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修補錫銅線鍵合的優(yōu)勢與局限有哪些？
[2016-07-28]
修補錫銅線隨著金價的持續(xù)上漲（目前每盎司已超過800美元），金線的價格也不斷高升。修補錫銅線雖然采用金線和銅線的制造成本基本是一樣的，但是金線的材料成本卻要高得多。根據(jù)市場的行情，1mil 銅線能夠節(jié)省成本高達75%，2mil 的銅線高達90%。在功率封裝中，要求使用大直徑導線來達到電力負荷，這樣銅線就可以為半導體封裝公司節(jié)約相當可觀的成本費用。修補錫銅線即使對于具有多達1000根（每根長達6 米）的某些精確節(jié)距封裝，采用銅線也可以明顯降低成本。例如，一個精確節(jié)距QFP或BGA 封裝可能需要5 米多長的導線，而采用銅線來代替金線就可以降低大量的成本。
修補錫銅線除了較低的成本外， 銅線優(yōu)良的機械和電學特性使它可以用在具有更高引線數(shù)和更小焊盤尺寸的各種高端精確節(jié)距器件中。由于銅比金和鋁的強度高50%，剛度高30%，所以它能提高優(yōu)良球頸的抗拉強度，并在低長環(huán)的塑膜或封裝期間能更好的控制環(huán)。更高的抗拉強度使在精確節(jié)距應(yīng)用中的一些操用于精確節(jié)距工藝的作變得更加容易。
在導線直徑相同的情況下，銅的導電性要高出23%，這樣在獲得同等的導電性時，可采用更細的銅線。所以，更細的銅導線可以取代更粗直徑的金線功率器件，銅線的這部分提高的導電性具有明顯優(yōu)勢。在精確節(jié)距封裝中，采用銅就可以使用更細的導線而不會影響電學性能。
在銅線鍵合中金屬間的生長也比在金線鍵合中的生長慢得多，這樣，在IC 壽命周期內(nèi)，可以增加鍵合穩(wěn)定性和器件性能。銅- 鋁金屬間也會形成化合物，但比形成金- 鋁金屬間化合物所需的溫度高。隨著目前器件工作溫度變得更高，更慢的金屬間化合物生長速率、更高的強度和更優(yōu)良的電和熱傳導性這些優(yōu)勢結(jié)合起來，就為超精確節(jié)距、高可靠性線鍵合提供了一種效果優(yōu)異，成本低廉的方法。
克服銅的局限性
雖然銅有著許多優(yōu)勢，但它本身也有兩個值得注意的局限點：硬度大和易被腐蝕。由于銅本身的硬度比金大（純度99.99% 的退火過的銅要比純度99.99% 的摻雜金的硬度大很多），所以銅更容易損壞微芯片的表面。由于銅線本身比金線不容易變形，所以它對焊盤的應(yīng)力更大。含有更精確導線、低K 介質(zhì)和BOAC 的更新型的器件結(jié)構(gòu)要求靈敏的鍵合條件。
銅很容易腐蝕和發(fā)生相互反應(yīng)。在自由空氣小球形成期間的銅氧化反應(yīng)會導致導線鍵合球的大小和形狀發(fā)生變化。大小和形狀的改變會產(chǎn)生不規(guī)則鍵合，會使鍵合力和焊盤形變很難控制。為了消除氧化反應(yīng)的影響，銅必須被一層封裝膠囊保護起來以提供可靠的互連接。
由于銅氧化得很快，所以與銅相關(guān)的儲存和產(chǎn)品壽命周期也面臨著挑戰(zhàn)。改進的設(shè)備和材料為了解決這些問題，制造商們已經(jīng)研制出了新材料來增強銅線的性能，尤其在精確節(jié)距應(yīng)用中。新的合金導線（DHF 和Icu）已被引進，它具有更長的貨架期，而且在導線鍵合點上，它被暴露于環(huán)境條件下也不會使焊球結(jié)構(gòu)發(fā)生衰變。被引進市場的一種新的更軟的銅鍵合線有助于降低IC 焊盤的應(yīng)力，從而顯著提高第二鍵合的強度。對銅線來說，第二鍵合強度是一個典型的很有利用前景的屬性，尤其在精確節(jié)距應(yīng)用中。與普通的銅線相比，這種新的更軟的銅線獲得了高達35% 的更高的第二鍵合拉力響應(yīng)，并且增加了鍵合的穩(wěn)健性。
為了在易腐蝕的條件下獲得更長的使用壽命，毛細管已被設(shè)計和優(yōu)化并沿著銅線起作用。為金線設(shè)計的普通毛細管不能經(jīng)受銅線的力，導致了銅線壽命期縮短。這反過來不僅需要停機時間來替換毛細管，還增加了材料的成本。專門為銅線鍵合研制的新型毛細管具有獨特的幾何設(shè)計特征和材料表面特性，可以獲得一致性和穩(wěn)定性高的精確的銅線第二鍵合，同時還保持了全部銅線鍵合工藝的質(zhì)量。研制這種毛細管是為了補償銅的固有易腐蝕性在工程技術(shù)上所面臨的挑戰(zhàn)，這種毛細管可以確保用于優(yōu)質(zhì)工藝控制和生產(chǎn)的第一和第二鍵合質(zhì)量。
為了不采用新的焊線機，制造商已經(jīng)開發(fā)出了銅升級包，以使現(xiàn)有的改進焊線機在工作條件改變的情況下能夠繼續(xù)進行銅線焊接工作。這一策略使制造商們可以把銅線用于高生長、大容量的產(chǎn)品中，從而進入低成本市場。
銅升級包一方面可以使現(xiàn)有的焊線機在密封的環(huán)境中生成未被氧化的銅焊球。要獲得高成品率高可靠性鍵合就必須形成未被氧化的銅焊球。當對焊線機進行改進時，電子燃燒熄滅（Electronic Flame Off）硬件可以在焊球形成期間通過減少導線周圍的氣體來提供一種無氧環(huán)境。通過在這種氣體傳輸系統(tǒng)的密封環(huán)境中進行鍵合，采用最少的氣體就可以形成完美的焊球。
升級包另一方面含有一個接觸探測系統(tǒng)，它可以更好地控制鍵合力和進行接觸保護。這對硬的銅焊球是一個優(yōu)勢，因為該焊線機向下時可以保護表面而不會把焊球壓入表層中。
把這些優(yōu)化方法（即更軟的銅線，優(yōu)化的毛細管和改進的工具包）綜合在一起，公司就可為前面所陳述的銅線鍵合在精確節(jié)距應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn)提供一種完整的工藝解決方案。
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