铜线键合课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,铜丝,引线键合,1,铜丝引线键合1,铜丝,键合,的意义,铜丝,键和,的现状,铜丝,键和,的困扰,INDEX,2,铜丝键合的意义铜丝键和的现状铜丝键和的困扰 INDEX,MEANING,Period,I,目前，很大一部分集成电路的生产是依靠引线键和来完成的。,引线键和（,wire bounding,）是指使用细金属丝 将半导体芯片的电极焊区与电子封装外壳的,I/O,引线或基板上技术布线焊区连接起来的工艺技术。,铜丝,键和,WIRE BONDING,COPPER,BACKGROUND,焊接方式主要有热压焊、超声键和焊和金丝球焊。,原理是采用加热、加压和超声等方式破坏被焊表面的氧化层和污染，产生塑性变形，使得引线与被焊面亲密接触，达到原子间的引力范围并导致界面间原子扩散而形成焊合点。,3,MEANINGPeriod 目前，很大一部分集,MEANING,Period,II,引线键和的金属丝主要是使用数十微米至数百微米的金（,Au,）丝、铝（,Al,）丝或硅铝（,Si-Al,）丝。其中，使用最广泛的是金丝。,金丝具有非常好的延展性，而且质地柔软。在引线键合工艺中，,Au-Al,键合具有非常高的可靠性,铜丝,键和,WIRE BONDING,COPPER,Au wire,但是由于金丝昂贵、成本高，而且,Au/Al,金属学系统易产生有害的金属间化合物，使键合处产生空腔，电阻极急剧增大，导电性破坏甚至产生裂缝，严重影响接头性能。因此人们一直尝试寻找其他金属代替金。,4,MEANINGPeriod 引线键和的金属丝主,MEANING,Period,III,与金丝相比，铜丝拥有一些更为优秀的特性，这使其拥有替代金作为新型键和材料的可行性。,铜丝主要拥有以下几个优点：成本低廉、机械性能优越、电阻低、导热好以及金属间化合物生长缓慢。,铜丝,键和,WIRE BONDING,COPPER,FEATURE OF,COPPER,成本低廉,键合工艺中使用的各种规格的铜丝，其成本一般只有金线的,.,在一些长引线的键合中这种价格优势是不言而喻的。,在一些大功率的电子封装中，这种优势进一步扩大。较大的电流使得键合所使用的金属线直径也较大。这样就增加了材料的使用，价格与成本问题就更为突出。,5,MEANINGPeriod 与金丝相比，铜丝拥,MEANING,Period,III,与金丝相比，铜丝拥有一些更为优秀的特性，这使其拥有替代金作为新型键和材料的可行性。,铜丝主要拥有以下几个优点：成本低廉、机械性能优越、电阻低、导热好以及金属间化合物生长缓慢。,铜丝,键和,WIRE BONDING,COPPER,FEATURE OF,COPPER,机械性能优越,一般情况下,经过退火热处理的键合铜丝,无论是在室温下还是在高温环境里,所表现出来的抗拉强度和延伸率都接近或优于金丝。,另外,由于铜的强度较大、刚性较好,在存储和运输过程中可以降低由于人为误操作而造成的对铜丝的损坏。这不仅会在一定程度上降低生产成本,对保证键合焊点质量具有重要意义。,6,MEANINGPeriod 与金丝相比，铜丝拥,MEANING,Period,III,与金丝相比，铜丝拥有一些更为优秀的特性，这使其拥有替代金作为新型键和材料的可行性。,铜丝主要拥有以下几个优点：成本低廉、机械性能优越、电阻低、导热好以及金属间化合物生长缓慢。,铜丝,键和,WIRE BONDING,COPPER,FEATURE OF,COPPER,电阻低,铜键合丝的高导电性,(,比金丝高约,23%),使其在高品质器件中具有更广阔的应用前景,适用于高性能电气电路。在精细键合技术领域有助于提高功率器件性能和可靠性。,对于相同直径的铜丝和金丝通过相同的电流,单位长度的铜丝将产生较少的热量,这对微电子封装具有重要的意义。此外,在承载电流一定的条件下,可以采用直径更小的铜丝。这为减小焊盘尺寸、间距,实现高密度封装提供了潜在可能性。,7,MEANINGPeriod 与金丝相比，铜丝拥,MEANING,Period,III,与金丝相比，铜丝拥有一些更为优秀的特性，这使其拥有替代金作为新型键和材料的可行性。,铜丝主要拥有以下几个优点：成本低廉、机械性能优越、电阻低、导热好以及金属间化合物生长缓慢。,铜丝,键和,WIRE BONDING,COPPER,FEATURE OF,COPPER,导热好,随着芯片密度的提高和体积的缩小,芯片制造过程中的散热是设计和工艺考虑的一个重要内容。采用铜材料做为键合丝,可以使封装体器件内的热量很快且更有效的散发出来,达到快速冷却的目的,应力被尽快释放。这一点是很重要的,因为产生的热量会促进导线内晶粒的生长,降低其机械性能。,在成球的过程中,高导热性还有一个优点就是,:,影响键合丝机械性能的热影响区,(HAZ),变得更短,因而保证更高的键合性能。而且,铜的热膨胀系数比铝低,因而其焊点的热应力也较低。因此,在对散热要求越来越高的高密度芯片封装工艺中,选取铜丝来代替金丝和铝一硅丝是非常有意义的。,8,MEANINGPeriod 与金丝相比，铜丝拥,MEANING,Period,III,与金丝相比，铜丝拥有一些更为优秀的特性，这使其拥有替代金作为新型键和材料的可行性。,铜丝主要拥有以下几个优点：成本低廉、机械性能优越、电阻低、导热好以及金属间化合物生长缓慢。,铜丝,键和,WIRE BONDING,COPPER,FEATURE OF,COPPER,金属间化合物生长缓慢,焊点处金属间化合物的生长情况不仅对能否产生牢固结合的焊点,而且对电子元器件的可靠性有着非常大的影响。对丝球焊点而言,一定程度的扩散和金属间化合物的生长对焊点能够满足特定的剪切、拉伸强度是有利的。但是,金属间化合物层的过度生长将对焊点的机械性能、电性能、热性能均产生不良影响。,有文献报道,影响,Cu/Al,，,Au/A1,焊点剪切强度的主要因素之一就是金属间化合物层的厚度,随着金属间化合物层厚度的增加,焊点的剪切强度随之近似成线性降低,9,MEANINGPeriod 与金丝相比，铜丝拥,MEANING,Period,III,与金丝相比，铜丝拥有一些更为优秀的特性，这使其拥有替代金作为新型键和材料的可行性。,铜丝主要拥有以下几个优点：成本低廉、机械性能优越、电阻低、导热好以及金属间化合物生长缓慢。,铜丝,键和,WIRE BONDING,COPPER,SUMMARY,纵上分析可以看出铜丝球焊满足了降低生产成本的需求,;,由于铜材料极佳的电特性和热性能,它为减小焊盘尺寸、间距,实现器件小型化提供了可能性,;,在芯片引线键合工艺中取代金丝和铝一,l%,硅丝可缩小焊接间距,提高芯片频率、散热性和可靠性的特性决定了其在替代金键合丝中铜在在需要长引线、超微细丝的高密度封装中,可以有效缓解工艺难度、避免丝摆、坍塌等现象,提高产品质量,;,在一些大功率器件、电源器件的封装中,所需的丝的直径较大,使用铜可以有效缓解材料成本问题。,10,MEANINGPeriod 与金丝相比，铜丝拥,PRESENT SITUATION,PERIOD,I,概要,关于铜丝键和的理论已经进行了超过,20,年，但是它实际投入实际生产却是近几年的事情。,铜丝,键和,WIRE BONDING,COPPER,铜丝键和也有着许多切实的问题与缺点。目前关于铜丝键和工艺仍有着大量研究，使其能满足目前的主要需求。在氧化层的处理、熔球以及焊盘的工艺参数、可靠性等方面的工艺要求也在日益完善。,键合丝材料质量的好坏直接影响焊接质量,从而对器件的可靠性和稳定性产生很大影响。理想的引线材料应具备以下特点,:,(l),能与半导体材料形成低电阻欧姆接触,与电流方向无关,;,(2),化学性能稳定,不会形成有害的金属间化合物,;,(3),与半导体材料结合力强,;,(4),可塑性好,容易实现键合,;,(5),弹性好,在键合过程中能保持一定的几何形状。,键合丝的表面应达到下列要求,:,(1),键合丝表面应清洁,无指痕、油污,无拉伸润滑痕迹、颗粒附加物和,其它粘污。,(2),键合丝表面应无超过键合丝直径,5%,的刻痕、凹坑、划痕、裂纹、凸,起和其他降低器件使用寿命的缺陷。,(3),键合丝由轴上放开时应无明显卷曲,键合丝的轻微卷曲应不降低其实,用性能。,(4),键合丝应无轴向扭曲。,11,PRESENT SITUATIONPERIOD概要,PRESENT SITUATION,PERIOD,II,键和条件,铜丝相较于金丝更易被氧化，所以其键和条件也与普通的金丝键合有区别。,铜丝,键和,WIRE BONDING,COPPER,由于铜丝和金丝的物理性能，如延展性，硬度，活泼性等都有不同。在键合过程中施加的压力、温度、气体条件也有着区别。,因为铜的硬度大于常用的金和铝，所以在键合时压力必须合理控制以防止因为压力过大而破坏焊盘，形成弹坑。,铜的熔点比金要高，所以在温度上也会有所不同。同时为了防止过高的温度造成氧化，在通入保护气的同时必须将温度控制在一定范围内。,为了防止铜丝的氧化，必须采用特制的防氧化装置通入保护气。保护气的选择大多采用了,95%N2,和,5%H2,的搭配，这样的抗氧化性能比较好。,12,PRESENT SITUATIONPERIOD键和条件,PRESENT SITUATION,PERIOD,III,BALL,铜丝键和的第一步骤就是烧球。烧球的好坏与否，会直接影响到后续各步骤的质量，甚至关乎整个,IC,制造的成败。,球的质量由很多因素共同影响，如焊头的形状大小等参数，混合气的使用、电流等。,铜丝,键和,WIRE BONDING,COPPER,不同的电流对于球的影响主要体现在其硬度的影响上，电流越大，球就越坚硬而更容易从焊盘上脱落。,这与铜丝自身的材料性能也有联系,。纯的铜丝相较于,Cu-Pd,丝更牢固，不容易产生脱落而造成损伤,13,PRESENT SITUATIONPERIODBALL,铜丝键和的成球大小受到电流以及混合气体成份、浓度、流速的影响，同时也与丝自身的成分、点火的时间有关。,下列图表很详细的反映出了这些因素对,FAB,的影响,PRESENT SITUATION,PERIOD,III,BALL,铜丝,键和,WIRE BONDING,COPPER,14,铜丝键和的成球大小受到电流以及混合气体成份、,PRESENT SITUATION,PERIOD,IV,BONDING,在铜丝,FAB,结束之后，紧接着的是与焊盘的键合过程，这是最容易产生失效问题的一个步骤，对于焊盘材料、大小、厚度等的选择，以及对焊接的工艺都有着很高的要求。,烧球的质量也会对,BONDING,的效果产生影响，如图。,铜丝,键和,WIRE BONDING,COPPER,15,PRESENT SITUATIONPERIODBONDIN,PRESENT SITUATION,PERIOD,IV,BONDING,PAD,铜丝键和与其他键和对于,BONDINGPAD,的设计也会有所差异，在焊盘的构造、大小、厚度方面的参数要求会有很大不同。,铜丝,键和,WIRE BONDING,COPPER,铜丝与焊盘间,IMC,的形成比起其他的材料来说相对较薄，而且生长的速度会慢很多。比起,Au,要慢上一个数量级之多。,16,PRESENT SITUATIONPERIODBONDIN,PRESENT SITUATION,PERIOD,V,可靠性,目前，铜丝键和的可靠性要低于金丝以及铝丝等传统材料。铜丝比较容易氧化，而且其硬度不利于焊接，容易产生弹坑损伤焊盘。这对于工艺的要求十分之高。,铜丝,键和,WIRE BONDING,COPPER,17,PRESENT SITUATIONPERIOD可靠性,PRESENT SITUATION,PERIOD,V,可靠性,