此文章刊登于 机电工程技术 第四十六卷 2017年第02期 增刊
作者：蓝记粧 （现任 广州瑞能电子科技有限公司 运营总监）
摘要：在微电子工业中，铜丝发展迅速，时间之短，在业界受到高度重视。在集成电路封装中，占居重要位置。目前铜线键合广泛应用于较传统的封装工艺，如SOT、SOP、DIP、DNF、QFN等封装外型，其趋势将向多级封装、较小间距焊盘等领域发展。通过近年来，对铜线键合技术取得成功经验，讲解铜线工艺特殊要求，总结技术要点，提出预防措施，为铜线键合技术向更高领域发展奠基基础。
关键词：封装；铜线；键合；工艺
中图分类号：TM241 文献标识码：B 文章编号：1009-9492（2017）z2-0587-04
0 引言
在集成电路封装领域中，超过90%采用引线键合工艺。引线键合是指在一定的环境下，采用超声加压的方式，将引线两端分别焊接在芯片焊盘上和引线框架上，从而实现芯片内部电路与外部电路的连接。发展至今，引线金属材料主要有金线、铝线、铜线等，其中铜线的可靠性和成本优势，受到业界的高度关注。
一直以来，键合金线具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，在集成电路封装中，得到广泛应用，但因资源的缺乏，随着材料价格的攀升和电子产品价格下降的双重压力下，无形推动着业内专业机构和单位不断寻求新的廉价代替材料，成为市场发展规律。
在集成电路封装行业，人们一直在寻找低成本、高可靠性的廉价金属材料来代替稀贵金线。目前，出现了铝线、铜线等材料。铝材价格低廉，但由于成球性不佳、拉伸和耐热性较差，且铝线键合设备较贵的原因，目前局限于功率器件、微波器件和光电器件封装中。人们发现铜线的电热学性能优于金线，同时由于铜线的拉伸、剪切强度和延展性方面优于金线，可采用更小直径的铜线来代替金线。数据分析得知，铜线键合球剪切力比金线高15%～25%，拉力值比金线高10%～20%，在塑封包封时线弧抗冲弯率更好。因此，键合铜线技术的广泛应用并向更加高端领域的推广，具有总要意义。
1 铜线键合工艺的改进
目前市场上还未有铜线键合的专用设备以及制定相应的规格与条件。铜线键合完全是在金线键合基础上发展而来，在金线键合平台上做改进，通过调整工艺参数和增加工艺条件，以适合铜线键合的生产环境。
1.1 铜线焊接优点
1.1.1 价格低廉
等规格引线中，铜线价格是金线的1/10。
1.1.2 电学性能
铜的导电率高于金，大约是金的1.5倍，铜线可承载电流更大，对应用于更小直径引线以适用高密度集成电路封装更加有优势。
1.1.3 热学性能
铜的热传导率：401W
金的热传导率：318W
明铜线的导热性好，散热快
1.1.4 机械性能
铜线焊点的剪切断裂载荷比金线的更加稳定，且在老化的一定时间内铜线焊点的力学性能表现更佳。
1.1.5 焊接头金属间化合物
金线焊接到芯片铝层焊接盘后，广泛出现紫斑和白斑的问题，并且An和A1的元素扩散率不同，导致界面形式空洞或者裂纹，减低了焊点力学性能和电学性能。可Cu和A1界面的金属间化合物生长速度相当于An和A1界面的1/10。可见，铜线焊接的可靠性要比金线强。见图1。
1.2 铜线键合工艺控制与预防
1.2.1 防止铜线氧化
由于Cu材质特性，长期在空气中易于氧化，特别在焊接的高温作业环境下，更加容易产生氧化。氧化后，铜线表面的氧化层，会增加焊接难度和出现焊接后虚焊的现象。因此，在铜线的存放、生产过程中，都要做好预防措施。
铜线在空气中，与氧气发生氧化，形成C，很难用物理方法去除。化学反应式1：
4Cu + O₂ ---- 2Cu₂O （1）
在焊接高温作用下，铜和氧的氧化过程。化学反应式2：
4Cu + O₂ ---- 2CuO （2）
在业内，有尝试通过在铜线的表面镀一层惰性金属来防止氧化，市面上有镀一层Pa的铜线，可以防止氧化，并且第二焊接力学性能强于单纯的铜，但由于镀Pa铜线价格比铜线贵3倍，并且解决第二焊点的力学性能，对焊接工艺作用不大。因此，业内广泛采用惰性气体防止氧化。铜线的键合，通常是在金线的键合设备上加装了吹气体装备，如图2。
至于气体一般使用和的混合气体。在保护气体环境下，铜线键合过程的反应式3为：
2Cu₂O + H₂ ---- 2Cu +H₂O （3）
1.2.2 工艺参数控制
影响焊接头性能的工艺参数较多，包含引线、劈刀、基岛、压力、超声、温度和火花放电。具体参数如图3。研究各种工艺参数对焊接头性能的影响，有助于改善焊接工艺。实践发现，铜线的端部里火花放电的电极越近，放电后形成的焊球越好。并且Tan等发现，铜球的直径与火花放电电流和时间存在以下公式4的关系。
FAB（D） = f（I₂*t） （4）
式中FAB（D）为铜球直径，I为火花放电电流强度，t为放电时间。通过调节I和t，可以调节更高质量的铜球。
在键合过程中，引线框架需要加热到200℃～220℃进行键合。在此过程中，键合工作台和电子打火（EFO）的温度容易照成铜球的氧化，从而影响焊接性能。根据公式4可知，加大火花放电电流强度，缩短放电时间，可以有效降低氧化程度。
2 铜线键合技术难点分析
尽管铜线键合对比金线键合，有成本低、导电导热性能高和焊接头强度高的一系列优势，但铜线键合也存在多方面的缺陷，主要是铜线的硬度高，意味着键合时需要更大的超声功率和压力强度，容易造成基板断裂、硅坑和虚焊等一系列问题。对芯片的损伤与破坏，会给产品质量带来隐患。
2.1 焊盘铝层挤出的原因分析
由于铜线的硬度大，在键合时，需要加大键合压力，往往促使焊盘铝层被挤出，见图4。被挤出的铝与周围铝条之间短路，使得芯片功能失效。由于对失效产品开封后，铝渣跟随环氧树脂一起脱落，所以很难作为该失效模式的判断根据。
2.2 超声波在键合中的作用
超声是热超声键合过程中，主要的外加能量之一。人们发现，在热超声键合中，超声起到两方面的作用：超声软化和摩擦。
2.2.1 超声软化
超声软化是指金属在超声激励下强度和硬度减小的现象。通过这种超声的能力，暂时使金属软化，增加塑性能力，使得金属在较低的压力下变形。目前人们对热超声键合中超声波对金属力学行为影响的定量分析尚未有报道。
2.2.2 摩擦
没有摩擦就没有键合，在热超声键合时，金丝球与基板接触面之间的摩擦是完成键合的重要条件之一。金丝键合在基板上留下的环状痕迹，通过对比发现随着超声功率加大，环状内劲变小，直至由微摩擦变为相对滑动。见图5。因此，超声功率对键合点的改良起到一定作用。单对于铜线键合中，超声功率与摩擦的作用，是否借鉴金线的，尚未有报道。
2.3 降低铝层挤出的办法
键合主要依赖热、压力、超声功率和时间，而超声功率运行为Y方向，所以铝层被挤出主要在Y方向，X方向极少见。而且，国内的芯片焊盘上的铝层材质，主要还是针对金线键合设计的，所以铝层硬度相对低。面对现状，为控制铝层被挤出的现象，解决的方法可通过调整键合的接触面积、键合压力、键合超声输出功率合适角度的劈刀。增加超声功率，使得铜球容易软化快速变形，增大铜球与焊盘之间的接触面积，同时挑选适合角度的劈刀，使得在键合过程中超声功率作用靠近铜球中心的位置，可以减少超声功率对焊盘的作用时间，从而降低焊盘上铝层被挤出的风险。
2.4 键合中焊盘的破裂
在铜线键合过程中，造成焊盘破裂的现象也是比较常见。原因有几个方面。一是烧铜球的质量，铜球过大或者过小，铜球表面的氧化，硬度增加，减少缓冲应力。二是基岛在基板上浮动使其不平整，应力不均匀。三是芯片焊盘上本身残留的杂物过多。以上情况都会出现在焊接压力和超声功率作用下，造成焊盘铝层破裂甚至弹坑。
3 总结
由于半导体器件的市场价格竞争愈演愈烈，寻求低廉材料代替成为主要途径。对于当前的铜线材料，其价格低廉，又具有良好机械性和电热导性等优势，造就了一个很大的发展空间，而且其应用将更加广泛和长远。
在国内，铜线键合工艺得到广泛应用，实验证明铜线在机械强度、电热学性能和可靠性方面优于其他金属材料，人们通过调整适当的工艺装备和工艺参数，使得铜线的硬度和易氧化得到控制与预防。目前，对于集成电路封装，在批量生产SOT、SOP、DIP等封装形式中，合格率可到99.5%以上。随着人们对铜线重视与进一步实践总结经验，一方面对铜线工艺继续改进，另一方面研究出适合铜线键合的设备。有助铜线键合工艺在多级封装和更高密度封装中得到应用和推广。
参考文献
[1] 胡永恒. 铜线键合中金属焊盘键合深度研究[D]. 成都：电子科技大学，2012.
[2] 陈新，李军辉，谭建平. 芯片封装中铜线焊接性能分析[J]. 贵金属，2004（04）.
作者简介：蓝记粧，1980年生，大学本科。研究领域：先进集成电路封装技术。
作者：蓝记粧 （现任 广州瑞能电子科技有限公司 运营总监）
摘要：在微电子工业中，铜丝发展迅速，时间之短，在业界受到高度重视。在集成电路封装中，占居重要位置。目前铜线键合广泛应用于较传统的封装工艺，如SOT、SOP、DIP、DNF、QFN等封装外型，其趋势将向多级封装、较小间距焊盘等领域发展。通过近年来，对铜线键合技术取得成功经验，讲解铜线工艺特殊要求，总结技术要点，提出预防措施，为铜线键合技术向更高领域发展奠基基础。
关键词：封装；铜线；键合；工艺
中图分类号：TM241 文献标识码：B 文章编号：1009-9492（2017）z2-0587-04
0 引言
在集成电路封装领域中，超过90%采用引线键合工艺。引线键合是指在一定的环境下，采用超声加压的方式，将引线两端分别焊接在芯片焊盘上和引线框架上，从而实现芯片内部电路与外部电路的连接。发展至今，引线金属材料主要有金线、铝线、铜线等，其中铜线的可靠性和成本优势，受到业界的高度关注。
一直以来，键合金线具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，在集成电路封装中，得到广泛应用，但因资源的缺乏，随着材料价格的攀升和电子产品价格下降的双重压力下，无形推动着业内专业机构和单位不断寻求新的廉价代替材料，成为市场发展规律。
在集成电路封装行业，人们一直在寻找低成本、高可靠性的廉价金属材料来代替稀贵金线。目前，出现了铝线、铜线等材料。铝材价格低廉，但由于成球性不佳、拉伸和耐热性较差，且铝线键合设备较贵的原因，目前局限于功率器件、微波器件和光电器件封装中。人们发现铜线的电热学性能优于金线，同时由于铜线的拉伸、剪切强度和延展性方面优于金线，可采用更小直径的铜线来代替金线。数据分析得知，铜线键合球剪切力比金线高15%～25%，拉力值比金线高10%～20%，在塑封包封时线弧抗冲弯率更好。因此，键合铜线技术的广泛应用并向更加高端领域的推广，具有总要意义。
1 铜线键合工艺的改进
目前市场上还未有铜线键合的专用设备以及制定相应的规格与条件。铜线键合完全是在金线键合基础上发展而来，在金线键合平台上做改进，通过调整工艺参数和增加工艺条件，以适合铜线键合的生产环境。
1.1 铜线焊接优点
1.1.1 价格低廉
等规格引线中，铜线价格是金线的1/10。
1.1.2 电学性能
铜的导电率高于金，大约是金的1.5倍，铜线可承载电流更大，对应用于更小直径引线以适用高密度集成电路封装更加有优势。
1.1.3 热学性能
铜的热传导率：401W
金的热传导率：318W
明铜线的导热性好，散热快
1.1.4 机械性能
铜线焊点的剪切断裂载荷比金线的更加稳定，且在老化的一定时间内铜线焊点的力学性能表现更佳。
1.1.5 焊接头金属间化合物
金线焊接到芯片铝层焊接盘后，广泛出现紫斑和白斑的问题，并且An和A1的元素扩散率不同，导致界面形式空洞或者裂纹，减低了焊点力学性能和电学性能。可Cu和A1界面的金属间化合物生长速度相当于An和A1界面的1/10。可见，铜线焊接的可靠性要比金线强。见图1。
1.2 铜线键合工艺控制与预防
1.2.1 防止铜线氧化
由于Cu材质特性，长期在空气中易于氧化，特别在焊接的高温作业环境下，更加容易产生氧化。氧化后，铜线表面的氧化层，会增加焊接难度和出现焊接后虚焊的现象。因此，在铜线的存放、生产过程中，都要做好预防措施。
铜线在空气中，与氧气发生氧化，形成C，很难用物理方法去除。化学反应式1：
4Cu + O₂ ---- 2Cu₂O （1）
在焊接高温作用下，铜和氧的氧化过程。化学反应式2：
4Cu + O₂ ---- 2CuO （2）
在业内，有尝试通过在铜线的表面镀一层惰性金属来防止氧化，市面上有镀一层Pa的铜线，可以防止氧化，并且第二焊接力学性能强于单纯的铜，但由于镀Pa铜线价格比铜线贵3倍，并且解决第二焊点的力学性能，对焊接工艺作用不大。因此，业内广泛采用惰性气体防止氧化。铜线的键合，通常是在金线的键合设备上加装了吹气体装备，如图2。
至于气体一般使用和的混合气体。在保护气体环境下，铜线键合过程的反应式3为：
2Cu₂O + H₂ ---- 2Cu +H₂O （3）
1.2.2 工艺参数控制
影响焊接头性能的工艺参数较多，包含引线、劈刀、基岛、压力、超声、温度和火花放电。具体参数如图3。研究各种工艺参数对焊接头性能的影响，有助于改善焊接工艺。实践发现，铜线的端部里火花放电的电极越近，放电后形成的焊球越好。并且Tan等发现，铜球的直径与火花放电电流和时间存在以下公式4的关系。
FAB（D） = f（I₂*t） （4）
式中FAB（D）为铜球直径，I为火花放电电流强度，t为放电时间。通过调节I和t，可以调节更高质量的铜球。
在键合过程中，引线框架需要加热到200℃～220℃进行键合。在此过程中，键合工作台和电子打火（EFO）的温度容易照成铜球的氧化，从而影响焊接性能。根据公式4可知，加大火花放电电流强度，缩短放电时间，可以有效降低氧化程度。
2 铜线键合技术难点分析
尽管铜线键合对比金线键合，有成本低、导电导热性能高和焊接头强度高的一系列优势，但铜线键合也存在多方面的缺陷，主要是铜线的硬度高，意味着键合时需要更大的超声功率和压力强度，容易造成基板断裂、硅坑和虚焊等一系列问题。对芯片的损伤与破坏，会给产品质量带来隐患。
2.1 焊盘铝层挤出的原因分析
由于铜线的硬度大，在键合时，需要加大键合压力，往往促使焊盘铝层被挤出，见图4。被挤出的铝与周围铝条之间短路，使得芯片功能失效。由于对失效产品开封后，铝渣跟随环氧树脂一起脱落，所以很难作为该失效模式的判断根据。
2.2 超声波在键合中的作用
超声是热超声键合过程中，主要的外加能量之一。人们发现，在热超声键合中，超声起到两方面的作用：超声软化和摩擦。
2.2.1 超声软化
超声软化是指金属在超声激励下强度和硬度减小的现象。通过这种超声的能力，暂时使金属软化，增加塑性能力，使得金属在较低的压力下变形。目前人们对热超声键合中超声波对金属力学行为影响的定量分析尚未有报道。
2.2.2 摩擦
没有摩擦就没有键合，在热超声键合时，金丝球与基板接触面之间的摩擦是完成键合的重要条件之一。金丝键合在基板上留下的环状痕迹，通过对比发现随着超声功率加大，环状内劲变小，直至由微摩擦变为相对滑动。见图5。因此，超声功率对键合点的改良起到一定作用。单对于铜线键合中，超声功率与摩擦的作用，是否借鉴金线的，尚未有报道。
2.3 降低铝层挤出的办法
键合主要依赖热、压力、超声功率和时间，而超声功率运行为Y方向，所以铝层被挤出主要在Y方向，X方向极少见。而且，国内的芯片焊盘上的铝层材质，主要还是针对金线键合设计的，所以铝层硬度相对低。面对现状，为控制铝层被挤出的现象，解决的方法可通过调整键合的接触面积、键合压力、键合超声输出功率合适角度的劈刀。增加超声功率，使得铜球容易软化快速变形，增大铜球与焊盘之间的接触面积，同时挑选适合角度的劈刀，使得在键合过程中超声功率作用靠近铜球中心的位置，可以减少超声功率对焊盘的作用时间，从而降低焊盘上铝层被挤出的风险。
2.4 键合中焊盘的破裂
在铜线键合过程中，造成焊盘破裂的现象也是比较常见。原因有几个方面。一是烧铜球的质量，铜球过大或者过小，铜球表面的氧化，硬度增加，减少缓冲应力。二是基岛在基板上浮动使其不平整，应力不均匀。三是芯片焊盘上本身残留的杂物过多。以上情况都会出现在焊接压力和超声功率作用下，造成焊盘铝层破裂甚至弹坑。
3 总结
由于半导体器件的市场价格竞争愈演愈烈，寻求低廉材料代替成为主要途径。对于当前的铜线材料，其价格低廉，又具有良好机械性和电热导性等优势，造就了一个很大的发展空间，而且其应用将更加广泛和长远。
在国内，铜线键合工艺得到广泛应用，实验证明铜线在机械强度、电热学性能和可靠性方面优于其他金属材料，人们通过调整适当的工艺装备和工艺参数，使得铜线的硬度和易氧化得到控制与预防。目前，对于集成电路封装，在批量生产SOT、SOP、DIP等封装形式中，合格率可到99.5%以上。随着人们对铜线重视与进一步实践总结经验，一方面对铜线工艺继续改进，另一方面研究出适合铜线键合的设备。有助铜线键合工艺在多级封装和更高密度封装中得到应用和推广。
参考文献
[1] 胡永恒. 铜线键合中金属焊盘键合深度研究[D]. 成都：电子科技大学，2012.
[2] 陈新，李军辉，谭建平. 芯片封装中铜线焊接性能分析[J]. 贵金属，2004（04）.
作者简介：蓝记粧，1980年生，大学本科。研究领域：先进集成电路封装技术。
