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铜线键合技术及设备的研究与应用

张新军  
【摘要】:引线键合技术是微电子封装中非常关键的一步,在传统的封装工艺中键合引线通常以金线为主。金线以其良好的导电性能、延展性和化学稳定性而被广泛应用于几乎所有高级IC封装中。然而随着金价的持续攀升,以铜线为键合引线的封装工艺逐渐成为业界的首选并逐渐有取代金线工艺之势,尽管如此,由于铜线材料本身的两大特性高硬度和易氧化造成了铜线焊接性能的不稳定即烧球时容易产生铜球的氧化和容易造成第一点焊接的焊盘损伤,硅弹坑和铝层喷溅等失效模式;另外尽管目前大多数设备制造商能够直接生产铜线专用设备,但是大部分老式的引线键合设备都是金线工艺,如果要发展铜线工艺必须进行相应的改造,因此铜线设备的升级也成为了发展铜线工艺的一个障碍。本论文正是针对上述几个问题以研究应用为最终目的,以实验数据和理论分析为判断依据,通过对铜线设备的升级和验收以及对铜线工艺失效模式的深入分析,对上述问题进行了创新性和探索性研究。其主要内容为: 1.详细研究了当前主流键合引线的使用材料和适用范围及三种相关的键合技术的区别及当前铜线工艺技术的市场发展状态,发展铜线的成本优势和铜线相对于金线的性能优势。 2.详细研究了由传统的金线工艺设备升级为铜线键合工艺所需要的技术条件特别是铜球的防氧化设计,线夹系统的校正和打火系统的升级;另外研究总结了金线转铜线设备的升级步骤和注意的项目特别是对整个升级后的键合系统需要进行全面的校正。 3.详细研究了铜线键合工艺中容易造成的严重的失效模式即焊盘损伤,硅弹坑和铝层喷溅及其产生机理;研究了铜焊接中自由空气球的重要的影响因素和关键参数及其对铜焊接的影响,最后还研究了第一点焊接和第二点焊接的失效模式的影响因素和重要参数。 4.重点讨论了评估铜线键合质量的两种破坏性测试的方法和结果分析及铜线键合未来的发展方向。


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