可以達(dá)到或超過(guò)金線鍵合性能和焊接效率的銅線

袁毅

首席技術(shù)官香港微連接國(guó)際有限公司

金價(jià)不斷上漲增加了半導(dǎo)體制造業(yè)的成本壓力，因此業(yè)界一直在改善銅線的性能上努力，希望最終能夠用成本更低但鍵合性能相當(dāng)甚至更好的銅線來(lái)代替金線鍵合。

目前，半導(dǎo)體封裝行業(yè)絕大部分采用的都是金線鍵合，但是金線價(jià)格昂貴，導(dǎo)致封裝成本過(guò)高。而且隨著封裝技術(shù)的發(fā)展，金線鍵合技術(shù)已經(jīng)不能完全滿(mǎn)足更小、更高可靠性的高性能要求。銅線價(jià)格低，機(jī)械、電學(xué)、熱學(xué)性能優(yōu)異，但與金線鍵合相比，使用銅線存在一系列問(wèn)題，比如銅線易氧化，氧化后可焊性差；銅線硬度高，在鍵合過(guò)程中易對(duì)芯片形成損傷；行球過(guò)程中銅球表面易形成銅氧化層；封裝后銅線易受塑封材料中鹵化物的腐蝕等。全球金價(jià)的不斷上漲，增加了半導(dǎo)體制造業(yè)的成本壓力，因此業(yè)界一直在改善銅線的性能上不斷努力，希望最終能夠用成本更低但鍵合性能相當(dāng)甚至更好的銅線來(lái)代替金線鍵合。

當(dāng)前改善銅線鍵合性能的常用方法由于銅的硬度高，更容易損壞芯片；銅容易被腐蝕氧化，氧化會(huì)導(dǎo)致在無(wú)空氣環(huán)境下熔球時(shí)使球的大小和形狀發(fā)生變化，而大小和形狀的改變會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則鍵合，令鍵合力和形變很難控制，從而產(chǎn)生應(yīng)力彈坑或造成介質(zhì)材料斷裂。由于熱傳遞所引起的銅線表面氧化，則會(huì)使第二焊點(diǎn)的可鍵合性較差。為了解決這些問(wèn)題，提高銅線性能，業(yè)界目前主要從三方面著手。化學(xué)成分方面，對(duì)高純銅摻雜甚至于合金化；硬度從高硬度逐漸過(guò)渡到低硬度和最大軟度；防止氧化方面則從合金化演進(jìn)到為銅線增加表面抗氧化涂層，最終到表面鍍鈀。

銅合金化是采用不可硬化的金屬元素固溶于晶界，其目的是通過(guò)增加存在于晶界層的固溶金屬元素來(lái)起到填補(bǔ)晶界間空隙、提高組織結(jié)構(gòu)致密性、提高熔球時(shí)熱膨脹穩(wěn)定性等作用。合金化銅線(97-105Hv0.01/5s)有較好的抗氧化性，而且在鍵合點(diǎn)上，暴露于環(huán)境條件下也不會(huì)使接合點(diǎn)發(fā)生衰變，可提高第二鍵合點(diǎn)的強(qiáng)度。鍵合強(qiáng)度的提高是源于固溶的合金化金屬元素和框架銀層的鍵合。另一種更軟的合金化銅線(Maxsoft 85-92Hv0.01/5s)有助于降低IC焊盤(pán)的應(yīng)力。但固溶于晶界層的金屬因阻礙晶體的滑移，會(huì)使作用于晶體滑移方向上有效應(yīng)力減少而加速硬化。在合金化銅線表面鍍上鈀金屬層，可防止氧化和提高鍵合強(qiáng)度，并具有較低的鍵合缺陷率和更大冗余度的焊接工藝條件，其中鍵合強(qiáng)度的提高源于鈀層和框架銀層的鍵合。

然而，為了獲得滿(mǎn)意的鍵合完整性，這些銅線需要采用更高的鍵合力和更高的超聲波能量來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接目的。這將會(huì)導(dǎo)致剪切力增加，而這一增加的剪切力會(huì)穿過(guò)焊盤(pán)金屬化層傳遞至其下方既脆又極易斷裂的介質(zhì)材料上，導(dǎo)致介質(zhì)材料斷裂；還會(huì)將鋁層抹掉，即造成通常所說(shuō)的“鋁飛濺”、“失鋁”等，從而導(dǎo)致焊盤(pán)剝落或鍵合失效，因而焊盤(pán)金屬層的強(qiáng)化便悄悄地導(dǎo)入鎳、金、鈀金屬層焊盤(pán)。

當(dāng)前方法存在的問(wèn)題總結(jié)而言，以上提到的這些方法并沒(méi)有從根本上解決由于強(qiáng)度和氧化因素所導(dǎo)致的問(wèn)題，不過(guò)只要黃金持續(xù)高昂的價(jià)格，以提高鍵合性能為目的的銅線“游戲”便可繼續(xù)，但目前某些方法是在“錯(cuò)誤的地方尋找癥結(jié)所在”，業(yè)界正在為此付出代價(jià)。

比如銅線氧化，其氧化程度是有深有淺的，并非所有的氧化層都會(huì)導(dǎo)致成球和鍵合強(qiáng)度不足的問(wèn)題。而且銅線與金線在焊接基理上有著顯著的分別，銅沒(méi)有擴(kuò)散過(guò)程，銅原子也就無(wú)法越過(guò)障礙與接合面的鋁原子或銀原子產(chǎn)生鍵合。因此，清潔、致密的接合界面也是非常重要的。此外，本質(zhì)硬度并不代表問(wèn)題的真正成因，銅線在沖擊變形過(guò)程產(chǎn)生的硬化，即隨變形量而相應(yīng)增加的硬化，才是導(dǎo)致彈坑、介質(zhì)材料斷裂、“鋁飛濺”和“失鋁”等的主要原因，而高的超聲波振幅亦是導(dǎo)致這些問(wèn)題的因素。那么，要解決銅線存在的問(wèn)題，從金屬學(xué)的角度出發(fā)，就要從本質(zhì)上改變銅的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)來(lái)提高耐腐蝕抗氧化性能和降低形變所產(chǎn)生的硬化強(qiáng)度。這將給金屬制造帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。

弄清金屬材料的軟硬本質(zhì)是改善銅線性能的前提

要改善銅線的性能，首先要弄清楚金屬材料的軟硬本質(zhì)和由范性形變導(dǎo)致硬化的機(jī)理。在原子鍵合強(qiáng)度充分發(fā)揮作用的情況下，晶體處于最硬狀態(tài)，也即是指無(wú)位錯(cuò)的強(qiáng)度；原子位錯(cuò)最容易運(yùn)動(dòng)的情況下，晶體處于最軟狀態(tài)；這才是軟硬的本質(zhì)。要從本質(zhì)上降低強(qiáng)度(軟化)，就要制造更多的點(diǎn)缺陷(原子空位)，要增加強(qiáng)度(硬化)，就要掃清位錯(cuò)。

金屬純度越高并不代表本質(zhì)上越軟，只能說(shuō)明雜質(zhì)含量的多少，與點(diǎn)缺陷(原子空位)無(wú)關(guān)。材料軟化是引入更多的點(diǎn)缺陷(原子空位)和掃清不固溶的雜質(zhì)原子的過(guò)程。材料強(qiáng)化走的是另一條路，需要引入不固溶的雜質(zhì)原子。

在意識(shí)和習(xí)慣上，像銅、銀、黃金這些材料是軟的，范性良好是由于晶體存在原子空位缺陷使位錯(cuò)容易運(yùn)動(dòng)。在外加應(yīng)力(拉伸、彎曲、壓縮)作用下，晶體內(nèi)原子發(fā)生位錯(cuò)、晶體滑移，范性形變形成。

在形變過(guò)程中，作用于晶體滑移方向上有效應(yīng)力的減少或增加將產(chǎn)生硬化和軟化，這和由于位錯(cuò)的阻力變化所引起的更本質(zhì)的硬化或軟化效應(yīng)是有區(qū)別的。金屬材料由取向不同的許多晶粒組成，在外加應(yīng)力作用下，有些晶粒處于有利的方向，滑移較易；有些處于不利的方向，滑移較難。不僅如此，每一晶?；频碾y易，還受到其鄰近晶粒的取向(多個(gè)晶粒所構(gòu)成的滑移系統(tǒng))以及晶間界層性質(zhì)的影響，晶界間的物質(zhì)會(huì)阻礙滑移。因此，金屬材料的范性形變除與本質(zhì)軟硬有關(guān)外，還與晶體形態(tài)、晶體取向以及晶間界層的性質(zhì)有關(guān)。

可以達(dá)到或超過(guò)金線鍵合性能和焊接效率的銅線

源于對(duì)金屬材料軟硬本質(zhì)的深刻認(rèn)識(shí)和多年的制造經(jīng)驗(yàn)，在半導(dǎo)體封裝用鍵合銅絲的制造方面，香港微連接國(guó)際有限公司一直堅(jiān)持非合金化的技術(shù)方案。創(chuàng)新的非合金化(PCRH、HGCS和MaxUPH)小平面晶體結(jié)構(gòu)的銅線具有超低的硬度和非常高的耐腐蝕抗氧化性能，其焊接工藝條件與其它銅線完全不同，使用低的超聲波振幅、少的加載力和短的焊接時(shí)間就能實(shí)現(xiàn)焊接目的，為銅線焊接帶來(lái)革新和進(jìn)步。

a. MaxUPH鍵合銅絲與其它鍵合銅絲的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

其它鍵合銅絲(1mil)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由幾何形態(tài)無(wú)序的晶體構(gòu)成，晶界清晰且粗大可見(jiàn)；而MaxUPH鍵合銅絲(1mil)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由幾何形態(tài)有序的晶體構(gòu)成，并為同一品種，晶界不明顯。成分均勻生長(zhǎng)成小平面晶體，小平面晶體無(wú)雜質(zhì)存在，不阻礙原子位錯(cuò)，硬度可低至48Hv0.01/5s；沒(méi)有晶界層物質(zhì)的致密晶界，不阻礙滑移；同一品種晶體趨于同一滑移系統(tǒng)，作用于滑移方向上的有效應(yīng)力增加，產(chǎn)生滑移軟化，降低形變所產(chǎn)生的硬化。

MaxUPH鍵合銅絲在不受限制的長(zhǎng)度上的任意空間點(diǎn)上的斷裂載荷為14.15~14.30g，波動(dòng)范圍為0.15g；斷裂伸長(zhǎng)率20.5~21%，波動(dòng)范圍為0.5%，證明它具有穩(wěn)定的線性力學(xué)性能。應(yīng)變時(shí)，對(duì)于每一個(gè)外加應(yīng)力具有線性響應(yīng)的特性，即在加載和去載時(shí)，同一載荷下具有相同的應(yīng)變值。MaxUPH鍵合銅絲晶體尺寸比其它鍵合銅絲晶體小2~3倍，在沖擊變形時(shí)，同一載荷下，單個(gè)晶體所需的滑移量(變形量)少2~3倍，因而硬化減少很多。

MaxUPH鍵合銅絲晶體尺寸比其它鍵合銅絲小2~3倍，在沖擊變形時(shí)，接合面的機(jī)械嵌入凹凸點(diǎn)數(shù)比其它鍵合銅絲多1~2倍。也就是說(shuō)，切出的清潔面比其它鍵合銅絲多1~2倍。同時(shí)，由于嵌入凹凸點(diǎn)數(shù)(密度)的增加，而縮短了金屬產(chǎn)生塑性流動(dòng)所需的切向運(yùn)動(dòng)距離，也就可以采用低的超聲波振幅實(shí)現(xiàn)焊接目的。MaxUPH鍵合銅絲斷裂伸長(zhǎng)率(20.5%)比其它鍵合銅絲(15%)高出36%，也就是表示其延展性或塑性流動(dòng)提高36%。

MaxUPH鍵合銅絲致密的結(jié)構(gòu)使銅線具有高度光潔、精密完整的表面，有害的氧原子難于入侵和深入，表面形成的極薄的氧化膜可以阻止氧化進(jìn)一步發(fā)生和深化。極薄的氧化膜(層)不會(huì)降低鍵合強(qiáng)度。

b. PCRH、HGCS和MaxUPH銅絲的性能優(yōu)勢(shì)

非合金化PCRH、HGCS和MaxUPH銅絲能提高銅線互連功能和生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)高密度封裝成品率，達(dá)到現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和性能，真正獲得額外的顯著效益提升。在眾多用戶(hù)的使用中，已經(jīng)可以達(dá)到或超過(guò)金線的鍵合性能和焊接效率。

PCRH、HGCS和MaxUPH銅絲的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1.線性且致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使熔球時(shí)凝固的球體一致性和真圓度提高。凝固的球體內(nèi)部結(jié)構(gòu)依然為幾何形態(tài)有序的晶體(頸部晶體生長(zhǎng))，而且致密的晶界不存在其它金屬，具有更低的形變硬化特性，不產(chǎn)生彈坑和壓裂介質(zhì)材料。

2.沖擊形變時(shí)，塑型形態(tài)一致，為接合創(chuàng)造穩(wěn)定的界面。

3.橫向、縱向延展性能配合劈刀FA、ICA的時(shí)效壓縮模量形成穩(wěn)定、一致的魚(yú)尾和尾線。

4.可使用低的超聲振幅和小的加載力進(jìn)行焊接，防止鋁飛濺、失鋁和介質(zhì)材料斷裂，并提高劈刀的使用壽命。

5.縮短鍵合過(guò)程，減少鍵合所需時(shí)間，提升焊接效率。

6.內(nèi)部致密，不吸收超聲波能量，沒(méi)有由于能量轉(zhuǎn)換而額外增加的熱場(chǎng)，頸后熱影響區(qū)(HAZ)長(zhǎng)度較短，能解決作業(yè)因素所導(dǎo)致的后續(xù)銅絲二次接合強(qiáng)度衰減問(wèn)題。每軸銅絲繞線長(zhǎng)度可達(dá)2,000米，節(jié)省儲(chǔ)存空間及便于管理和使用。

7.穩(wěn)定的焊接特性和接合性能及高的結(jié)合強(qiáng)度。

審核編輯：湯梓紅