銅絲球焊工藝在low-k芯片材料上實現(xiàn)可靠焊接性能的研究

江蘇長電科技股份有限公司 杜若岷 孫 杰 陳 健 袁安平 陸惠芬

1.簡介

銅絲球焊相對于傳統(tǒng)的金絲工藝，電氣性能優(yōu)異，在成本上更是具有不可比擬的優(yōu)勢，尤其在黃金價格快速上漲的今天，成本降低的需求成為推動銅線取代金線的強大動力。

為了集成更多的I/O，芯片線寬從9O納米降到65和45納米，也要求絲球焊向fine pich方向發(fā)展。相同直徑的銅絲導(dǎo)電性比金絲高約23%，而且目前廣泛應(yīng)用的O.8和O.7mil直徑的銅線強度優(yōu)于金線，因此可以進一步提高產(chǎn)品性能而無需采用成本更大的Flip Chip技術(shù)。

隨著電路板蝕刻精度越來越高，芯片上集成的電路越來越多，信號干擾也就越來越強。為降低線路間的串擾，從而降低處理器的功耗，提高處理器的高頻穩(wěn)定性，Low-K材料在芯片上得到廣泛的應(yīng)用。但是這些Low-k電介質(zhì)性能非常脆，很容易在絲球焊接時出現(xiàn)裂紋或者彈坑。銅絲比相同直徑的金絲硬33%，因此銅絲在這些產(chǎn)品上的應(yīng)用面臨更大挑戰(zhàn)。[1]

圖1 氮氣流量與FAB大小的關(guān)系

圖2 氮氣流量與FAB形狀的關(guān)系

圖3 氮氣流量與彈坑的關(guān)系

2.試驗

影響銅絲球焊在Low K電介質(zhì)上應(yīng)用的因素有很多，我們認為最重要的有兩點：一是需要在無氧化的條件下形成大小連續(xù)且穩(wěn)定的自由球(FAB)；另一個是控制好銅自由球在與芯片焊接過程中壓力和超聲的輸出和時序。

2.1 影響銅自由球的因素

銅自由球(FAB)在形成過程中如果氧化，會造成尺寸和外形的不穩(wěn)定，這將導(dǎo)致不規(guī)則的焊點，使焊接力和對壓區(qū)造成的變形難以控制。因此，銅絲在Low K材料上應(yīng)用的關(guān)鍵首先是獲得沒有氧化，尺寸偏差小，幾何外觀接近完美球形的FAB.FAB有任何的氧化都會導(dǎo)致其硬度上升，削弱甚至破壞Cu-Al結(jié)合層，使下面的Low K材料產(chǎn)生裂紋或者彈坑。

對于非Low K介質(zhì)或非Fine Pitch產(chǎn)品，如用在引線框上的IC和分立器件，通常使用大于1mil的銅線，一般使用高的氣流量來防止氧化。但這種方法不適合Fine Pitch所需要的細銅線（小于1mil）的情況。對于1mil及以下直徑的銅線，F(xiàn)AB的球徑和線徑之比約為1.6或者更小。太強的氣流會對小的FAB形成時起到冷卻的作用，引起FAB球徑的不穩(wěn)定和球形的不對稱，有潛在氧化的風險。我們在純氮（99.999%）環(huán)境下對O.8mil的銅線FAB與氣流量的關(guān)系作了比較（如圖1所示）。

從圖1我們可以看到，氮氣流量在O.6L/Min時FAB標準偏差最小。

從圖2可以看到，氣流量在O.8L/Min時FAB形狀和表面粗糙度開始發(fā)生改變。

我們在A公司MSD閃存產(chǎn)品上進行試驗，也發(fā)現(xiàn)從O.8L/Min開始，壓區(qū)下的電介質(zhì)出現(xiàn)裂紋增多的現(xiàn)象。這提示我們FAB的硬度在形狀改變時發(fā)生了變化（見圖3）。

這說明，使用銅線在LOW K介質(zhì)上時，保護氣的流量是個關(guān)鍵值，決定了FAB形狀的連續(xù)性和硬度變化。一般FAB形狀改變時，基本可以確定其已氧化變硬。

此外，有研究表明，打火電流越大，銅球硬度越小，但打火電流增加，銅球發(fā)生畸形的比例增加。[2]

2.2 焊接參數(shù)的控制

圖4 焊接過程應(yīng)力和應(yīng)變分布

銅絲比金絲的硬度大，而且其實際作用在壓區(qū)時的硬度也比金大的多。因此，對壓區(qū)表面會有擠壓，參生的應(yīng)力比金線增加約25%。

從有限元模擬分析可以清楚的看出，銅自由球在焊接過程中的應(yīng)力和應(yīng)變對焊接區(qū)和下面的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生顯著的沖擊（見圖5）。

圖5 初始壓力對電介質(zhì)的影響

圖6 DOE運行結(jié)果

圖7 切片檢查

為具體研究可焊性，我們選取B公司的某BGA產(chǎn)品進行試驗，其壓區(qū)表面鋁層厚度僅O.8微米，下面Low K電介質(zhì)。從模擬的圖象看，為防止鋁層在剛被FAB接觸到就被擠出，需要對壓力和超聲的時序進行調(diào)整，確保鋁層在超聲作用時的完整性，并通過壓力對超聲作用時進行抑制，確保沒有過多的應(yīng)力往下傳導(dǎo)。

首先在接觸階段以較大的初始壓力使FAB發(fā)生塑性變形，形成焊球的外形（球直徑和球厚），隨之用較低的壓力和合適的超聲來完成連接形成銅鋁結(jié)合需要的強度。

我們發(fā)現(xiàn)初始瞬間的壓力對克服鋁層被破壞起到非常重要的作用，過大過小都會影響到后面超聲的作用從而在電介質(zhì)上產(chǎn)生裂紋和彈坑（如圖6）。

試驗篩選出超聲，初始壓力，焊接時間和摩擦為主要影響參數(shù)，設(shè)計DOE，利用JUMP對輸入和響應(yīng)進行分析，找出最佳參數(shù)范圍（如圖6）。

切片檢查剩鋁厚度大于O.3微米，鋁層下的電介質(zhì)無裂紋未被破壞（見圖7）。

可以看到，雖然剩鋁很薄，但鋁層下的電路都沒有斷裂。

3.總結(jié)

銅絲球焊相對于金絲球焊，有著本質(zhì)上不同的焊接性質(zhì)，所發(fā)生的物理化學(xué)變化也是完全不同的。保護氣，焊接工具，焊接參數(shù)都與金線有很大的差別。本文對其中的關(guān)系進行了分析和總結(jié)，結(jié)果表明，銅絲球焊完全可以象金線一樣廣泛應(yīng)用在Low K電介質(zhì)上以適應(yīng)現(xiàn)在及將來芯片工藝和封裝的發(fā)展。

[1]Wullf,F.W.,Breach,C.D.,Stephan,D.,Saraswati,Dittmer,K.&Garnier,M.,“Further Characterization of Intermetallic Growth in Copper and Gold Ball Bonds on Aluminum Metallisation,”Proc SEMICON Singapore 2005.

[2]Hong Meng Ho,Jonathan Tan,Yee Chen Tan,Boon Hoe Toh,Pascal Xavier,“Modeling Energy Transfer to Copper Wire for Bonding in an Inert Environment”,Proc.7th Electronic Packaging Technology Conference,7-9Dec,Singapore,pp.292-297,2004.