混合集成电路金丝热超声球焊工艺及应用发展

混合集成电路工艺已成为今后电源和器件等微型化模块快速发展的关键瓶颈,在简要介绍内部引线键合技术的基础上,重点讨论HIC和MCM中广泛应用的直径25.4μm金丝热超声球焊工艺的技术特点、材料特性、工艺过程、工艺控制、工艺设计、目检要求、强度测试和应力试验,介绍了该工艺在近期的应用与发展.     

Thermosonic Wire Bonding Process Simulation and Bond Pad Over Active Stress Analysis

In this paper, a transient nonlinear dynamic finite element framework is developed, which integrates the wire bonding process and the silicon devices under bond pad. Two major areas are addressed: one is the impact of assembly 1st wire bonding process and another one is the impact of device layout below the bond pad. Simulation includes the ultrasonic transient dynamic bonding process and the stress wave transferred to bond pad device and silicon in the 1st bond. The Pierce strain rate dependent model is introduced to model the impact stain hardening effect. Ultrasonic amplitude and frequency are studied and discussed for the bonding process. In addition, different layouts of device metallization under bond pad are analyzed and discussed for the efforts to reduce the dynamic impact response of the bond pad over active design. Modeling discloses the stress and deformation impacts to both wire bonding and pad below device with strain rate, different ultrasonic amplitudes and frequencies, different friction coefficients, as well as different bond pad thickness and device layout under pad. The residual stress, after cooling down to a lower temperature, is discussed for the impact of substrate temperature.     

Growth of Intermetallic Compounds in Thermosonic Copper Wire Bonding on Aluminum Metallization

Interface evolution caused by thermal aging under different temperatures and durations was investigated by means of scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). It was found that approximately 30-nm-thick and discontinuous Cu-Al intermetallic compounds (IMCs) were present in the initial bonds before aging. Cu-Al IMCs grew under thermal aging with increasing aging time. The growth kinetics of the Cu-Al IMCs was correlated to the diffusion process during aging; their combined activation energy was estimated to be 1.01 eV. Initially, Al-rich Cu-Al IMCs formed in the as-bonded state and early stage of aging treatment. Cu₉Al₄ was identified by selected-area electron diffraction (SAD) as the only type of Cu-Al IMC present after thermal aging at 250°C for 100 h; this is attributed to the relatively short supply of aluminum to the interfacial reaction.     

Low-Stress Thermosonic Copper Ball Bonding

Thermosonic ball bonding processes on test chips with Al metallized bonding pads are optimized with one Au and two Cu wire types, all 25 $mu{hbox {m}}$ diameter, obtaining average shear strengths of more than 120 MPa. The process temperature is $sim {hbox {110}}~^{circ}{hbox {C}}$. Ball bonds made with Cu wire show at least 15% higher shear strength than those made with Au wire. The estimated maximum shear strength $c_{pk}$ value determined for Cu ball bonding $(c_{pk}=3.7pm 1.2)$ is almost 1.5 times as large as that of the Au ball bonding process $(c_{pk}=2.3pm 0.9)$, where $LSL$ is 65.2 MPa. However, the ultrasound level required for Cu is approximately 1.3 times than that required for Au. Consequently, about 30% higher ultrasonic forces induced to the bonding pad are measured using integrated real-time microsensors. The accompanying higher stresses increase the risk of underpad damage. One way to reduce ultrasonic bonding stresses is by choosing the softer of the two Cu wire types, resulting in a measured ultrasonic force reduction of about 5%. A second way is to reduce the ultrasound level. While this causes the average shear strength to fall by 15%, the ultrasonic force falls by 9%. The $c_{pk}$ value does not change significantly, suggesting that a successful Cu ball bonding operation can be run with about 0.9 times the conventionally optimized ultrasound level. The process adjusted in this way reduces the extra stress observed with Cu wire compared to that observed with Au wire by 42%.      

台面型焊盘的引线键合工艺研究

引线键合工艺是微电子封装的基础工艺,广泛应用于军品和民品芯片的封装。特殊结构焊盘的引线键合失效问题是键合工艺研究的重要方向。文章主要针对台面型焊盘,从热压键合、超声键合、热超声键合原理进行了分析,对台面型焊盘的工艺适应性给出了建议。使用热超声键合工艺进行台面型焊盘的引线键合需要尽可能降低超声功率,避免键合焊盘的机械损伤,并通过平衡其他各变量保证键合点的强度。侧重于热超声键合工艺的应用,分析台面型焊盘与热超声键合过程相关的失效现象,通过样件及小批量试制,对工艺参数进行了优化验证,针对故障件统计分类给出了相应的解决途径。     

铜引线键合中影响焊球硬度因素的研究

铜丝球焊由于其经济优势和优越的电气性能近来得到了普及,然而,在引线键合工艺中用铜丝取代金丝面临着一些技术上的挑战。多年来,IC芯片焊盘结构已经逐步适应了金丝球焊。铜在本质上比金硬度高,因此以铜线取代金线便引出了有关硬度的问题。研究了用25．4μm铜丝球焊中与键合机参数有关的铜焊球硬度特性。采用电子打火系统不同的电流和打火时间设置,用5％氢气和95％氮气组成的惰性保护气体形成了一个典型的25．4μm大小的铜焊球,研究了维氏硬度的焊球。用实验设计建立了第一和第二键合参数,进行了无空气焊球基本数据调整。通过改变电子打火系统参数。对硬度特性进行了进一步的测试。典型的键合球的大小和厚度的第一键合响应证实铜键合球的生产实力与电子打火系统的电流和打火时间有关．     

金、铜丝球键合焊点的可靠性对比研究

金丝球焊是电子工业中应用最广泛的引线键合技术,但随着高密度封装的发展,铜丝球焊日益引起人们的关注。采用热压超声键合的方法,分别实现Au引线和Cu引线键合到Al-1%Si-0.5%Cu金属化焊盘。对焊点进行200℃老化实验的结果表明:铜丝球焊焊点的金属间化合物生长速率比金丝球焊焊点慢的多;铜丝球焊焊点具有比金丝球焊焊点更稳定的剪切断裂载荷,并且在一定的老化时间内铜丝球焊焊点表现出更好的力学性能;铜丝球焊焊点和金丝球焊焊点在老化后的失效模式不同。     

铜丝键合工艺研究

键合铜丝作为微电子工业的新型研发材料,已经成功替代键合金丝应用于IC后道封装中。随着IC封装键合工艺技术及设备的改进,铜丝应用从低端产品如DIP、SOP向中高端QFP、QFN、多层线、小间距焊盘产品领域扩展。因封装制程对键合铜丝的性能要求逐步提高,促进了铜丝生产商对铜丝工艺性能向趋近于金丝工艺性能发展,成为替代金丝封装的新型材料。文章首先讲述了铜丝键合的优点,指出铜丝在键合工艺中制约制程的瓶颈因素有两个方面：一是铜丝储存条件对环境要求高,使用过程保护措施不当易氧化;二是铜丝材料特性选择、制具选择、设备键合参数设置不当在生产制造中易造成芯片焊盘铝挤出、破裂、弹坑等现象发生,最终导致产品电性能及可靠性问题而失效。文章通过对铜丝键合机理分析,提出解决、预防及管控措施,制定了具体的生产管控工艺方案,对实现铜丝键合工艺有很好的指导意义。     

铜丝键合工艺研究

讲述了铜丝键合的优点,列举了铜丝在键合工艺中制约制程的瓶颈因素有两个方面：一是铜丝储存条件对环境要求高,使用过程保护措施不当易氧化;二是铜丝材料特性选择、制具选择、设备键合参数设置不当在生产制造中易造成芯片焊盘铝挤出、破裂、弹坑等现象发生,最终导致产品电性能及可靠性问题而失效。本文通过对铜丝键合机理分析,提出解决、预防及管控措施,制定了具体的生产管控工艺方案,对实现铜丝键合工艺有很好的指导意义。     

铜丝键合工艺研究

键合铜丝作为微电子工业的新型研发材料,已经成功替代键合金丝应用于IC后道封装中。随着IC封装键合工艺技术及设备的改进,铜丝应用从低端产品如DIP、SOP向中高端QFP、QFN、多层线、小间距焊盘产品领域扩展。因封装制程对键合铜丝的性能要求逐步提高,促进了铜丝生产商对铜丝工艺性能向趋近于金丝工艺性能发展,成为替代金丝封装的新型材料。本文首先讲述了铜丝键合的优点,列举了铜丝在键合工艺中制约制程的瓶颈因素有两个方面：一是铜丝储存条件对环境要求高,使用过程保护措施不当易氧化;二是铜丝材料特性选择、制具选择、设备键合参数设置不当在生产制造中易造成芯片焊盘铝挤出、破裂、弹坑等现象发生,最终导致产品电性能及可靠性问题而失效。本文通过对铜丝键合机理分析,提出解决、预防及管控措施,制定了具体的生产管控工艺方案,对实现铜丝键合工艺有很好的指导意义。     

Copper Wire Bonding Concerns and Best Practices

Copper wire bonding of microelectronic parts has developed as a means to cut the costs of using the more mature technology of gold wire bonding. However, with this new technology, changes in the bonding processes as well as bonding metallurgy can affect product reliability. This paper discusses the challenges associated with copper wire bonding and the solutions that the industry has been implementing. The paper also provides information to enable customers to conduct qualification and reliability tests on microelectronic packages to facilitate adoption in their target applications.     

铜线键合的抗氧化技术研究

在铜线键合的过程中通入惰性保护气体,或在纯铜线表面涂覆金属钯防氧化层都可以改善铜线键合的抗氧化性能。为了评价上述两种方法对铜线键合抗氧化性能的改进情况,使用先进的材料表征方法分析不同保护气体流量情况下键合形成的金属熔球的形貌,金属熔球表面的氧原子数分数和表面氧化层的厚度。研究表明,保护气体流量为0.51 L/min时,可以在保证成本较低的情况下获得最佳的抗氧化效果。通过XPS和TEM分析发现,铜线表面涂覆金属钯可以延长铜线的存储寿命,降低键合界面的氧含量,提高键合的可靠性。     

铜丝键合工艺在微电子封装中的应用

在铜丝或铜条长期应用于分立器件及大功率器件的同时，近年又出现了晶片的铜金属化工艺。由此，业内人士采用铜作为丝焊键合的一种材料使用，进而开始了一些新工艺的研究。结果证实，铜金属化使电路的线条更细、密度更高。因而铜丝可以作为一种最有发展前景及成本最低的互连材料替换金丝，可进行大量高引出端数及小焊区器件的球形或楔形键合工艺。主要阐述铜丝键合工艺在微电子封装中的现状及未来发展方向。     

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。     

金丝引线键合失效的主要因素分析

通过对金丝引线键合工艺失效模式的研究,分析影响金丝引线键合失效的各种因素,并提出相应的解决措施.为金丝引线键合的实际操作和理论学习提供技术指导,从而更好的降低键合器件的失效率、提高键合产品的成品率和键合效率.     

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。     

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。     

铜丝键合在实际应用中的失效分析

研究并总结了铜丝键合塑封器件在实际应用环境中工作时发生的几种不同失效模式和失效机理,包括常见封装类型电路的失效,这些封装类型占据绝大部分铜丝键合的市场比例。和传统的实验室可靠性测试相比,实际应用中的铜丝失效能够全面暴露潜在可靠性问题和薄弱点,因为实际应用环境存在更多不可控因素。实际应用时的失效或退化机理主要包括:外键合点氯腐蚀、金属间化合物氯腐蚀、电偶腐蚀、键合弹坑、封装缺陷五种类型。对实际应用中的数据和分析为进一步改善铜丝键合可靠性、提高器件稳定性提供了依据。