铜键合线的发展与面临的挑战

吴建得^1,2  ，罗宏伟²

（1广东工业大学材料学院 ，广州510006 ； 2 信息产业部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室 ，广州510610  ）

摘 要：本文介绍了当今微电子封装中重点关注的铜键合引线，指出了铜键合线的优缺点。铜线键合是一种代替金和铝键合的键合技术，人们关注它不仅因为它的价格成本优势，更由于铜线特有的机械和电学等方面的优良性能，当然，铜线键合技术还存在不少问题和挑战，针对这些存在的问题，我们给出了简要介绍以及解决办法。

关键词 : 铜 键合线  封装 

The developments and challenges of Cu bonding wire

WuJiande^1,2 LuoHongwei²

^{(1 Material department of Guangdong University of Technology 510006 ;  2CEPREI Guangzhou   510610)}

Abstract :   This paper is about the introduction of the Copper bonding wires that are popular investigated in modern electronic packaging . From this paper, we know that copper wire is an alternative bonding wire to Au and Al, the use of copper is not only driven by its low cost, but also its excellent mechanical and electrical properties. the advantages and disadvantages of copper wire are discussed, we also give some solutions about the problems  of this new technology.

Keywords: copper; bonding; wire; packaging

1 引言

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，高导热材料越来越必需，这些更高要求迫使芯片封装技术不断突破 ，不断创造新的技术极限。预计到 2010 年封装的技术指标将进入一个新平台，如表1^[1]所示：

表1    预测2010年芯片封装的技术指标水平

从表1可以看出引线键合各项技术指标在不断提高 ,这就使得传统的金线、铝线键合与封装技术的要求不相匹配。Cu键合线在成本和材料特性方面有很多优于金，铝的地方，但是铜键合技术还存在一些挑战和问题，随着这些问题的解决，铜键合技术将成为未来封装的主流技术。

2　铜作为键合线的诸多优点

键合线主要应用于晶体管、集成电路等半导体器件的电极部位或芯片与外部引线的连接，虽然有不用键合线的键合方法，但目前90％的IC的产品仍以键合线来封装。键合线焊接点的电阻，它在芯片和晶片中所占用的空间，焊接所需要的间隙，单位体积导电率，键合线延展率，化学性能、抗腐蚀性能和冶金特性等特性必须满足的一定的要求才能得到良好的键合特性。元素周期表中过渡组金属元素中，银、铜、金和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，可以作为集成电路的键合线。

在目前的集成电路封装中，金线键合仍然占据大部分，铝线键合也只是占了较少一部分，据一份2005的统计显示^[8]，铝线键合封装只占总封装的5％，而铜线键合大概也只有1％。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得到扩大。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，小键合点发展，在这样的封装技术趋势下，铜线键合能构更好的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。这包括以下几点：

(1）成本可以降低。

金比铜贵3-10倍，最初用铜线键合铝金属化层是在十多年前，当时黄金的市场价格波动得非常厉害。曾经一度达到$800/金衡盎司（金衡盎司为欧美黄金计量单位，1金衡盎司= 31.1034768克），而当今的黄金价格也不过$260-$325/金衡盎司。目前金线键合长度超过5mm,引线数达到400以上，封装成本粗略估计已经超过0.20美元。对于1密耳焊线（1密耳=0.0254毫米），成本可以降低75％，2密耳焊线可达到90％，Cu和Au的封装成本比较如表2^[2] 所示。

                        表2  Cu和Au的封装成本比较

因此用铜线代替金线可为封装公司节省不少成本。

(2）优良的电和热传导特性。

铜线具有优良的电性能,其电阻率较低为 1.6μΩ/cm，室温下铜金的电阻率如表3所示：      

表3    铜金的电阻率比较         

铜的热传导的能力也优于金，金的热传导率只有铜的60%-70%。在大功率和大电流器件中，铜键合应用的特别广泛，因为的对于同样直径的键合线，铜比金和铝可以承载更多的电流。铜比金的热传导率也高出25%左右，铜为385-401 Wm^-1 K^-1，而金的为314-318Wm^-1 K^-1 。因此铜线比金线更加容易将封装中的热散掉，这样减少了它本身所受的热应力。过热的话，会加速晶粒生长，这样就降低了键合线的强度。铜的优良热传导特性也使形成金属熔球过程中键合线上的热影响区域变少。热影响区域变小将又利于形成一个好的拱线，拱线的好坏在堆叠的多芯片组封装中是非常重要的。

(3)金属间生长较少。

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，在当存在热-机械负载时，它就很容易遭破坏。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循环。

(4)高温下键合点可靠度提高。

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四分之一。所以在高温环境下，铜线比金线的可靠度更加高。

(5) 机械稳定性比较好。

有研究表明，铜比金有更好的机械稳定性，一些标准键合力度测试（象拉线试验和剪力试验）表明：铜键合所承受的力度要比金高出20%-30%。在拉线测试过程中，被拉裂断的是键合线，而不是键合点，这说明铜键合点的键合强度非常好。

(6)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度。单金属间键合更能进一步缩小焊球间间距。常用的键合方法为楔形键合以及球键合，楔形键合较球形键合技术成熟一些。另外，随着硅片上铜金属化，如果用金线键合的话，金比铜较硬，所以键合时为了避免产生弹坑必须调整键合参数，而用铜线键合将不用担心这以问题，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间，这主要是由于硅片上的铜金属化区域的防氧化问题难以得到解决。

3铜线键合所面临的挑战

(1)铜易于氧化。

铜线的表面很容易产生过多的氧化层，这将影响到圆金属焊球的成形。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，这是由于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。而铜的氧化一种是在室温下由于其外表面长期与空气接触而产生的氧化现象,其成份为Cu₂O;另一种是在焊接加工过程中高温作用下铜与氧气发生的反应,其成份为CuO。铜线在焊接过程中存在这两种氧化物,正是它们影响了铜线的焊接性能。

为防止铜氧化，必须采用增加保护气体来处理，在形成金属焊球时候，可以将铜线置于惰性气体中，但是，这将给封装添加新的复杂度，比如说要对氮气的控制等。国内某机构研制的铜线球焊装置，采用受控脉冲放电式双电源形球系统，并用微机控制形球高压脉冲数，频率，频宽比以及低压维弧时间，从而实现了对形球能量的精确控制合调节，在氩气保护气下确保了铜线的质量。另外也有人研究用电镀的方法试图防止铜键合线表面氧化^[10]。电镀主要是镀上上Au, Ag, Pd, and Ni等，电镀之后还有利于提高键合强度。镀Au, Ag, Ni会影响键合球的形状，但是镀Pd则不会出现这种问题，用镀Pd的铜线可以得到跟金线一样的焊球形状。而且键合强度也可以胜过金线。

(2)铜比金的硬度要大，因此键合起来有难度。

金和铜的硬度比较如表4所示

                         表4金和铜的硬度比较

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