Comparison of the copper and gold wire bonding processes for LED packaging

Wire bonding is one of the main processes of the LED packaging which provides electrical interconnection between the LED chip and lead frame. The gold wire bonding process has been widely used in LED packaging industry currently. However, due to the high cost of gold wire, copper wire bonding is a good substitute for the gold wire bonding which can lead to significant cost saving. In this paper, the copper and gold wire bonding processes on the high power LED chip are compared and analyzed with finite element simulation. This modeling work may provide guidelines for the parameter optimization of copper wire bonding process on the high power LED packaging.     

微电子器件封装铜线键合可行性分析

虽然在集成电路封装工艺中金导线键合是主流制程,但是目前采用铜导线替代金导线键合已经在半导体封装领域形成重要研究趋势。文章对微电子封装中铜导线键合可行性进行了分析,主要包括铜导线与金导线的性能比较(包括电学性能、物理参数、机械参数等),铜导线制备和微组织结构分析,铜导线焊合中的工艺研发及铜导线焊合可靠性分析等。当今半导体生产商关注铜导线不仅是因为其价格成本优势,更由于铜导线具有良好的电学和机械特性,同时文中也介绍了铜导线键合工艺存在的诸多问题和挑战,对将来铜导线在集成电路封装中的大规模应用和发展具有一定的参考意义。     

金丝楔形键合强度的影响规律分析

金丝楔形键合是一种通过超声振动和键合力协同作用来实现芯片与电路引出互连的技术。现今,此引线键合技术是微电子封装领域最重要、应用最广泛的技术之一。引线键合互连的质量是影响红外探测器组件可靠性和可信性的重要因素。基于红外探测器组件,对金丝楔形键合强度的多维影响因素进行探究。从键合焊盘质量和金丝楔焊焊点形貌对键合强度的影响入手,开展了超声功率、键合压力及键合时间对金丝楔形键合强度的影响研究。根据金丝楔焊原理及工艺过程,选取红外探测器组件进行强度影响规律试验及分析,指导实际金丝楔焊工艺,并对最佳工艺参数下的金丝键合拉力均匀性进行探究,验证了金丝楔形键合强度工艺一致性。     

镀Pd Cu线键合工艺中Pd行为研究

由于Cu线热导率高、电性能好、成本低,将逐渐代替传统Au线应用于IC封装.但Cu线键合也存在Cu材料本身固有特性上的局限:易氧化、硬度高及应变强度等.表面镀Pd Cu线材料的应用则提供了一种防止Cu氧化的解决方案.然而,Cu线表面的Pd层很可能会参与到键合界面形成的行为中,带来新的问题,影响到Cu线键合的强度和可靠性.对镀Pd Cu线键合工艺中Pd的行为进行了系统的研究,使用了SEM,EDS等分析手段对cu线、烧结Cu球(FAB)、键合界面等处Pd的分布状况进行了检测,结果证明Pd的空间分布随着键合工艺的进行发生了很大的变化,同时还对产生Pd分布变化的原因进行了分析和讨论.     

集成电路封装中的引线键合技术

在回顾现有的引线键合技术之后,文章主要探讨了集成电路封装中引线键合技术的发展趋势。球形焊接工艺比楔形焊接工艺具有更多的优势,因而获得了广泛使用。传统的前向拱丝越来越难以满足目前封装的高密度要求,反向拱丝能满足非常低的弧高的要求。前向拱丝和反向拱丝工艺相结合,能适应复杂的多排引线键合和多芯片封装结构的要求。不断发展的引线键合技术使得引线键合工艺能继续满足封装日益发展的要求,为封装继续提供低成本解决方案。     

基于DOE和BP神经网络对Al线键合工艺优化

Al丝超声引线键合工艺被广泛地应用在大功率器件封装中,以实现大功率芯片与引 线框架之间的电互连.Al丝引线键合的质量严重影响功率器件的整体封装水平,对其工艺参数的优化具有重要工业应用意义.利用正交实验设计方法,对Al丝引线键合工艺中的三个最重要影响因数(超声功率P/DAC、键合时间t/ms、键合压力F/g)进行了正交实验设计,实验表明拉力优化后的工艺参数为:键合时间为40 ms,超声功率为25 DAC,键合压力为120g;剪切推力优化的工艺参数为:键合时间为50 ms,超声功率为40 DAC,键合压力为120 g.基于BP神经网络系统,建立了铝丝超声引线键合工艺的预测模型,揭示了Al丝超声键合工艺参数与键合质量之间的内在联系.网络训练结果表明训练预测值与实验值之间符合很好,检验样本的结果也符合较好,其误差基本控制在10%以内.     

RFID芯片超声倒装封装技术研究

超声倒装是近年来芯片封装领域中快速发展的一种倒装技术,具有连接强度高、接触电阻低、可靠性高、低温下短时完成和成本低的优势,特别适合较少凸点的RFID芯片封装。在镀Ni/Au铜基板上进行了RFID芯片超声倒装焊接实验,金凸点与镀Ni/Au铜基板之间实现了冶金结合,获得了良好的力学与电气性能,满足射频要求。     

铜线键合Cu/Al界面金属间化合物微结构研究

由于铜线具有较高的热导率、卓越的电学性能以及较低的成本,被普遍认为将逐渐代替传统的金线而在IC封装的键合工艺中得到广泛的应用。铜线键合工艺中Cu/Al界面金属间化合物(IMC)与金线键合的Au/Al IMC生长情况有很大差别,本文针对球焊键合中键合点的Cu/Al界面,将金属间化合物生长理论与分析手段相结合,研究了Cu/Al界面IMC的生长行为及其微结构。文中采用SEM测试方法,观察了IMC的形貌特点,测量并得到了IMC厚度平方正比于热处理时间的关系,计算得到了生长速率和活化能数值,并采用TEM,EDS等测试手段,进一步研究了IMC界面的微结构、成分分布及其金相结构。     

Cu丝超声球焊及楔焊焊点可靠性及失效机理研究

Cu丝由于具有优良的导热性能、机械性能以及低成本等优点使得用铜丝替代传统的Au丝和Al丝已经成为半导体工艺发展的必然方向.综述了Cu丝超声球焊以及楔焊焊点可靠性问题,对焊点的各种失效模式与机理进行探讨.     

Thermosonic bonding of gold wire onto a copper pad with titanium thin-film deposition

A novel thermosonic (TS) bonding process for gold wire bonded onto chips with copper interconnects was successfully developed by depositing a thin, titanium passivation layer on a copper pad. The copper pad oxidizes easily at elevated temperature during TS wire bonding. The bondability and bonding strength of the Au ball onto copper pads are significantly deteriorated if a copper-oxide film exists. To overcome this intrinsic drawback of the copper pad, a titanium thin film was deposited onto the copper pad to improve the bondability and bonding strength. The thickness of the titanium passivation layer is crucial to bondability and bonding strength. An appropriate, titanium film thickness of 3.7 nm is proposed in this work. One hundred percent bondability and high bonding strength was achieved. A thicker titanium film results in poor bond-ability and lower bonding strength, because the thicker titanium film cannot be removed by an appropriate range of ultrasonic power during TS bonding. The protective mechanism of the titanium passivation layer was interpreted by the results of field-emission Auger electron spectroscopy (FEAES) and electron spectroscopy for chemical analysis (ESCA). Titanium dioxide (TiO₂), formed during the die-saw and die-mount processes, plays an important role in preventing the copper pad from oxidizing. Reliability of the high-temperature storage (HTS) test for a gold ball bonded on the copper pad with a 3.7-nm titanium passivation layer was verified. The bonding strength did not degrade after prolonged storage at elevated temperature. This novel process could be applied to chips with copper interconnect packaging in the TS wire-bonding process.     

LTCC基板金丝热超声楔焊正交试验分析

引线键合是微组装技术中的关键工艺,广泛应用于军品和民品芯片的封装。特殊类型基板的引线键合失效问题是键合工艺研究的重要方向。低温共烧陶瓷(LTCC)电路基板在微波多芯片组件中使用广泛,相对于电镀纯金基板,该基板上金焊盘楔形键合强度对于参数设置非常敏感。文章进行了LTCC基板上金丝热超声楔焊的正交试验,在热台温度、劈刀安装长度等条件不变的情况下,分别设置第一键合点和第二键合点的超声功率、超声时间和键合力三因素水平,试验结果表明第一点超声功率和第二点超声时间对键合强度影响明显。     

IC键合铜线材料的显微力学性能研究

用于IC(集成电路)的键合铜线材料具有低成本、优良的导电和导热性等优点,但其高硬度容易对铝垫和芯片造成损伤,因此对其硬度的测量是一项关键技术。纳米压痕测量技术可以方便、准确地测量铜线材料的显微硬度值和其他力学性能参数。描述了纳米压痕测量技术的原理以及对铜线材料样品进行纳米压痕测量的参数选择,进行了测量试验。结果表明,原始铜线、FAB(金属熔球)、焊点的平均硬度分别为1.46,1.51和1.65GPa,为键合铜线材料的选择和键合工艺参数的优化提供了依据。     

Nickel-palladium bond pads for copper wire bonding

The semiconductor packaging industry is undergoing a step-change transition from gold to copper wire bonding brought on by a quadrupling of gold cost over the last 8 years. The transition has been exceptionally rapid over the last 3 years and virtually all companies in the industry now have significant copper wire bonding production. Among the challenges to copper wire bonding is the damage to bond pads that had been engineered for wire bonding with the softer gold wire. This paper presents an extensive evaluation of electroless NiPd and NiPdAu bond pads that offer a much more robust alternative to the standard Al pad finish. These NiPd(Au) bond are shown to outperform Al in virtually all respects: bond strength, bond parameter window, lack of pad damage and reliability.     

浅谈镀钯铜线的特性

随着金线价格一路上涨并创下历史新高,大型封装厂正在加大对铜线制程的投入。通过封装厂多年的摸索,发现镀钯铜线是金线很好的替代品。文章分析了镀钯铜线作为键合线材料本身的基本性质,镀钯铜线引线键合的特征和镀钯铜线PCT实验的可靠性。通过分析发现镀钯铜线材料本身有优良的导电和导热特性,同时还有很好的抗氧化性。镀钯铜线在键合过程中需要保护气体的保护,通过硬度实验发现镀钯铜线的硬度较大,因此需要在键合过程中防止弹坑的出现。通过PCT实验证实镀钯铜线具有较好的可靠性。     

铜引线键合工艺研究

传统的半导体封装以铝线和金线为基础。功率器件使用铝线作为连接裸片焊盘与引线框架的互联通道,非功率器件使用金线为互联通道。由于金的价格昂贵,人们一直在寻找替代材料。铜作为物理和化学性质与金接近而价格低廉的金属材料,自然引起人们的关注。文章对铜引线键合工艺的关键问题进行了系统研究。这些研究内容包括自动焊线机的机器参数调整、焊球显微硬度测试、击穿电压测试、焊球高温老化形变、焊球接触电阻测试等内容。这些是铜焊线替代金焊线后影响产品可靠性及产品特性参数的关键问题。通过对机器参数的调整试验得出了适合于大规模生产的工艺参数。     

Modeling of copper wire bonding process on high power LEDs

In this paper, a couple thermal mechanical transient dynamic finite element framework of copper wire bonding process on high power lighting emitting diodes (LEDs) is developed, which considers the thermal heating effects of friction and plastic deformation. The whole wire bonding process is simplified to consist of impact and ultrasonic vibration stages. Parametric studies are also carried out to examine the effects of ultrasonic vibration amplitude and bonding force on stress/strain distribution and friction thermal heating effect during wire bonding process. Different friction coefficients of interface between the free air ball (FAB) and the bond pad are taken in the simulation to examine the effects of friction on the stress and strain level of electrode structure. Modeling results show that the stress/strain distribution and temperature evolution of wire bonding system are significant influenced by the ultrasonic vibration amplitudes, bonding forces and friction coefficients. Discussion and comparison are conducted between the copper and the gold wire bonding processes on the high power LEDs by numerical simulation. The results have disclosed that higher stress/strain in the bond pad and the ohmic contact layer is induced during the copper wire bonding process. Therefore, the process parameters of copper wire bonding should be controlled carefully. This numerical simulation work may provide guidelines for the copper wire bonding process virtual window development of high power LEDs packaging.     

半导体封装行业中铜线键合工艺的应用

文章介绍了半导体封装行业中铜线键合工艺下,各材料及工艺参数(如框架、劈刀、设备参数、芯片铝层与铜材的匹配选择)对键合质量的影响,并总结提出如何更好地使用铜线这一新材料的规范要求。应用表明芯片铝层厚度应选择在0.025mm以上;劈刀应使用表面较粗糙的;铜线在键合工艺中使用体积比为95:5的氢、氮气混合保护气体;引线框架镀银层厚度应控制在0.03mm～0.06mm。     

自动金丝球焊工艺中第一键合点成球缺陷分析

引线键合在多芯片微波组件微组装上应用广泛,通常会用金丝实现芯片与基板、基板与基板间的互连。自动金丝球焊是互连方法的一种,它具有生产效率高、一致性好的特点。文章针对在生产过程中出现的第一键合点成球缺陷展开原因分析,即键合工艺参数不当、真空系统故障和线夹间距不当等。系列试验验证,线夹间隙不当可造成上述缺陷,解决该问题的办法是将线夹间隙调整到0.05 mm。     

铜丝球键合工艺及可靠性机理

文章针对铜丝键合工艺在高密度及大电流集成电路封装应用中出现的一系列可靠性问题,对该领域目前相关的理论和研究成果进行了综述,介绍了铜丝球键合工艺、键合点组织结构及力学性能、IMC生长情况、可靠性机理及失效模式。针对铜丝球键合工艺中易氧化、硬度高等难点,对特定工艺进行了阐述,同时也从金属间化合物形成机理的角度重点阐述了铜丝球键合点可靠性优于金丝球键合点的原因。并对铜丝球键合及铜丝楔键合工艺前景进行了展望。     

金丝球焊机金丝检测技术

在应用于三极管压焊的全自动金丝球焊机中,金丝检测是确保压焊过程工艺质量的关键技术。通过设计金丝的打火失球检测和第一焊点、第二焊点压焊失败检测电路,实现金丝球焊机的金丝压焊效果自动检测功能。实验证明,所设计的检测电路完全满足压焊工艺质量的要求。