分立器件銅線的鍵合特點及其工藝研究

趙歲花，井海石，楊 凱，王 豐，陳良鋒

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京，100176)

分立器件是集成電路的一個重要分支，分立器件引線鍵合是其封裝過程中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，鍵合質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的可靠性。分立器件引線鍵合材料主要有金線和銅線兩種。金線是分立器件鍵合的傳統(tǒng)材料，近些年，由于金線價格的不斷提高以及半導(dǎo)體封裝成本控制的要求，使得半導(dǎo)體制造商轉(zhuǎn)而尋找一種新型材料替代金線。銅線因其低成本和相對金線更優(yōu)的電、熱性能而受到大多數(shù)半導(dǎo)體封裝廠商的關(guān)注，目前已在分立器件的封裝中廣泛使用[1]。但是，由于銅線鍵合使用和研發(fā)時間相對較短，對其鍵合工藝缺乏系統(tǒng)的研究，且實際生產(chǎn)中銅線產(chǎn)品的合格率、產(chǎn)品生產(chǎn)效率要低于金線，許多鍵合質(zhì)量問題亟待解決。因此，研究分立器件銅線鍵合的特點和工藝具有重要意義。本文對銅線鍵合的優(yōu)缺點、分立器件的結(jié)構(gòu)特點進行了系統(tǒng)的分析，根據(jù)分析結(jié)果，并結(jié)合具體的實驗，給出了鍵合工藝設(shè)置對分立器件銅線鍵合過程的影響，該研究對提高分立器件產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性和生產(chǎn)效率具有重要意義。

1 銅線鍵合優(yōu)勢及常見問題

1.1 銅線鍵合的優(yōu)勢

銅線相比于金線具有以下鍵合優(yōu)勢[2-4]：

(1)更低的電阻率和更好的導(dǎo)電性。相同條件下銅線功率損耗小，相同線徑時銅線可通過更大的電流。

(2)更好的導(dǎo)熱性。芯片散熱是芯片設(shè)計考慮的一個重要方面，銅線導(dǎo)熱性優(yōu)于金線，有利于芯片散熱。

(3)更慢的金屬間化合物生長速率。金屬間化合物導(dǎo)電性差，硬度高，其存在影響鍵合電路的可靠性，應(yīng)控制其生長。研究發(fā)現(xiàn)銅鋁金屬間化合物比金鋁金屬間化合物的生長要慢得多[5]。

1.2 銅線鍵合常見問題

(1)氧化問題。銅的金屬活性大于金，在鍵合過程中易發(fā)生氧化。銅線氧化表現(xiàn)在兩個方面：一、銅線在空氣中易發(fā)生氧化。二、銅線燒球及焊接過程中在高溫下發(fā)生氧化。氧化會導(dǎo)致不粘、虛焊等各種鍵合問題，需要保護氣體進行保護。目前常用的保護氣體是氮氫氣（5%H2和95%N2），也有個別廠家選用氮氣作為保護氣體，但效果不如氮氫氣。

(2)銅線鍵合易出現(xiàn)彈坑。由于銅線硬度較大，相比金線需要更大的鍵合壓力和超聲能量，容易造成焊盤下硅襯底受損，形成彈坑[5,6]。

2 分立器件框架的結(jié)構(gòu)特點

分立器件被廣泛應(yīng)用到消費電子、計算機及外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)通訊、汽車電子、LED顯示屏等領(lǐng)域，包括半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管、特種器件及傳感器等。分立器件引線框架的結(jié)構(gòu)特點決定了分立器件的鍵合特點。

首先，分立器件引線框架多為鏤空結(jié)構(gòu)，致使壓板吸真空無法達到應(yīng)有的效果，框架不能完全貼緊壓板。圖1為某種分立器件的引線框架。

圖1 某種分立器件的引線框架

其次，分立器件引線框架的管腳和芯片處多有下凹或凸起，其壓板往往配合引線框架形狀設(shè)計出對應(yīng)的凹槽和凸臺。圖2中（a）為某分立器件框架細節(jié)圖，圖中芯片處可見明顯凸起。圖（b）為與之對應(yīng)的壓板圖示，從右側(cè)的局部放大圖中可以看到與芯片凸起對應(yīng)的凸臺。分立器件的這種結(jié)構(gòu)要求在鍵合時必須保證框架與壓板對應(yīng)位置配合良好，但是，由于加工制造誤差和材料熱膨脹系數(shù)等原因，有時引線框架與壓板在鍵合溫度下無法實現(xiàn)良好的配合。圖3中引線框架與下壓板配合不好，導(dǎo)致藍色圈中的管腳懸空。

分立器件引線框架的結(jié)構(gòu)特點使得鍵合時焊點容易出現(xiàn)浮動，進而導(dǎo)致一系列鍵合問題出現(xiàn)。對于第一焊點，會造成不粘、大扁球、大小球及偏心球等情況出現(xiàn)；對于第二焊點，則會造成斷線、短尾及不粘等情況增多。此外，浮動還會造成焊線狀態(tài)不穩(wěn)定，設(shè)備停機率高等情況，給操作人員也帶來一定麻煩。圖4給出了框架浮動引起的第一焊點不良的幾種情況。

3 分立器件銅線鍵合工藝控制

圖2 分立器件框架及壓板圖

圖3 框架與壓板配合不良

圖4 框架浮動引起的第一焊點不良

鍵合工藝控制對產(chǎn)品鍵合質(zhì)量和可靠性有重要影響，對于分立器件的銅線鍵合，需要同時兼顧分立器件框架的結(jié)構(gòu)特點及銅線鍵合性能。不合適的鍵合工藝設(shè)置會導(dǎo)致諸多鍵合問題出現(xiàn)，造成產(chǎn)品廢品率偏高和設(shè)備停機率增加。鍵合工藝控制主要包括兩個方面，即工藝條件和工藝參數(shù)。

3.1 工藝條件控制

分立器件銅線鍵合的工藝條件包括燒球和焊線保護氣體流量大小、壓板與引線框架的配合狀態(tài)、鍵合溫度等。

3.1.1 保護氣體流量控制

銅線氧化不僅造成鍵合困難，而且由于氧化物電阻較大，會嚴重降低產(chǎn)品的電性能，必須有效地避免。保護氣體可以有效防止燒球及焊線過程中的銅線氧化，但是，在使用過程中需要嚴格控制好保護氣體流量。保護氣體流量過小時銅線會因保護不夠發(fā)生氧化，進而導(dǎo)致：一、燒球時球體嚴重氧化、出現(xiàn)大小球及偏心球；二、氧化造成銅球硬度過大，在焊接時導(dǎo)致第一焊點不粘和虛焊；三、焊線過程中銅線氧化導(dǎo)致焊點不粘和虛焊。保護氣體流量并非越大越好，保護氣體流量過大首先會造成成本浪費，同時，過大的氣流量還會導(dǎo)致燒球不成功。

目前，銅線鍵合設(shè)備一般安裝兩路保護氣體，即燒球保護氣和焊線過程保護氣。圖5給出了燒球保護氣體流量不同時的燒球結(jié)果。圖5中（a）中球體因保護不足而氧化，球體表面顏色發(fā)烏；（b）球體保護充分，整個球體色澤明亮；（c）為因氣流量過大而燒小球的情況。圖6給出了焊線過程中保護氣體流量不同時球焊點的狀況，圖6中（a）中球焊點因氧化而呈暗紅色；（b）球焊點表面未發(fā)生氧化，色澤明亮。

3.1.2 壓板與框架的配合狀態(tài)

圖5 燒球保護氣體流量不同時的燒球結(jié)果

圖6 焊線過程保護氣流量不同時的球焊點

分立器件框架的結(jié)構(gòu)特點決定了分立器件在焊接時框架易出現(xiàn)浮動，引發(fā)各種焊接問題。通過貼高溫膠帶可以使壓板和引線框架實現(xiàn)很好的配合，從而解決以上問題。

壓板與框架的接觸屬于剛性接觸，剛性接觸無法保證框架與壓板每個部位都接觸良好。此外，壓板下壓力有時會造成壓板變形，使壓板與框架接觸情況變差。高溫膠帶作為一種彈性介質(zhì)，可將壓板與框架的剛性接觸轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥越佑|，從而保證二者接觸良好。圖7為壓板與框架配合的示意圖。

貼高溫膠帶還可以提高焊點的一致性。表1為某材料第一焊點剪切力、第二焊點拉力的測量結(jié)果，從表中可以看出，貼膠帶后焊點的一致性變好。

3.1.3 鍵合溫度

圖7 壓板與框架的配合

表1 貼高溫膠帶前后第一焊點剪切力、第二焊點拉力測量結(jié)果(22.86 μm 銅線)。

鍵合溫度對鍵合后焊點粘結(jié)的好壞有一定影響。通常分立器件的鍵合溫度控制在150～350℃之間。溫度過低會因鍵合能量不夠造成焊點不粘等問題；溫度過高則加重焊點的氧化或引起其他問題。

3.2 工藝參數(shù)控制

分立器件銅線鍵合工藝參數(shù)設(shè)置需要考慮到其自身的特點。

3.2.1 第一焊點工藝參數(shù)設(shè)定

鍵合壓力和超聲能量：鍵合壓力和超聲能量一般配合使用。分立器件銅線鍵合一般采用大鍵合壓力和小超聲能量相配合的方式。采用此種配合方式主要因為：一、大的超聲能量容易使芯片表面出現(xiàn)彈坑，損壞芯片；二、鍵合壓力過小時無法保證焊點壓實，容易造成大扁球和不粘狀況的出現(xiàn)，使焊線狀態(tài)不穩(wěn)定。

鍵合時間：銅線需要比金線更長的鍵合時間，以保證焊線的穩(wěn)定性。

接觸超聲能量：銅線鍵合第一焊點的接觸超聲能量一般需要設(shè)置較大值，這與銅線硬度和容易氧化有很大關(guān)系。該參數(shù)主要用于清潔材料表面氧化物和其他污染物以提高焊點粘結(jié)力。

研磨：對于一些難鍵合的材料，需要加碾磨來提高其粘結(jié)力。

3.2.2 第二焊點工藝參數(shù)設(shè)定

第二焊點工藝參數(shù)設(shè)置不合適會造成斷線較多，留尾不一致，不粘等狀況，這些狀況在影響生產(chǎn)效率的同時還會對第一焊點造成影響。

鍵合壓力與超聲能量：一般采用大鍵合壓力與小超聲能量相配合的方式，需要具體情況具體對待。此參數(shù)設(shè)置不僅要保證焊點粘結(jié)良好，還要保證留尾長度的一致性。因為尾長不一致時會影響第一焊點燒球。

線尾長度：線尾長度設(shè)置最好保證燒球后球頂部到劈刀尖有0.5～1倍線徑的間距。線尾過短時，燒球會縮到劈刀頭部的楔形部位，造成燒球不完全，而且由于保護氣體無法覆蓋球體上半部而造成球上半部表面氧化。

4 結(jié) 論

分立器件銅線鍵合時需要考慮分立器件自身的結(jié)構(gòu)特點，只有根據(jù)分立器件自身的結(jié)構(gòu)特點，選用適當?shù)墓に嚄l件和工藝參數(shù)，才能盡可能避免焊接過程中出現(xiàn)的各種問題，得到較好的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，進而提高產(chǎn)品生產(chǎn)率及設(shè)備、人員效率。因此，研究分立器件銅線鍵合工藝具有重要的意義。

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