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键合铜丝的发展

发布时间:2020/6/1 17:52:07 | 点击:2

  键合铜丝的发展先要从丝球焊键合的发展开始说起。按照能量作用方式,引线键合可以分为热压键合(Thermocompression,T/C)、超声键合(UItrasonicBonding,U/S)和热压超声键合(ThermosonicBonding,T/S)。1957年美国的贝尔实验室为解决平面半导体器件内引线键合问题而采用热压键合工艺。后来,为降低键合温度,提高结合强度,引入了超声,发展为超声键合和热超声键合。目前广泛应用的是热超声键合和超声键合,前者形成的第一键合点为球形,故又称丝球键合或球键合(Ballbonding),而将后者称为楔键合(Wedgebonding)"。

镀钯铜丝(蓝)

镀钯铜丝

  丝球键合是引线键合中最具代表性的焊接技术,目前世界范围内90%以上的半导体封装采用的都是丝球键合,而其中用得最多的又是热超声的金丝球键合,它是在一定的温度下,作用键合工具劈刀的压力,并加载超声振动,将引线一端键合到IC芯片的金属化层上,另一端键合到引线框架上或PCB板的焊盘上,实现芯片内部电路与外围电路的电连接。


  传统丝球焊广泛采用金丝,这是因为金具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点,而且技术成熟,工艺稳定性好。但金也存在一定的局限性:金成本昂贵,不适用于高密度封装,高温条件下金丝球与芯片铝电极容易产生金属间化合物AuAl2(紫斑)和Au2A1(白斑),这些化合物接触电阻大,具有脆性,在有振动或者弯曲的情况下容易发生断裂。此外,金丝球键合点服役或者老化过程中界面往往会形成柯肯德尔空洞及裂纹,导致器件失效。铝丝存在形球困难等问题,因此不适合丝球键合,只能采用楔键合,铝丝楔焊主要应用在功率器件、微波器件和光电器件。


  针对传统金丝球键合和铝丝楔键合存在的问题,铜丝球键合技术应运而生。从上世纪八十年代在国外开始了铜丝球键合的研究,当时还只是处于实验室中的研究。直到1992年,美国国家半导体公司开始将键合铜丝技术正式运用到实际生产中去,但当时还没有应用到大规模集成电路中,主要是因为键合铜丝技术面临着一些难点:(1)铜很容易被氧化,因此在储存、键合过程中需要进行保护,保护方式及工艺参数还有待进-步优化。(2)铜的硬度、屈服强度等物理参数高于金,键合时需要施加更大的超声能量和键合压力,因此容易对硅芯片造成损伤甚至是破坏。此外,铜丝球键合技术的可靠性数据太少,而且多有冲突,这严重阻碍了铜丝球键合技术的实际应用进程。


  随着各国致力于铜丝商用的研究进程,存在的一-些问题得到逐渐的解决。国内到90年代末也有相关的设备厂商(ASM)研究铜丝的商业应用,并逐步于21世纪初期开发出较成熟的适用于铜丝的自动焊线设备。目前,随着键合铜丝工艺.的逐步掌握和对相关设备的优化,在半导体领域已经大量的运用到生产中。