铜键合丝文献综述.doc

铜键合丝
摘要：简要介绍了目前市场中使用的各种键合丝，通过与键合金丝的对比，重点描述了键合铜丝在各方面的优势，以及制备铜丝的基本过程和影响因素、铜丝的织构等，并简要介绍了国内外关于键合铜丝的部分专利，最后对目前键合铜丝所面临的一些困难作了总结，并指出了今后研究的方向。
1 键合丝
键合丝主要应用与晶体管、集成电路等半导体器件和微电子封装的电极部位或芯片与外部引线的连接。虽然现在有不用键合丝的键合方法，但目前90%的IC的产品仍以键合丝来封装。键合丝焊接点的电阻，在芯片和晶片中所占用的空间，焊接所需要的间隙，单位体积的导电率，键合丝的延展率，化学性能，抗腐蚀性能和冶金特性等特性必须满足一定的要求才能得到良好的键合特性。具体来说，用于键合的键合金属丝应该具有如下特性：尺寸精度要高且 均匀、不弯曲；表面光洁，没有沾污，没有伤痕；具有规定的拉断力和延伸率；焊接时焊点没有波纹；球焊时熔球的正圆度要高[1]。元素周期表中过渡族金属元素中，金银铜铝等四种金属元素具有较高的导电性能，同时兼有上述性能，可以做为集成电路微电子封装用的键合丝。表1列出了这四种金属材料的基本性质，包括电导、热导、弹性模量等。

表1 金银铜铝基本性质比较。
超大规模集成电路引线键合，使用最多的导电丝材料是金丝。键合金丝是指纯度为99.99%，线径为18~50的高纯金合金丝，通常采用球焊-楔焊方式键合，并常用于塑料树脂封装。键合金丝直径一般在20~50之间，由于大部分使用在高速自动键合机上，最高速焊机每秒可完成7~10根键合线，因此要求金丝具有均匀稳定的机械性能和良好的键合性能。为适应自动化规模生产，同时要求每轴丝的长度在300，500或1000m，国外的微细丝已达到2000m，甚至3000m。国内主要的生产研制单位有4家：山东贺利氏招远贵金属材料有限公司，常熟特种电子材料厂，昆明贵金属研究所，北京有色金属与稀土应用研究所等，年供应金丝量约1800kg。
在陶瓷外壳封装的高可靠集成电路中, 多采用铝丝(含有少量的硅或镁)作为键合引线材料。因为铝丝具有良好的导电导热能力和抗蚀性，易于与集成电路芯片的铝金属化布线形成良好的键合, 并且很稳定, 也易于拉制成细丝, 且价格比金丝便宜得多。目前硅铝丝主要有日本田中公司(新加坡)生产的硅铝丝, 该公司生产的硅铝丝基本能满足应用。国产硅铝丝的主要问题是硬度不一, 表面氧化层过厚等, 不能获得高质量的键合引线。由于工艺条件限制, 国内目前尚无大批量生产的工厂。
铜键合丝由于其高的电导率，优良的力学性能和热学性能，在很大程度上提高了芯片频率和可靠性，适应了低成本、细间距、高引出端元器件封装的发展，成为替代传统键合丝的最佳材料。目前，只有日本、美国、瑞士等少数几个国家能开发出铜键合丝产品，而我国对铜键合丝研究尚处在实验研究阶段。[2]
在目前的集成电路封装中，键合金丝占据着绝大部分，键合铝丝也只占了很少一部分。据一份2005年的统计显示[3]，铝线键合封装只占总封装的5%，而铜线键合封装才占不到1%的份额。尽管铜线封装占据着很少的市场份额，但是由于其低廉的封装成本和优良的封装特性，现在对其的研究不断增加，并取得一系列重要进展，有望在将来称为市场的主流键合用丝。
2 铜键合丝
2.1 铜键合丝的优势
铜键合丝的成本
引线键合中使用的各种规格的铜丝，其成本只有金丝的1/3——1/10。
铜键合丝的力学性能
键合丝的力学性能，即丝的破断力和伸长率对引线键合的质量起关键作用，具有较高破断力和较好伸长率的丝更利于键合。高的破断力能使丝抵抗一定的机械应力，好的伸长率使键合丝在打线键合时的成弧性好，一致性好，无塌丝现象，从而提高半导体器件的可靠性。由表2可以看出，铜丝与同规格的金丝(99.99%)相比有优良的力学性能[4]，它具有高的伸长率和破断力，这样在模压和封闭过程中可以得到优异的球颈强度和较高的弧线稳定性。并且在满足相同焊接强度的情况下，可采用更小直径的铜丝来代替金丝，从而使引线键合的间距可以做得更小。此外，铜的杨氏模量比金大40%，这就使得其能更好的控制引线长度，减少下垂和变形。对于铜键合丝，丝材长度可超过200Mil(1Mil=0.0254mm)而直线度总偏差不足1.5Mil，在长间距键合时比金丝更容易控制[5]。

表2 键合铜丝与金丝的力学性质比较。
铜键合丝的电学性能
封装材料的电学性能直接决定了芯片的性能指标，随着芯片频率不断提高，对封装中的导体材料的电性能提出了更高的要求。铜的电导率比金高出近40%，比铝高出近2倍。在承受相同电流时，铜丝截面积比金丝小，这样在微间距封装中就可以采用更细的焊线，其微间距应用性能优异(焊垫尺寸较小)，提高了功率调节器件的电流容量和性能。此外，铜丝的寄生电容比金丝小，由寄生电容引起的信号串扰也越小，信号在铜丝上传输的速度比在金丝上快，这对高速IC是非常有利的。因此，铜焊线更适用于多种高端、高速、微间距器件和引线数量更高、焊垫尺寸更小的元器件的封装[6]。铜丝的熔断电流和抗电迁移性能比金丝要高，用其替代金丝可进一步提高芯片可靠性。
铜键合丝的热学性能
铜的热学性能显著优于金和铝，因此能够以更细的焊丝直径达到更好的散热性能及更高的额定功率。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。在常用封装材料中，铜比金和铝的传热性能都要好，被广泛地用于电子元器件的生产制造中。在对散热要求越来越高的高密度芯片封装工艺中，选取铜线来代替金线和铝线是非常有意义的。并且，铜的热膨胀系数比铝低，因而其焊点的热应力也较低，大大提高了器件的可靠性。
铜键合丝金属间化合物生长速度慢
铜丝与金丝焊点相比，铜线焊点中的金属间化合物(Intermetallic)生长速度显著减小，这就降低了电阻增加量，减小了产热，提高了器件的可靠性。瑞典LarbiAinouz,Metallurgist等人研究了铜线作为互连材料在半导体封装中的性能[7]。他们的研究表明，铜丝与金属化层键合的匹配性及可靠性均相当于或优于金丝和铝丝。在键合过程中，影响焊接成型以及焊接可靠性的一个关键因素是焊丝与金属化层之间的金属间化合物(IMC)的增长速率。键合时，焊丝与金属化层的扩散速度越低，使得接触电阻越低，金属间化合物的增长速率就越低，产生的热量就少，从而提高了键合强度，并最终提高了焊接可靠性和器件性能。图1显示了铜球和金球在铝焊盘上的金属化层渗透现象[8]。从图中我们可以看出铜丝球焊的金属间渗透明显低于金丝球焊，这就使得电阻随时间的增加量和老化速度同时得到减小，产热量更小，封装寿命更长，这也就为大功率分立封装带来了超一流的可靠性。

图1 铜球和金球在铝焊盘上的金属化层渗透
2.2 键合铜丝制备过程及影响因素
单晶铜键合丝是利用单晶铜优异的塑性加工性能加工而成的超细线材，可以作为生产集成
电路、大型计算机以及电子仪器所需的高级原材料。由于单晶铜材料具有连续的柱状晶组织，减少或消除了晶界，避免了铸造过程的缩孔、缩松等缺陷，在很大程度上提高其可拉性，可满足将其加工至直径为0.03mm~0.09mm甚至更细小规格的键合丝。单晶铜键合丝拉制过程中，从坯料到成品其工艺过程较复杂，主要有坯料、模具、润滑、清洗和张力控制等几个工艺过程。制备过程中，应注意如下因素的影响[9]：
（1）坯料的组织不均，纯度不高及存在缺陷，直接影响键合丝性能。单晶铜具有均匀组织，高的纯度且避免了缺陷，能够保证铜键合丝性能。
（2）模具定径区的不圆整或存在缺陷，会造成键合丝表面起皮、划伤，或造成键合丝表面严重污染等缺陷。
（3）润滑剂浓度为要适当，一般为0.4%-0.8%，润滑剂的稀释采用去离子水，超声波清洗时其功率要合适，清洗液采用无水酒精代替纯水。
（4）单晶铜键合丝制备过程中，张力较大会造成键合丝的应力集中，张力过小导致放线不畅，热处理过程中张力过大会造成键合丝的卷曲和扭转。
2.3 铜键合丝的组织与微织构
织构的存在可能对丝球键合及楔形键合产生一定的影响。首先是不同晶体学方向上弹性模量的差异，如铜单晶的E100=91，E111=165，E110=137，不同取向单晶的应力应变曲线也显示了很大的差异。铜丝中<111>织构为主时，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。此外，不同晶体学方向导热能力不同，形成自由球时柱状晶内的织构也可能不同。组织或形变不均匀性也会造成影响。键合后丝内既有原始细晶组织，也有热影响区粗晶组织，还有粗大柱状晶，性能也不同。

图2 键合铜丝取向成像图
图2为某原始铜丝横截面上取向成像的结果。中心区和边缘区为<100>//拉拔轴的取向(黄色)，而两区域之间为<111>取向为主的晶粒(红色)。图2(b)为晶界类型分布。可见红色的孪晶界主要分布在<111>取向晶粒附近。从取向差分布(图2(c))可见，孪晶关系的比例并不高。可以看出，原始铜丝内存在中心及边缘的<100>织构和它们之间的强<111>织构，孪晶主要分布在<111>取向晶粒区[10]。
2.4 国内外专利
世界上较早取代金丝的键合铜丝的专利是YOSHINAGA YASUHIKO; KURIHARA KENICHI; MUKOYAMA KOICHIRO等人1986年发明的用于半导体器件的键合铜丝[11]。通过把微量的Zr, Nb, Pd, Ag, In, 和 Sn等元素中的一种或两种以上的元素与高纯铜混合，得到了可以替代金丝的铜键合丝。其具体组分为5-50ppm Zr, 5-50ppm Nb, 10-100ppm Pd, 10-100ppm Ag, 10-100ppm In, and 10-100ppm Sn中的一种或两种以上的元素，微量元素总量为5-150ppm，然后是重量分数为99.99%以上的高纯铜。
日本的SANKI SADAHIKO等人通过添加很少量的特殊元素到高纯铜中，得到了一种较为柔软的，可以大大减少键合损害的键合铜丝[12]。其基本组成为：0.0002到0.002wt.%的稀土元素或Zr元素，99.9999wt.%的高纯铜。这种铜丝可以防止键合中Si裂纹的形成，改善环纹特性和阻止球颈处晶粒的生长。
宁波康强电子股份有限公司的房跃波，郑志法，郑康定等发明了一种键合铜丝及其制备方法[13]，其材料配方重量百分比为：铈0.0005％～0.001％，锌或锡0.0003％～0.0008％，余量为铜，铜的纯度≥99.996％；键合铜丝的制备方法，它包括：用纯度为99.99wt％的铜电解提纯出纯度为99.999wt％的铜；经金属单晶水平连铸方法制作出纯度为99.9999wt％的单晶铜；制作中间合金；按材料配方将纯度为 99.9999wt％的单晶铜与中间合金经金属单晶水平连铸方法制作出本键合铜丝的坯料；拉伸；退火；分卷；真空包装。
韩国的Sung-Joon Won，Oh Min Kwon，Sung Mun Lee等人申请了一种半导体封装用的键合铜丝专利[14]，专利中指出该键合丝由含量为99.999%的高纯铜和含量在20wt ppm至100wt ppm之间的P或Nb中的至少一种，以及含量在1wt ppm至100wt ppm之间的Zr、Sn、Be、Nd、Sc、Ga、Fr和Ra中的一种或几种组成。添加元素的总量严格限制在20wt ppm至200wt ppm之间， 高纯铜的含量大于或等于99.98%。这种键合铜丝可以防止键合过程中金属挤压、芯片缩孔等现象发生。
最近日本的UNO TOMOHIRO等人发明了一种适合半导体键合用的铜合金丝[15]。这种铜合金丝有较低的成本，优越的球结合形状和线连接特性，以及好的环纹形成特性和优越的生产率。合金丝的基本组分为：总量为10wt ppm至700wt ppm的Mg和P中的至少一种，6wt ppm至30wt ppm范围内的O，余量为铜。
3 结束语
3.1 目前面临的困难
尽管铜丝与金丝相比有很大的优越性，而且国内外都有关于键合铜丝的专利产生，但是目前铜丝球焊所占引线键合的比例依然很少，主要是铜丝球焊技术面临着一些困难：
（1）铜具有极强的亲氧性，容易被氧化，需要还原气体保护，键合工艺不稳定。
（2）对环境有特殊需要，空气中的氧气和湿度以及键合时的温度都会对铜线产生影响。
（3）铜的硬度、屈服强度等物理参数高于金和铝，键合时需要施加更大的超声能量和键合压力，这样容易对硅芯片造成损伤甚至是破坏，所以对芯片键合区的铝层厚度有一定的要求。
（4）铜具有较强的亲氧性，因此必须对铜焊线进行保护以延长其保存期。为此各卷铜焊线均应采用吸塑包装，并在塑料袋内单独密封，不可常时间与空气接触。
（5）铜线在焊线过程中对EFO电压和电流有一定的要求，对劈刀也有特定要求，部分机器使用铜线后会降低UPH值，容易产生断线和对劈刀的堵塞。
3.2 今后努力的方向
针对以上的各种困难，应从以下几个方面对键合铜丝开展研究工作：
（1）优化铜键合丝的微合金化成分配方及工艺；
（2）开展定向凝固连续铸造铜棒材工艺技术研究；
（3）进行铜键合丝微细拉拔及热处理工艺研究；
（4）进行铜键合丝的加工、显微组织及其性能的关系研究；
（5）完成铜键合丝性能分析检测技术和方法；
（6）开展铜键合丝键合工艺及键合设备的研究。
3.3 前景展望
最初人们开发铜键合线的动机主要是为了降低键合线的成本，而目前人们更加关注的是它的优良特性。尽管铜作为键合线存在一定的不足之处，但是，正是因为它具有很多电学和机械等方面的优势，所以人们一直还在关注研究这种键合线，随着高级IC封装技术的发展，铜键合存在的问题将逐渐得到解决，铜作为键合线材料是将来电子封装的必然趋势。所以在今后的半导体封装市场上，我们还会看到越来越多的铜键合器件。

参考文献：
[1] 引线键合工艺与材料，《锡焊料》，2001年11月
[2] 田春霞，电子封装用导电丝材料及发展，稀有金属，第27卷第6期，2003年11月
[3] Han martin Buschbeck, the future is copper.
[4]Lainouz. The Use of Copper Wireasan Alternative Interconnection Materialin Advanced Semiconductor Packaging[P]. Sourcefrom http://www. Kns. corn/news. html.
[5]Hyoung-JoonKim, Joo Yeon Lee, Kyung-WookPaik, etal. Effects of Cu/Al intermetallic compound(IMC) on copper wire and aluminum pad bondability[J]. IEEE Trancactions on Components and Packaging Technologies,2003,26,(2).
[6] 陈新, 李军辉, 谭建平.芯片封装中铜焊线焊接性能分析[J].电子机械工程,2004,(5):18222.
[7] Larbi Ainouz, Muller Feindraht AG, Thalwil. The use of copper wire as an alternative interconnection material in advanced semiconductor packaging. KnS Report, Issue11, umber2, 1999.
[8] L NOtzli,H Berchtold, F Van Mulken. Copper wire ultra fine pitch bonding-the natural progression in IC assembly technology[P]. http://www. Smallprecisiontools. com.
[9] 丁雨田等，单晶Cu键合丝制备过程中的影响因素研究，铸造技术，Vol. 28, No. 12, 2007,12
[10] 杨平等，微电子封装铜线键合的组织与微织构，中国体视学与图像分析，2007年第12卷第4期
[11] YOSHINAGA YASUHIKO; KURIHARA KENICHI; MUKOYAMA KOICHIRO. COPPER WIRE FOR BONDING OF SEMICONDUCTOR DEVICE[P]. JP61099646. 1986, 5
[12] SANKI SADAHIKO; TAMURA KOICHI; SEKIDA KATSUO; KIMOTO KUNIAKI. COPPER BONDING WIRE[P]. JP4247630. 1992,09.
[13] 房跃波，郑志法，郑康定. 键合铜丝及其制备方法[P]. 中国专利，CN1949493. 2007,4.
[14] Sung-Joon Won，Oh Min Kwon，Sung Mun Lee. COPPER BONDING WIRE FOR SEMICONDUCTOR PACKAGE[P], US2006/0186544A1,Aug.24,2006
[15] UNO TOMOHIRO; KIMURA KEIICHI; YAMADA TAKASHI. COPPER ALLOY BONDING WIRE FOR SEMICONDUCTOR DEVICE[P]. US2008061440. 2008,03.