更长的键合时间和大的待机功率来提高第二键合期间的引线稳定性5、压焊夹具的选用：铜丝产品对压焊夹具的选用规定非常严格,一方面夹具制作材料要选用得当，同步夹具表面要光滑,要保证载体和管脚无松动,否则将直接影响产品焊接过程中烧球不良、短线、翘丝等一系列焊线问题6、铜丝与金线在工艺参数上的区别:在铜丝键合中需要考虑的基本参数有键合和接触的功率/力/时间相比金丝来讲:a、EＦO过程规定更大的电子打火电流和相对短某些的打火时间；b、键合时一般需要更大的焊接力和功率以及长某些的焊接时间因此，除了这些参数在第一球键和第二楔线焊点都要增长外，还要较好地拟定（通过工艺实验)第一键合环节的待机功率和焊接压力，以提高球键的键合质量，同步要避免发生键合弹坑（Crateｒ)的也许性；再就是需要考虑更长的键合时间来提高第二键合期间的引线稳定性;焊线方向上的最佳待机功率和垂直方向上摩擦也将有助于获得优良、牢固焊接形状和良好的拉力强度。

铜丝键合相比金线在设备参数设立(由工艺实验数据拟定）还要注意如下几点:⑴ 在EFO过程中，对铜焊球硬度有影响的是电子打火装置参数的设定，特别是电子打火电流这个参数的设定相对减小(或增长）烧球电流和合适增长(或减少)烧球时间，要经反复实验控制好熔球温度及球体形态,以减轻骤热骤冷对焊球变硬的影响实验显示，打火电流增长(太大)可导致焊球硬度增长;⑵　在一般状况下,铜丝的打火成球设立在第1焊点位置的上方进行，而不是在第２焊点后的位置上,以便尽量的缩短成球至焊接的时间，避免球表面降温硬化合适减少球焊接触时超声能量,同步相对加大热焊接压力，使焊接在低超声能量下达到铜丝球焊工艺规定,以避免键合区铝层弹坑风险的发生；⑶ 第2键合点(楔形焊接）是铜丝键合质量状况的一种挑战，同步它的焊接好坏及形态也直接影响到第１焊点时的成球质量和球焊质量由于铜丝的硬度比金高,第2键合期间要加以更大一点的超声能量、焊接压力和长某些的焊接时间以提高框架上的引线焊接稳定、可靠性和保证第1焊点成球的一致性;⑷ 在框架的第二焊点产生线尾的时候也许也会有某些问题，在大线径(>３0um）的也许会稳定些,但小线径(≤２5um)的也许会有某些不一致性的线尾发生。

这些现象也许跟铜线的大结晶颗粒有关，金线具有较小的微米级延展颗粒，铜线只是大几微米而已细线径的铜线具有较少的颗粒,它的拉力强度更依赖于晶粒排列走向而有别于大线径的铜线,从而导致线的变形，强度和线尾的不稳定性，也同步影响了第二焊点的尺寸大小；由于，框架的第二焊点成型将依赖于许多不同取向的大颗粒，从而影响了拉力强度,有时还导致第二焊点的不一致性不同长短的线尾也许来自于不同行为的铜线拉扯,从而导致在下一种空气球时产生小球⑸　铜丝压焊工艺参数与金线相比较最大的变化是加大了焊接压力（contact　forｃe),以增长其可焊性同步，为了减小弹坑风险，铜球打下去的深度,一般不要超过铝层厚度的一半为好建议:一般1mil如下铜丝采用低功率(oｗ-poｗer)模式，１．２mil以上的铜丝才采用高功率(Hｉgｈ-power)模式进行7、铜丝对生产效率和产品质量的影响:⑴ 产能相对较低,铜丝硬度要高于金线，压焊过程中断丝几率和不粘结现象相对增大，考虑到可焊性能等因素,铜丝压焊速度要相对较慢,正常状况下设备运用率减少15-20%左右⑵ 偏心球、烧球不良(高尔夫球)产生较多铜丝第二焊点（2nd)切线稍有异常，将直接影响第一焊点（１st)的烧球。

气体保护范畴太小或框架、夹具异常均会对第一焊点的烧球产生影响因此,在浮现以上现象时一方面要排除硬件因素，然后再考虑从参数设立方面解决⑶　不粘结产生频繁由于铜丝的特殊性，键合过程中不粘结现象较为严重，在铜丝键合过程中浮现不粘结，应从如下方面解决:a、要保证拆封的铜丝无氧化、沾污，拆封后的铜丝要在48小时内用完;b、夹具表面平整光滑，载体无松动;c、保证烧球时气体保护良好;d、装片平整，胶量充足,固化焊接温度均匀、牢固;ｅ、劈刀选用合理；f、设备参数调节合适⑷ 弹坑风险增长由于铜丝硬度要高于金线，且容易产生氧化，弹坑风险几率大大增长为了减小铜丝弹坑风险，需从如下几方面加以解决:ａ、配备专人每班应做例行弹坑验证，涉及更换品种、夹具和设备维修后;ｂ、加强过程控制在更换不同批号铜丝、劈刀或修改EFO参数后必须做弹坑实验；c、对某些硬件如气嘴、流量（保护气体)、夹具、压缩空气等每班至少进行一次检查同步提示操作员随时检查；d、一般对铝层的厚度要比较厚某些实际工艺中可参照如下键合铜丝线径和所需要的最小芯片铝层厚度及金属化成分：线径(miｌ)&ｎbｓp； 公制（μm)  最小铝层厚度（μm） 金属化成分⑸ 球焊点热老化失效a、键合过程把铜丝打在软的、簿的键合区铝金属层上,铜材料的硬度可以导致键合区弹坑和键合区开裂失效模式浮现。

由于这种破坏作用,在键合区下铝金属层的变薄也会导致热老化失效b、通过实验发现铜球焊点在185℃老化8０0小时后焊点界面上会浮钞票属间化合物金属间化合物的浮现会导致接触电阻的变大和物质性能脆化及焊接力减小的现象,厚度超过2μm时将会失效一般状况下，焊接良好的铜球焊点界面金属间化合物生长速度很慢,形成这样厚的金属间化合物很难但铜丝表面氧化而焊接不良时则容易在界面产生金属间化合物，且随温度和时间增长而导致界面性能的较大变化，严重时即可浮现失效总之，采用铜丝键合需要考虑的问题如下：⑴ 混合气体保护及屏蔽,即气体的组分、流速、屏蔽区域和喷嘴设计;⑵ 铜线的使用寿命(涉及焊线机上的时间）;⑶ 核心键合参数，涉及键合和接触功率/力/时间,一般状况下这些参数在球键和第二熔合线焊点都需要增长;⑷ 较好地拟定待机功率，以提高球焊的键合质量,减少发生键合弹坑的也许性;⑸ 焊线方向上的最佳待机功率和垂直方向上摩擦也将有助于获得优良、牢固焊接形状和良好的拉力强度；⑹　相对于金线键合,铜线键合中的焊接劈刀需要更结实的质地材料和相适应的型号尺寸规定；⑺ 合适增长芯片电极铝层厚度可以改善焊接不粘问题和避免芯片的损伤；⑻ 在第一球焊点面积许可的前提下,合适选用粗某些的铜线,以提高第二焊点产生线尾的一致性、稳定性，减少接下来打火成球大小(小球)不均的现象,改善键合质量;⑼ 铜丝对于预镀框架的第2键合点需要更长的键合时间和大的待机功率来提高第二键合期间的引线稳定性。

一、 CＵ线焊接操作规程要则： 事实上，AU线作为成熟的使用材料，其焊接过程已呈规范化程序化CU线作为一种新兴的替代材料，为达到满意的使用效果,与AU线相比，其在焊接过程中需注意如下的某些操作细则:1． 重要指标:焊接参数增长,超声功率增长(有时球焊时需减少）,焊接时间延长具体参数要通过反复工艺实验和老化实验来拟定2、 加热温度:不小于等于280℃(ＡU线为2２5℃）3、 焊接方式：采用S.P型焊接，即CU线为(-)极Ｓ.P型的焊接可以保证ＣU球所有熔化,并使CU球的中心HＶ值更低4、 热劈刀顶:劈刀需加热到150℃,目的是减少ＣＵ球的变形阻力，使Ｓi片不受损害5、 Aｌ垫片的硬度:CU球硬度规定相对较高，努氏硬度取值HＫ=45，这样可以避免粘附，并达到相应的材质规定(AU球的硬度规定为HK=3５）6、 劈刀。