第１２卷，第２期 Ｖｏ１．１２． Ｎｏ．２ 电子与封装 ＥＬＥＣＴＲ０ＮＩＣＳ＆ＰＡＣＫＡＧＩＮＧ 总第１０６期 ２０１２年２月 ∞ 微电子器件封装铜线键合可行性分析 宋慧芳 （上海交通大学微电子学院，上海２００２４０） 摘要：虽然在集成电路封装工艺中金导线键合是主流制程，但是目前采用铜导线替代金导线键合 已经在半导体封装领域形成重要研究趋势。文章对微电子封装中铜导线键合可行性进行了分析，主 要包括铜导线与金导线的性能比较（包括电学性能、物理参数、机械参数等），铜导线制备和微组 织结构分析，铜导线焊合中的工艺研发及铜导线焊合可靠性分析等。当今半导体生产商关注铜导线 不仅是因为其价格成本优势，更由于铜导线具有良好的电学和机械特性，同时文中也介绍了铜导线 键合工艺存在的诸多问题和挑战，对将来铜导线在集成电路封装中的大规模应用和发展具有一定的 参考意义。 关键词：封装；铜导线；金导线 中图分类号：ＴＮ３０５．９４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６８１－１０７０（２０１２）０２—００１２—０３ Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｕ Ｗｉｒｅｓ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｉｎ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ ＳＯＮＧ Ｈｕｉ－ｆａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｔｈｏｕｇｈ ｔｈｅ ＩＣ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｇｏｌｄ ｗｉｒｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ｉｓ ａ ｍａｉｎｓｔｒｅａｍ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｂｕｔ ｕｓｉｎｇ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉＩ．ｅ ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆ ｇｏｌｄ ｗｉｒｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｐａｃｋａｇｉｎｇ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ａ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ｉｎ ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐａｃｋａｇｉｎｇ，ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｈｅ ｃｏｐｐｅｒｔ ｗｉｒｅ ａｎｄ ｇｏｌｄ ｗｉｒｅ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｅｔｃ．），ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ．ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ Ｒ＆Ｄ ａｎｄ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅ ｓｏｌｄｅｒｅｄ ｔｏ ｈｅ ｒｅｌｔｉａｂｉｌｉｙ ａｎａｌｔｙｓｉｓ． Ｔｏｄａｙ’Ｓ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ ｃｏｎｃｅｒｎｅｄ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅ ｉｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ａ ｃｏｓｔ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｐｒｉｃｅ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｌｓｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ＩＣ ｐａｃｋａｇｅ ｈａｓ ｍｏｒｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐａｃｋａｇｉｎｇ；Ｃｕ ｗｉｒｅ ｂｏｎｄｉｎｇ；Ａｕ ｗｉｒｅ ｂｏｎｄｉｎｇ 快速更新、升级，这一切都归功于半导体技术的飞 ｌ 引言 近半个世纪以来，半导体科技的飞速发展给我 们的日常生活带来了日新月异的变化，从电脑、手 机、数码相机这些生活必备品的出现，以及它们的 收稿日期：２０１２—２—２ ．速发展。紧跟摩尔定律的“神话”，半导体技术革 新向着更小、 怏、更低功耗、更低成本的目标不 断前进。 在大环境的激烈竞争下，半导体不同领域的公 司都在想尽办法研发出具有市场竞争力的产品或者 １２． 第１ ２卷第２期 宋慧芳：微电子器件封装铜线键合可行性分析 提供优势服务，包括上游ＩＣ设计公司，中游外包服 务厂Ｆａｂ、Ａｓｓｅｍｂｌｙ、Ｔｅｓｔ ｈｏｕｓｅ，还有下游的材料、 设备供应商等。尤其经历了２００８－２００９年世界范围的 金融危机，更加激励半导体技术朝向低成本、高品 质方向不断革新和发展，例￣ｔｕＩＣ设计更加趋于高密 度集成，晶圆尺寸更加趋于大尺寸制造等等。 趋干如上的发展方向，芯片的制造成本越来越 低，但对于封装厂来说，材料的选用基本没有太大 变化，而且随着原材料价格不断上涨（例如金价目 前已超过１ ５００美金／蛊司，未来将有超过２０００美金 的趋势），原材料价格占封装成本中的比例越来越 凸显出来，基本上金线成本占所有封装成本的３０％ 左右，而且封装外包厂占据产业下游，更面临价格 战的考验。在此种严峻的情况下，封装厂需要找出 替代金线键合的方案，目前行业内正在大力研发铜 线替代金线键合的方案。因为铜线的价格优势，加 之良好的导电、导热、机械性能，替代金线键合并 实现量产具有很高的可行性。但是金线键合已存在 半个世纪，加之完善的制程工艺，要完全替代是有 难度的，而且铜导线的制备、应用，包括后续产品 可靠性方面还存在诸多问题有待解决，例如铜易氧 化影响键合质量和产品寿命，铜的硬度较高容易造 成Ａ１垫受损等劣势，同样面临巨大考验。于是封装 外包厂应该多同客户、材料供应商、设备供应商合 作，共同研究，找出解决方案，将该方案尽快由设 想或者小规模生产转变为大规模量产，这样就可以 在保证产品品质的前提下大幅降低生产成本，使封 装外包商在整个产业链中更具有市场竞争力。 ２ 铜导线和金导线比较 ２．１铜导线优势 ２．１．１价格 ２００９年１ １月国际金价突破１０００美元／盎司大关， 时隔两年，２０１２年初国际金价已经达到１７００美元／盎 司，而同期国际铜价约为３．８美元／磅（１公斤＝２．２磅 ＝３５．２７４蛊司）。一面是金价持续攀升，一面是电子 消费类产品的价格不断走低，封装厂寻找替代金线 的新型焊接材料势在必行。在这种严峻环境下，铜 导线以其良好的电学、热学、机械特性及低成本优 势走进了封装领域研究人员的视野。 ２．１．２导电率 铜线的导电率为０．６２ ｇｔ Ｑ／ｃｍ，金的导电率为 ０．４２ ｕ Ｑ／ｃｍ，可见铜的电学特性高于金导线，即相 同直径的键合线，铜比金可以承载更多的电流。 ２．１．３导热率 铜线的热导率为４０１Ｗ／（ｍ‘ｋ），金的热导率为 ３ １ ８Ｗ／（ｍ・Ｋ），可见铜的热导率高于金导线。因此铜 线比金线更加容易将封装中的热散掉，这样就减少 了它本身所受的热应力。 ２．１．４化合物生长率 铜铝化合物的生长率低于金铝化合物的生长 率，这样将提高器件封装的可靠性。同时铜相比于 金线更适合高密度细丝引线封装。 ２．２铜导线劣势 ２．２．１铜易氧化 铜易氧化，这有可能降低材料的使用寿命，并 给材料的储存环境和条件带来一定的要求。另外在 键合过程中高温作用容易氧化成ＣｕＯ，影响焊合性 能，降低产品可靠性。 ２．２．２硬度 铜的硬度比金要大，金导线硬度＜６０，而铜导线 硬度＞６４；金球硬度＜３９，而铜球硬度＞５０。氧化的 铜会变得更加硬，所以键合就更加困难。 铜导线制备工艺和性能研究 如想实现铜导线键合，必须先实现其原材料的 制备，所以如何制备适用于低成本、细间距、高引 出端元器件封装的铜导线同样获得半导体材料制造 商的关注。 ３．１焊合导线的性能要求 表面清洁，无油污，无拉伸润滑痕迹，无颗粒 附加物和其他任何脏污；表面无大于直径５％的刻 痕、凹坑、划痕、裂纹、凸起和其他任何有可能降 低器件使用寿命的缺陷；导线在放开即自由伸展时 应无明显弯曲，导线的弯曲应不降低其使用性能； 导线无轴向弯曲；高的表面质量；可拉性。 由于铜丝球焊在长引线、超微细丝的高密度封 装中的独特优势，作为替代金导线的超微细丝具有 广阔的市场前景，但由于其标准要求严格并且加工 困难，因此对拉制单晶铜键合导线的坯料性能提出 更高的要求。 拉线性能是微细拉线的特性标志。在铜杆标准 中，规定了化学成分、延伸率、电阻系数、表观状 况和用扭绞试验判断内在缺陷。另外国际有一个参 ．１３— 第１２卷第２期 电子与封装 数指标来衡量短线率，即每次短线可拉至的铜线重 量：Ｔ／Ｂ值（Ｔ为铜线重量，Ｂ为短线次数）。 ３．２不同单晶铜的性能研究 不同晶向弹性模量的差异，如铜单晶的Ｅｌ００＝９１ ＧＰａ，Ｅ１ １ １＝１６５ ＧＰａ，Ｅ１ １０＝１３７ＧＰａ，不同取向单晶 的应力应变曲线也有很大的差异，铜丝中＜１１１＞结 构为主时，铜丝的刚度大，加工硬化率高，形变抗 力大，键合时劈刀携带铜丝快速冲击可能对硅芯片 造成损伤。相反， ＜１００）取向晶粒形变抗力小，可 能降低丝本身的强度，即降低拉拔强度。 ３．３铜导线焊合组织和微结构变化研究 如果想更好地实现铜导线代替金导线制程，最 好清楚了解铜导线在每个键合阶段的组织和微结构 变化。铜线键合的基本过程包括： （１）由铸锭拉 拔及退火制备出铜线； （２）通过高压放电（ＥＦＯ过 程）造成局部熔化在丝的端部形成自由球； （３）铜 丝球第一键合实现铜丝球与芯片的连接； （４）丝的 另一端与引线框架实现楔形键合。 ３．３．１形成自由球过程 铜线与金线最大的差异在于铜易氧化，焊合过 程中因放电极加热板加热，会形成氧化铜。已氧化 的ＦＡＢ（Ｆｒｅｅ Ａｉｒ Ｂａｌ１）球不圆，容易造成打不黏。 在１０００￣Ｃ以下形成黑色氧化物，反应为２Ｃｕ＋Ｏ， －－－，２ＣｕＯ；１０００￣Ｃ以上形成褐色氧化物，反应为４ＣｕＯ 一２Ｃｕ２Ｏ＋０２ ３．３．２一焊点键合 所谓一焊点，即焊线同芯片ＰＡＤ进行键合形成 的焊点。目前由于Ｆｏｕｎｄｒｙ的制程分Ａ１Ｎ程和Ｇｕ制程 两种，即焊垫也存在ＡＩＳ￣ＨＧｕ两种，但是目前行业内 铝垫占多数。在加热状态下，铜球会和Ａｌ Ｐａｄ或者Ｇｕ Ｐａｄ达到熔融状态并实现键合，需要着重分析铜键合 线针对此两种ＰＡＤ的键合状态。 ４ 铜导线焊合技术难点 ４．１如何控制氧化 在加热过程中加入惰性气体和混合气体进行 抗氧化保护，因氧化稀释作用不会燃烧或起化学反 应，借以防止氧化。 混合气体成份为９５％Ｎ，和５％Ｈ，。为了防止氧 化，必须在加热区吹Ｎ，保护，隔离空气中的氧；利 用Ｈ，燃烧产生高温，烧球比较圆，Ｈ，含量越高烧球 越圆。 一１４． ４．２铜的高硬度造成焊合困难 因为铜的硬度高于金，铜丝键合时需要更高的 超声功率和更大的压力，这样比较容易对ＰＡＤ造成伤 害，而如果降低超声功率和压力，又会造成虚焊。 如何在实际工艺中寻找合适的参数，需要利用ＤＯＥ 试验分析方法。 ５ 铜导线和金导线焊点可靠性对比分析 实际生产过程中，关于焊合制程的缺陷通常为 基板裂纹、硅坑、接头强度低和虚焊等等。这些不 良基本上是和金导线相同，但是由于铜焊线的高硬 度，例如基板裂纹或者硅坑应该更容易出现在铜焊 线制程当中。另外铜易氧化，高湿环境下对产品的 可靠性是否有明显影响也是一个问题。另外铜导线 制程又给可靠性分析带来一定的挑战，例如铜线会 跟进行反应，所以不能用传统的喷射刻蚀来对 封装器件做失效模式分析。 虽然铜丝键合在制备、实际生产、后续产品可 靠性问题上都存在诸多问题待确认和解决，但是随 着半导体技术的不断发展，该技术必将日臻完善。 参考文献： 【１】吴建得，罗宏伟．铜键合线的发展与面临的挑战［Ｊ］．电 子产品可靠性与环境试验，２００８，２６（６）． 【２】陈新，李军辉，谭建平．芯片封装中铜线焊接性能分析 ［Ｊ】．电子机械工程，２Ｏ０４，２０（５）． 【３】丁雨田，曹文辉，胡勇，陈卫华．单晶铜超微细丝的短 线分析及制备工艺［Ｊ］．特种铸造及有色金属，２００８，２８ （４）． 【４】丁雨田，胡立洁，胡勇，曹文辉．单晶铜键合丝的球键 合性能研究【Ｊ】．特种铸造及有色金属，２００８，２９（６）． ［５］李炳，严文，王鑫，范新会．单晶铜线材的表面氧化研 究［Ｊ］．西安工业大学学报，２７（５）． ［６］杨平，李春梅，周康武，崔凤娥，刘德明．微电子封装 铜线键合的组织与微组织结构［Ｊ】．中国体视与图像分 析，２００７，１２（４）． ［７】Ｄｒ Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ｂｒｅａｃｈ．微电子器件封装中铜与金球键合 的比较［Ｊ］．电子工业专用设备，１７４． 【８］黄华，都东，常宝华．Ｆｅａｔｕｒｅ Ａｒｔｉｃｌｅ专题综述［Ｊ］．焊接， ２００８，１２． ［９】杭春进，王青春，洪手玉．铜丝球焊技术研究进展［Ｊ】． （下转第４８页） 第ｌ２卷第２期 电子与封装 管理咨询有限公司派出分析师，在国内外参观或参与了一 系列国际知名的行业大展和研讨会，通过走访各个活动的 都站在世界之巅。一家企业可持续的竞争优势和盈利能力 是商业模式的基本要素，而客户所有满足感的总和构成了 品牌，两者之间的联系是高层次的营销设计。 二、技术要为人性中美好的一面服务 ２０１１年，在离我们而去的名人中，有一家企业的首席 执行官得到了全世界无数人的缅怀，他就是苹果公司的首 席执行官乔布斯。在他的领导下，苹果公司开发的ｉＰｈｏｎｅ ￣ｉＰａｄ等产品给全世界的消费者带来了无限的欢愉，这使 我们必须去深入地思考：技术只有为人性中的善与美服 务，才能够获得最广泛消费者的欢迎。 人性中本来就存在着弱点与优点，因此也有人喜欢 组织机构、参与者及业界厂商，对高新技术产业的全球化 产生了一些新思考。 一、世界级品牌是一种商业模式 毋庸置疑，中国电子信息产业已经登上了世界舞台。 在ＣＥＳ等全球性大展中，到处都可以看到来自中国的、从 小型代工厂到大型电信运营商等中国厂商的身影。由此看 来，从小到大的中国企业已经在全球推广上花费了许多精 力和金钱，但是非常遗憾的是无论是在美国的ＢｅｓｔＢｕｙ还是 欧洲的ＭｅｄｉａＭａｒｋｔ等大型电子产品连锁店，还仍旧很难看 到来自中国的品牌。同时，随着产业结构的变迁、人民币 升值和国民整体收入水平的提升等多种因素的影响，为了 利用人性的弱点来做生意，但在主流市场上，能够长期赢 得竞争的还是那些以创新来满足主流客户的根本需求为目 的的企业，因此我们科技企业的高层管理人员不仅要看到 技术和产品的指标，更要看到它们的社会价值与客户综合 满足感。技术要为人性中美好的一面服务，即科技产品和 服务的感情设计将变得更为重要。在我国高新技术产业发 展到一定规模时，做更有品位的科技公司将是管理的新挑 战，成功应对挑战需要商业智慧。 （本刊通讯员） 更多、更快和更好地赢得全球市场（甚至是赢得生存的机 会），创建世界级品牌将是业内同行在今后经营中的一项 战略性工作。 从本质上来讲，创建世界级品牌既不全是社会架构和 文化问题，也不全是语言问题，更不是企业规模的问题， 其核心还是商业模式的问题。能否成为世界级的品牌取决 于一家公司的商业模式，企业无论大小必须从愿景到实践 （上接第１４页） 材料科学与工艺，２００７，１５（５）． 【１０】丁雨田，曹军，许广济，寇生中，胡勇．电子封装Ｃｕ 键合丝的研究和应用［Ｊ］．铸造技术，２００６，２７（９）． 作者简介： 宋慧芳（１９８３一），女，辽宁鞍 山人，中芯国际半导造有限公司 工艺研发工程师，上海交通大学工程 硕士在读。 （上接ｇ３９页） 能力超过了８１．８ＭｅＶ－ｃｍＶｍｇ，但电路抗瞬态能力有 待于加强。 ［１］黄如，张国艳．ＳＯＩ ＣＭＯＳ技术及其应用［Ｍ】．北京：科 学出版社，２００５． ［２ Ｒｆ２］ｒａｎｃｉｓ，Ｃ．Ｍｉｃｈｅｌ，Ｄ．Ｆｌａｎｄｒｅ，Ｊ．ＥＣｏｌｉｎｇｅ．Ｒａｄｉａｔｉｏｎ－Ｈａｒｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ＳＯＩ ＭＯＳ ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ５ 总结 随着抗辐照电路需求的增长，提高电路抗辐射 能力成为当前必须解决的难题。本文通过对辐照机 理的研究，提出几种抗辐照的方法，设计电路进行 试验。通过辐照试验结果可以看出，采用抗辐照方 法设计的电路具有较强的抗辐照能力，为今后抗辐 照电路的研制和开发奠定了坚实的基础。 ｎｕｃｌｅａｒ ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９４，４１（２）． 【３】陈桂梅，叠盐，苏秀娣．ＩＣ抗辐射加固方法［Ｊ］．微处理 机，１９９８，４（１１）． 作者简介： 徐大为（１ ９８０一），江苏无锡 人，毕业于东南大学微电子学院，于 ２００３年￣Ｎ２００６年获得学士学位和硕士 学位，主要从事工艺开发与建库方面 参考文献 ．．的研究工作。 ４８．．
