半导体集成电路铜线键合性能有哪些？

随着电子封装技术的发展，封装引脚数越来越多，布线间距越来越小，封装厚度越来越薄，封装体在基板上所占的面积越来越小，这使得低介电常数、高导热的材料成为必需的材料，这些更高的要求迫使芯片封装技术不断突破，不断创造新的技术极限。传统的金线、铝线键合与封装技术的要求不相匹配。铜线键合在成本和材料特性方面有很多优于金、铝的地方，但是铜线键合技术还面临一些挑战和问题。如果这些问题能够得到很好的解决，铜线键合技术就将成为未来封装的主流技术。下面【__科准测控】__小编就给大家分享一下半导体集成电路铜线键合性能有哪些？以及半导体集成电路铜线键合的优缺点介绍。一起往下看吧！

近年来，铜线由于其良好的电气、机械性能和较低的价格而受到业界的青睐。铜的化学性能比金活泼，导电、散热和机械性能优于金，硬度略强于金，因此以铜线替代金线具备了一定的物理基础和可能性。实际应用中纯铜在空气中容易氧化，从而降低了铜线的焊接性能，所以一般在铜线表面涂敷一层超薄有机薄膜，经真空包装之后存放，保护铜线上机之前不被氧化。

在引线材料中，金、铝、铜是最常用的金属材料，它们都具有良好的综合性能，分别用于不同的芯片焊接。下面来讨论铜线的性能：

1. __铜线的机械性能：__铜线（99.99%）与同纯度的金线相比具有良好的剪切强度和延伸性。在满足相同焊接强度的情况下，可采用更小直径的铜线来代替金线，从而使引线键合的间距缩小。在室温条件下铜线的拉伸强度和延伸率均高于金线，焊接用铜线的直径可减少到15μm。铜的抗拉强度高，对直径同样为2.0mil（1mil=0.0254mm）的线来说，铜线的引线拉力约为55g，金线约为25g，铝线约为20g。可见铜线约为金线的2 倍，约为铝线的3倍。加上铜的硬度大、强度高，这个特性非常有利于在塑封模压时保护引线的弧度。

2. __铜线的电性能：__封装材料的电性能直接决定了芯片的技术指标。随着芯片频率的不断提高，对封装的导体材料的电性能提出了更高的要求。铜线具有优良的电性能，其电阻率为1.6μQcm，比金线高出33%。铜线的电性能指标可与金线相当，有些参数比金线还好，且其熔断电流比金线要高，用其替代金线可提高芯片可靠性。铜的电导率比金和铝好得多，接近于银，而且铜的金属间扩散率较小，金属间化合物生长较慢，因而金属间渗透层的电阻较小。这决定了它的功率损耗更小，以便于用细线通过更大的电流。

3. __铜线的热性能：__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。铜的热导率是金的1.3倍，是铝的1.8倍，这决定了它本身的温度不容易升高，因而更有利于接触面的热传递，更能适应高温环境条件。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。

__（4）铜的化学稳定性：__铜的化学稳定性不如金，容易氧化。铜的硬度大，延伸性较差，在一定程度上增加了焊接的难度。由于金属活性和延伸性等方面的不足，铜线的应用对生产设备、生产工艺也提出了更高的要求。由于铜线相对于金线和铝线有较好的电气和机械性能，加上价格较低，因此在半导体器件键合中已得到重视和应用。

__（5）铜线的焊接性能：__铜线有优良的机械、电、热性能，是替代金线和铝线的理想材料。在芯片引线键合工艺中取代金线和铝线可缩小焊接间距，提高芯片频率、散热性和可靠性。但是，由于其易于产生氧化，焊接时必须采用特殊焊接工艺，改善其焊接性能，才能发挥铜线的综合性能优势，以提高芯片质量。但是，铜线由于其恶劣的焊接性能阻碍了其在封装中的大量使用。随着芯片对封装材料的电性能要求越来越高，对铜线焊接性能的研究和焊接工艺的研究已经成为引线键合的热点问题。

铜线表面的污染和氧化是造成铜线焊接性能差的主要因素。铜线表面的有机污染物一般采用离子清洗法去除，而对于其表面氧化问题则必须通过增加保护气体来解决。

铜线在从生产、储存、运输到焊接的过程中，不可避免地与空气中的氧接触而缓慢地发生氧化反应：

Cu2O为一层致密的氧化膜，很难用物理的方法去除。铜线在焊接过程中，由于高温和氧气的作用，还会产生快速氧化反应：

铜的氧化物膜呈现网状结构。由于有这两层氧化膜的存在，使铜的焊接性能严重下降，成为难焊接材料。

为了提高铜线的焊接性能，在焊接过程中同时增加还原和保护性气体加入保护性气体以防止氧与铜在焊接时发生反应加入适量的氢气作为还原气体以去掉铜表面的Cu2O，其反应式为：

保护性气体为95%N2，还原气体为5%H2。混合气体的用气量电火花烧球时为45L/h，焊接时为25L/h。

尽管铜线键合占的份额较少，但是人们对它的研究开始增加，并且它的应用范围已经迅速扩大。市场的驱动要求芯片密度更高，功能更加复杂，价格更加低廉，功耗更低，这使得封装向着细间距、多引脚、小焊盘、小键合点的方向发展。在这样的封装技术发展趋势下，铜线键合能够更好地满足人们对封装的要求。这是因为铜作为键合线比金、铝有更多的优良特性，包括以下几点：

1. 可以降低成本。Cu和Au的封装成本比较见表2-2。

（2）优良的电和热传导特性。

（3）金属间形成的化合物较少。铜的一个突出优良特性是它不容易跟铝形成金属间化合物，而金线的原子很容易跟铝焊点互扩散而形成金属间化合物。这种互扩散会在键合表面形成一些空洞，从而导致键合可靠性问题。另外，金、铝之间形成的化合物非常脆弱，当存在热-机械负载时，它就很容易被破坏。有时金、铝间形成的化合物的电阻系数很大，那么当有电流流过时，就会导致额外的热产生，这些热又导致更多的金属间化合物产生，这将使热产生和金属间化合物的形成之间出现一个恶性循环。

（4）高温下键合点的可靠性提高。铜与铝之间形成金属间化合物需要的温度要高于金，铜与铝形成金属间化合物的速度也只有金的1/4，所以在高温环境下，铜线比金线的可靠性更高。

（5）机械稳定性比较好。在拉线测试过程中，被拉断的是键合线，而不是键合点，这说明铜键合点的键合强度非常高。随着硅片上铜互连技术的发展，铜与铜焊盘之间的键合有很多属于单金属间的键合，这样不用担心互扩散，可以大大提高键合的可靠性。单金属间键合更能进一步地缩小焊球间间距。常用的键合方法为楔形键合以及球形键合，楔形键合较球形键合技术成熟一些。另外，随着硅片上的铜金属化，如果用金线键合的话，金就比铜更硬一些，所以键合时为了避免产生弹坑，必须调整键合参数而用铜线键合则不用担心这些问题，但是铜线与硅片上的铜金属化区域直接键合这种技术在商业应用上还不多见，这主要是由硅片上的铜金属化区域的防氧化问题难以解决所致。

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铜线存在不足：

1. 铜易于氧化。铜线的表面很容易产生过多的氧化层，这将影响到金属焊球的成型。而这一步往往是形成良好键合的关键，铜的氧化还可能会导致腐蚀裂缝。铜的焊接性能也比较差，这是由焊接中铜的氧化与铜线表面的污染造成的。铜线表面还会被有机物污染，对于这种污染一般采用离子清洗法对其表面进行清洗来去除。

（2）铜比金的硬度要大，因此键合起来有困难。氧化的铜会变得更加硬，所以键合起来就更加困难。通过增加键合力度和超声能量可以成功地实现键合，但是键合力度和超声能量增加的幅度是有限制的，如果键合力度或超声能量过大，焊盘下边的硅衬底就将受损，即出现所谓的“弹坑”。况且键合力度和超声能量的增加会加速键合细管磨损，使得设备的寿命大大降低。为解决这个问题，通常还可以通过另外两种办法一种是增加焊盘的厚度另外一种是添加一个保护层，这种保护层的材料成分通常是钛钨合金。

（3）在铜线与焊盘键合时，焊盘的设计不易控制。通常，焊盘由多层金属组成，现在制作焊盘时引入了具有较低介电常数的材料，而且往往通过增加这种低介电常数的空隙率来进一步降低其介电常数，但是这也进一步降低了焊盘的硬度。而铜线的硬度较大，所以增加了键合难度和可靠性，设计合理的焊盘结构参数可以在一定程度上帮助解决这个问题。

（4）铜线键合过程中，工艺参数优化控制较困难，特别是键合力度和超声波能量。

（5）铜线键合给可靠性测试和失效分析过程带来一定的困难。失效分析比较难做，首先是因为在X光检查下，铜线与下面的铜引线架不能形成明显的对比。再者，铜线会跟硝酸发生化学反应，所以不能用传统的喷射刻蚀来开封器件。

铜线键合作为热超声键合的一种，和金线键合一样存在焊球变形、焊脚拖尾、脱焊、键合强度低等失效问题。影响键合的因素与解决方法见表2-3。

铜线由于其自身的特点，和金线相比，在键合过程中容易发生其他失效。其主要表现是铜的金属活性较强，在高压烧球时极易氧化。

一旦焊球氧化，铜线将无法和芯片电极正常键合，这会出现焊不粘、拉力强度不足、焊伤等失效问题，故需要采取相应的防氧化保护措施。通常采用一定比例的氢氮混合气体进行烧球保护，同时需对焊接温度、压力等参数进行适当调整。当铜线线径不同时，相应的保护气流量、流速和相关参数也需要重新进行调整。为了获得更好的焊接效果，还应在键合过程中采用超声波换能器的多级驱动。多级驱动的目的首先是用大功率超声波破坏铜表面的氧化层，然后再用较低功率的超声波完成扩散焊接。

解决这个问题的最直接方法是选择引线架材料，保证引线架和轨道的紧密贴合，以从根本上消除载芯板的机械应力。但实际上却难以做到，不同厂家引线架的加工尺寸不可能一致，同一个厂家的不同批次产品之间也有差异。所以，最低程度也必须保证引线架和轨道两者的贴合处在一定的控制范围内。

另一种方法是将轨道键合区的加热块独立出来，使其和压板构成一个联动机构，引线架经过键合区加热块上方时，加热块上升、压板下压，同时夹紧引线架，完成键合动作后，压板上抬、加热块下降，同时松开引线架，这样就可以最大限度地减少载芯板在键合过程中的机械振动，避免芯片的断裂。采用共锡工艺进行装片可在芯片和引线架之间形成一个缓冲层（20~40μm），这样也有助于防止芯片断裂。

铜线键合是目前半导体行业发展起来的一种焊接新技术，但与金线键合相比，铜线键合技术还要在设备和工艺上加大投入，不断探索和总结。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和机械等方面的优势，所以人们一直在研究这种键合线，随着高级集成电路封装技术的发展，铜线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技术发展的必然趋势。

以上便是小编给大家介绍的半导体集成电路铜线键合性能以及铜线键合优缺点分析、铜线键合氧化的解决方法了。希望能给大家带来帮助！如果您对半导体集成电路、芯片或者推拉力机有不明白的问题，可以给我们私信或留言，科准的技术团队也会为您解答疑惑！

审核编辑 黄宇