半导体铜线键合工艺研究.docx

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半导体铜线键合工艺研究

学校代码：

10289

分类号：

TN606

论文题目半导体铜线键合工艺研究姓名汤振凯江苏科技大学

密级：

公开

学号：

*******05

江苏科技大学

专业硕士学位论文

（在职攻读专业学位）

半导体铜线键合工艺研究

研究生姓名汤振凯

导师姓名朱志宇

申请学位类别工程硕士

学位授予单位江苏科技大学

学科专业电子与通信工程

论文提交日期2014年4月19日

研究方向半导体元器件的球焊工艺

论文答辩日期2014年6月7日

答辩委员会主席林明

评阅人

2014年4月22日

分类号：

TN606

密级：

公开

学号：

******005

工学硕士学位论文

（工程硕士）

半导体铜线键合工艺研究

学生姓名

汤振凯

指导教师

朱志宇教授

江苏科技大学

二O一四年四月

AThesisSubmittedinFulfillmentoftheRequirements

fortheDegreeofMasterofEngineering

Researchofsemiconductor copperwirebondingprocess

Submittedby

TangZhenkai

Supervisedby

ProfessorZhuZhiyu

JiangsuUniversityofScienceandTechnology

April,2014

摘要

在当今21世纪，半导体产业蓬勃发展，半导体IC和半导体器件已经在各行各业广为使用，从卫星通信、军事产品、信息工业至普通家用产品、小家电，同时伴随着半导体产业和器件的发展，人们的生活愈来愈便捷和智能。

半导体产业在发展的过程中，分工逐渐精细，而半导体封装产业也成为了一个在半导体产品中占据较大比例的产业，如何能够提高半导体封装的效率和性能，降低成本，就摆在了所有半导体产业人员面前。

随着产品的I/O口变多，半导体封装中的键合成本也占据着较大比例，在键合中采取新的材料，新的工艺，在保证产品性能和可靠性的前提下，降低材料成本，是产业发展的一个趋势。

随着设备技术的发展，采用铜丝代替原来的金丝作为焊丝，已经成为了可能。

由于金和铜的材料价格存在着较大差异，很多公司和研究人员投入了很大精力，进行各方面的尝试，经过多年的研究，长电科技已经在这方面取得了较大的突破。

本文主要研究用铜丝代替传统的金丝材料，采用新的技术和工艺参数，运用DOE试验法，找到了最佳的铜线球焊的工艺参数（主要是球焊功率、球焊压力、球焊时间）窗口，加上设备的改进（原有将焊线高温熔化时加上氢气和氮气保护装置），并将做出来的成品与原来的产品进行性能和可靠性的比较，发现铜线球焊产品的主要电性能参数与原来金线产品的参数分布一致，可靠性能还能避免原有的金铝合金的脆化现象，推进了半导体封装产业和半导体器件的不断发展。

关键词球焊；焊接工艺；封装；铜线球焊；可靠性

Abstract

In twenty-firstCentury, thesemiconductorindustry withdevelopment, IC andsemiconductordevice hasbeen widely used inallwalksoflife tocarryout, fromthesatellitecommunications, military products,informationtechnologyindustry and ordinaryhouseholdproducts,smallhouseholdelectricalappliances, accompaniedbythe developmentofthesemiconductorindustry anddevices, people'slife moreandmore convenient andintelligent.

Thesemiconductorindustry inthedevelopmentprocess,gradually fine division, and semiconductorpackagingindustry hasalsobecomea occupyalargerproportionofsemiconductorproducts intheindustry, howto improvetheefficiency andperformance, semiconductorpackagingcostreduction, is placedinfrontof allofoursemiconductor industry personnel. AlongwiththeproductI/Oport number, bonding the semiconductorpackagealso occupyagreatproportion, adoptnew materialsinthe bondingprocess, new technology, inordertoensurethe productperformanceand reliability, reducethecostofthematerials, isanindustry trend. Insteadof theoriginal withgold asthe wire, the wire materialandtechnology, withthedevelopmentof equipmentandtechnology, hasbecome possible, sincetherearelargedifferencesbetween goldandcopper materialprices,manycompaniesand researchershave devotedgreatenergy, trying variousaspects, afteryearsofresearch,withthe experience accumulation, JCETtechnology hasmade a greatbreakthrough inthisrespect.

Thispaper mainlystudies thecopperwire insteadofthetraditional goldwirematerial, the technologyand thenewprocessparameters, plusimprovementof equipmentperformanceandreliability, comparedto do outofthefinishedproduct and theoriginal product, promotethecontinuousdevelopment ofsemiconductordeviceandsemiconductorpackaging industry.

Keywordswirebonding; bondingtechnology; packaging;copperballbonding, reliability;

第一章绪论

1.1引言

随着半导体技术和产品的发展，摩尔定律接近失效的边缘。

半导体产业链上IC设计、晶圆制造、封装测试各个环节的难度不断加大，技术门槛也越来越高，资本投入越来越大。

由单个企业覆盖整个产业链工艺的难度显著加大。

半导体产业链向专业化、精细化分工发展是一个必然的大趋势。

全球半导体产业整体成长放缓，产业结构发生调整，产能在区域上重新分配。

半导体产业发达地区和不发达地区将会根据自身的优势在半导体产业链中有不同侧重地发展。

封装产能转移将持续，外包封装测试行业的增速有望超越全行业。

芯片设计行业的技术壁垒和晶圆制造行业的资金壁垒决定了，在现阶段，封装测试行业将是中国半导体产业发展的重点。

在传统封装工艺中，黄金的成本占比最高。

目前采用铜丝替代金丝是一个大的趋势。

用铜丝引线键合的芯片产品出货占比的上升有助于提高封装企业的盈利能力。

半导体封装的发展朝着小型化和多I/O化的大趋势方向发展。

具体的技术发展包括多I/O引脚封装的BGA和小尺寸封装的CSP等。

WLSCP和TSV等新技术有望推动给芯片封装测试带来革命性的进步。

随着半导体产品脚位的变多，I/O口的增多，对焊线材料的性能要求和成本要求也越来越高。

中国本土的大型封装测试企业为以下几个，各有特点：

通富微电最直接享受全球产能转移；长电科技在技术上稳步发展、巩固其行业龙头地位，产业规模全球第七；华天科技依托地域优势享受最高毛利率的同时通过投资实现技术的飞跃。

在半导体分立器件行业中，封装成本占了很大比例，而传统球焊材料金丝在其中占了封装成本的较大比例。

由于近几年国际金价等原材料价格不断上升，电子产品的小型化发展趋势越来越明显，分立器件产品的引脚数不断增加，电流特性的增大、焊线丝的变多，导致金丝材料在分立器件产品成本中的所占比例越来越大。

而铜金属相对金而言，成本只是金价的1/5000，并且从材料特性上来看，铜丝的热传导性和导电性能比金好，可以考虑用铜丝代替金丝。

但因为铜线容易被空气中的氧气氧化，易引起接触不良，并且铜硬度较高，只要克服了这些困难就可以大批量的用铜线代替金线，节约大量的成本。

1.2国内外研究现状、发展动态

在半导体芯片后段封装工艺中，用金属线将半导体芯片上的电极焊盘与引线框架内引脚连起来的这个工艺过程叫做焊线工艺。

焊线工艺是一个最为重要而且具有挑战性的工艺环节。

传统的焊线工艺包括热超声焊，热压焊，超声楔焊。

超声波压焊（WireBonding）是一种初级内部互连方法，用作连到实际的裸片表面或器件逻辑电路的最初一级的内部互连方式，这种连接方式把逻辑信号或芯片的电讯号与外界连起来。

其它的初级互连方式包括倒装芯片和卷带自动焊接（TAB），但是超声波压焊在这些连接方法中占有绝对优势，所有互连方式中有90%以上都是用这种方法。

在这个数字中又有约90%采用金线超声波压焊，其余的则使用铝及其它贵金属或近似贵金属的材料。

近些年来,半导体芯片的开发和生产技术发展非常迅速，单个芯片的内部连线数已增加到600线以上，而且每个内部连线允许焊接的区域也随之缩小到44微米。

所有这些关键的技术参数的改变，都意味焊线工艺技术需要有一个全面的改进和提升以适应新要求，焊线工艺全面改进和提升将包括相应焊线关键原材料的改进，工艺参数的优化和全面质量控制。

键合丝主要应用与晶体管、集成电路等半导体器件和微电子封装的电极部位或芯片与外部引线的连接。

铜键合丝由于其较高的电导率，优良的力学性能和热学性能，在很大程度上提高了芯片频率和可靠性，适应了低成本、细间距、高引出端元器件封装的发展，成为替代传统键合丝的最佳材料。

早在10年前，就有人试着用铜线代替金丝作为半导体球焊的引线材料，但当时由于工艺有缺陷，对该工艺研究不是非常熟悉，在生产过程中控制不好，引起产品质量有缺陷，并且由于当时对产品的体积、密度要求、电流特性要求不是非常高，球焊间距也相对较大，对铜丝替换金丝的要求不是太迫切。

但随着近年来对产品成本、质量、电流密度的要求越来越高，金丝占整个产品比例越来越高，对铜丝成熟替换金丝的迫切需求也越来越明显摆在半导体器件生产厂家的面前。

按照2011年世界封装材料市场的统计：

2011年全世界封装材料市场的规模达到了228亿美元。

而其中键合丝的市场规模大概占整个材料市场的18.9%，仅次于刚性封装基板，位于十一种封装材料的第二位。

随着半导体线宽从90纳米降低到65甚至45纳米，提高输入输出密度成为必需，要提高输入输出密度需要更小键合间距，或者转向倒装芯片技术，铜线连接时一个很好的解决方案，它可以规避应用倒装芯片所增加的成本。

以直径为20um的焊丝为例，纯铜线的价格是同样直径的金线的10%左右，并且随着金价的不断上涨，键合铜丝制造技术的不断提高与应用领域的不断扩大，这种键合铜丝取代键合金丝的竞争更加紧迫。

除了较低的成本之外，铜线在导电性方面也是优于金丝的。

铜线比金线导电性强33%。

就机械性能而言，铜丝的强度也大于金丝的强度。

铜线形成高稳定线型的能力强过金线，特别是在模压注塑的过程中，当引线收到注塑料的外力作用时，铜线的稳定性强过金线，原因是因为铜材料的机械性能优于金材料的机械性能。

正因为如此，所以应用要认真研究铜线键合工艺。

与金丝球焊技术相比，铜丝球焊技术中存在几个主要问题亟待解决：

铜丝易氧化，氧化后可焊性差。

由于铜线自身的高金属活性，铜线在高压烧球时极易氧化。

铜的氧化有两种情况，一种是在室温下由于其外表面长期与空气接触而产生的氧化现象，其成分是CU2O，另一种是在焊接过程中高温作用下铜与氧气发生的反应，其成分为CUO，铜线在焊线过程中存在这2种氧化物，影响了铜线的焊接性能。

铜丝及铜球硬度高，在键合过程中易对芯片形成损伤，造成弹坑，而这种弹坑比较难以发现，产品在产线上检测测试时可能还是好品，但随着时间的变化和使用的外界环境的影响，而最终形成开短路或者软击穿，带来一系列的可靠性问题；形球过程中铜球表面易形成铜氧化物层；封装后铜丝易受到塑封材料中卤化物的腐蚀，造成可靠性不合格，焊线形成虚焊等，正是因为存在这些问题，所以必须要研究利用铜线作为键合丝的工艺技术，扬长避短，形成可靠的电性和机械物理性能的连接，从而适应半导体行业和器件的发展。

1.3本文的内容安排

本课题主要研究了在半导体产品封装键合的工艺中，用铜线球焊的工艺代替传统的金线焊接工艺，在大规模工业化生产中，克服铜线材料的容易氧化和硬度高的弊端，采用设备改进和工艺参数调整的方法，取得产品的更高性能价格比。

本文以K&S公司的打线机设备为基础，详细介绍了工艺参数和设备改进方法，并研究了产品的电性能、可靠性性能等，对打线过程中出现的问题提出了改进方法，并付诸实施，明显改善了产品的稳定性并提高了产品的性能价格比，保证了产品质量，提高了公司的信誉度和知名度。

第1章首先介绍了课题研究背景、国内外研究现状及发展动态、并阐述了本文主要研究内容。

第2章首先介绍半导体封装引线键合的原理和概念，介绍了半导体封装的各个工艺流程，指出了引线键合的特点，超声波球焊的原理，详细介绍了超声波球焊的过程，并分析了其基本工作原理。

第3章介绍了KS公司的球焊设备的工作原理和主要关键部分的结构。

第4章讨论了铜线超声球焊过程中铜球形成的原理和铜丝氧化的机理，首先介绍了劈刀对铜线超声球焊的影响，然后介绍了超声球焊过程中各个参数对铜线球焊过程的影响。

第5章讨论了优化调整铜线产品工艺参数和设备的方法，并针对产品进行了性能和可靠性对比。

首先介绍了铜线工艺要求和标准，然后讨论了如何改进焊线设备，消除弊端，讨论了试验材料和方法，并对球焊设备进行了具体的调整与优化，对参数进行了试验和研究，并对生产出来的产品进行了综合性能的评估，包括电性能和可靠性方面。

第二章半导体封装中引线键合的基本原理

2.1引言

自然界的物质，按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三类。

物质的导电能力可以用电导率σ或电阻率ρ来衡量，二者互为倒数。

物质的导电能力越强，其电导率越大，电阻率越小[1]。

导电能力很强的物质称为导体。

金属一般都是导体，如银、铜、铝、铁等。

原因是其原子最外层的电子受原子核的束缚作用很小，可以自由移动，成为自由电子。

在外电场个用下，自由电子逆电场方向运动而形成电流。

导体的主要特征是电阻率ρ很小，例如铜的电阻率为1.75×10-8Ω·m。

绝缘体是导电能力极弱的物质。

这种物质的核外电子被束缚得很紧，因而不能自由移动。

如橡胶、塑料、陶瓷、石英等都是绝缘体。

绝缘体的电阻率大于1014Ω·m。

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。

其电阻率在10～1013Ω·m之间。

如硅、锗、硒、砷化镓等都属于半导体。

例如，在27℃ 时，纯硅的电阻率为21×108Ω·m；纯锗的电阻率为47×108Ω·m。

本章重点研究的是半导体产品的制程。

半导体产品从原材料加工成为可以使用的半导体器件需要经过半导体芯片设计、半导体芯片制程和半导体产品的封装测试等主要3个方面的流程。

芯片设计主要是由设计者通过了解当前的工艺能力，根据电子产品线路的需要，利用计算机工具软件，对芯片的功能和具体线路图进行设计。

芯片流片厂主要是通过现有的大规模投资，具备了时代最前沿的设备和工厂，根据芯片设计者的要求，将硅片通过光刻、掩模、腐蚀、扩散、再光刻、掩模、腐蚀、扩散、蒸铝等步骤，将单纯的硅片变成具有特定功能的半导体芯片[2]。

因为芯片本身比较脆弱，并且对环境要求很高，不能直接在线路板上使用，所以必须要通过封装等工艺将芯片本身封装起来，并且引出电性脚出来，便于使用时候与外部线路进行电路的连接。

最后还需要对产品进行电性测试，正品出货给客户使用。

随着科技的进步，产业化也趋向于专业加工生产为主，在现代的半导体企业中，一般都具有比较大型的企业对这些步骤进行加工：

如专门进行芯片流片的中芯国际、华虹NEC、台积电、台联电等，这些都是芯片制成中的大型企业，而专门以封装测试为主的也有一些，如台湾的日月光、美国的Amkor、大陆的长电科技等都是业界的专业工厂。

本文这里主要研究封装工序中最重要的一个工序：

焊线。

2.2半导体封装介绍

半导体封装是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程。

封装过程为：

来自晶圆前道工艺的晶圆通过划片工艺后被切割为小的晶片（Die），然后将切割好的晶片用胶水贴装到相应的基板（引线框架）架的小岛上，再利用超细的金属（金锡铜铝）导线或者导电性树脂将晶片的接合焊盘（BondPad）连接到基板的相应引脚（Lead），并构成所要求的电路；然后再对独立的晶片用塑料外壳加以封装保护，塑封之后还要进行一系列操作，封装完成后进行成品测试，通常经过入检Incoming、测试Test和包装Packing等工序，最后入库出货[3]。

具体流程如下图2.1所示。

图2.1半导体封装流程图

Fig2.1semiconductorpackagingflowchart

2.3键合工艺的特点

如上图2.1所示工序中，焊线是将芯片的内引线通过金属线键合工艺，连接到半导体IC或器件的外引脚的工序，该焊线工艺一共分为3种：

热压键合（Thermo—compressionBonding），超声波键合（UltrasonicBonding与热压超声波键合（Thermo—sonicBonding）。

热压键合是引线在热压头压力下，高温加热（>250℃）金属线发生形变，通过对时间、温度和压力的调控进行的键合方法[4]。

键合时，被焊接的金属无论是否加热都需施加一定的压力。

金属受压后产生一定的塑性变形，而两种金属的原始交界面处几乎接近原子力的范围，两种金属原子产生相互扩散，形成牢固的焊接。

超声波键合不加热（通常是室温），是在施加压力的同时，在被焊件之间产生超声频率的弹性振动，破坏被焊件之间界面上的氧化层，并产生热量，使两固态金属牢固键合。

这种特殊的固相焊接方法可简单地描述为：

在焊接开始时，金属材料在摩擦力作用下发生强烈的塑性流动，为纯净金属表面间的接触创造了条件。

而接头区的温升以及高频振动，又进一步造成了金属品格上原子的受激活状态。

因此，当有共价键性质的金属原子互相接近到以纳米级的距离时，就有可能通过公共电子形成了原子间的电子桥，即实现了所谓金属“键合”过程[5]。

超声波焊接时不需加电流、焊剂和焊料，对被焊件的理化性能无影响，也不会形成任何化合物而影响焊接强度，且具有焊接参数调节灵活，焊接范围较广等优点。

热压超声波键合工艺包括热压键合与超声波键合两种形式的组合。

就是在超声波键合的基础上，采用对加热台和劈刀同时加热的方式，加热温度较低（大约150℃），加热增强了金属间原始交界面的原子相互扩散和分子（原子）间作用力，金属的扩散在整个界面上进行，实现金属线的高质量焊接。

热压超声波键合因其可降低加热温度、提高键合强度、有利于器件可靠性而取代热压键合和超声波键合成为引线键合的主流。

引线键合有两种基本形式：

球形键合与楔形键合。

这两种引线键合技术的基本步骤包括：

形成第一焊点（通常在芯片表面），形成线弧，最后形成第二焊点（通常在引线框架／基板上）。

两种键合形式的不同之处在于：

球形键合中在每次焊接循环的开始会形成一个焊球，然后把这个球焊接到焊盘上形成第一焊点，而楔形键合则是将引线在加热加压和超声能量下直接焊接到芯片的焊盘上[7]。

2.4超声波球焊的原理

球形键合时将金属线穿过键合机毛细管劈刀（capillary），到达其顶部，利用氢氧焰或电气放电系统产生电火花以熔化金属线在劈刀外的伸出部分，在表面张力作用下熔融金属凝固形成标准的球形（FreeAirBall，FAB），球直径一般是线径的2～3倍，紧接着降下劈刀，在适当的压力和定好的时间内将金属球压在电极或芯片上。

键合过程中，通过劈刀向金属球施加压力，同时促进引线金属和下面的芯片电极金属发生塑性变形和原子间相互扩散，并完成第一焊点，然后劈刀运动到第二点位置，第二点焊接包括楔形键合、扯线和送线，通过劈刀外壁对金属线施加压力以楔形键合方式完成第二焊点，之后扯线使金属线断裂，劈刀升高到合适的高度送线达到要求尾线长度，然后劈刀上升到成球的高度。

成球的过程是通过离子化空气间隙的打火成球过程实现的。

球形键合是一种全方位的工艺（即第二焊点可相对第一焊点360o任意角度），球形键合一般采用直径75m以下的细金丝，因为其在高温受压状态下容易变形、抗氧化性能好、成球性好，一般用于焊盘间距大于100m的情况下。

球形键合工艺设计原则：

（1）焊球的初始直径为金属线直径的2～3倍。

应用于精细间距时为1．5倍，焊盘较大时为3～4倍；

（2）最终成球尺寸不超过焊盘尺寸的3／4，是金属线直径的2．5～5倍；（3）线弧高度一般为150um，取决于金属线直径及具体应用；（4）线弧长度不应超过金属线直径的100倍；（5）线弧不允许有垂直方向的下垂和水平方向的摇摆。

2.5超声波球焊的过程

焊丝球焊机是一款利用超声波焊线技术，在压力和超声波能量共同作用下，用细小的金线连接IC芯片电极与框架上的焊盘，从而实现封装前的芯片（硅片）内部引线焊接的高科技机电一体化设备。

主要应用于发光二极管、中小型功率三极管、集成电路及一些特殊半导体器件等内部引线的焊接。

首先对焊线机的动作过程作适当了解。

在焊线前，必须先做好准备工作，包括机器的自检、劈刀的安装、劈刀穿线，调整尾丝长度，手动打火烧球一次，将尾丝烧制成一个金丝直径2-～5倍的金球。

焊线机焊一条线的动作流程如下图所示，主要包括以下动作：

图2.2球焊示意图

Fig2.2bondingsketchmap

2.5.1初始位置

开机或复位后劈刀停留的位置，或者每次第二焊点焊接完成后，劈刀上升回到的位置称为初始位置。

一般要求在初始位置时，劈刀尖到焊接面距离要大于5且小于7mm，此时劈刀下应有前一次焊接动作完毕时烧成的金球，或者重新穿线后手动按下烧球