隨著電子封裝技術的發展，封裝引腳數越來越多，布線間距越來越小，封裝厚度越來越薄，封裝體在基板上所占的面積越來越小，這使得低介電常數、高導熱的材料成為必需的材料，這些更高的要求迫使芯片封裝技術不斷突破，不斷創造新的技術極限。傳統的金線、鋁線鍵合與封裝技術的要求不相匹配。銅線鍵合在成本和材料特性方面有很多優于金、鋁的地方，但是銅線鍵合技術還面臨一些挑戰和問題。如果這些問題能夠得到很好的解決，銅線鍵合技術就將成為未來封裝的主流技術。下面【__科準測控】__小編就給大家分享一下半導體集成電路銅線鍵合性能有哪些？以及半導體集成電路銅線鍵合的優缺點介紹。一起往下看吧！

近年來，銅線由于其良好的電氣、機械性能和較低的價格而受到業界的青睞。銅的化學性能比金活潑，導電、散熱和機械性能優于金，硬度略強于金，因此以銅線替代金線具備了一定的物理基礎和可能性。實際應用中純銅在空氣中容易氧化，從而降低了銅線的焊接性能，所以一般在銅線表面涂敷一層超薄有機薄膜，經真空包裝之后存放，保護銅線上機之前不被氧化。

在引線材料中，金、鋁、銅是最常用的金屬材料，它們都具有良好的綜合性能，分別用于不同的芯片焊接。下面來討論銅線的性能：

1. __銅線的機械性能：__銅線（99.99%）與同純度的金線相比具有良好的剪切強度和延伸性。在滿足相同焊接強度的情況下，可采用更小直徑的銅線來代替金線，從而使引線鍵合的間距縮小。在室溫條件下銅線的拉伸強度和延伸率均高于金線，焊接用銅線的直徑可減少到15μm。銅的抗拉強度高，對直徑同樣為2.0mil（1mil=0.0254mm）的線來說，銅線的引線拉力約為55g，金線約為25g，鋁線約為20g。可見銅線約為金線的2 倍，約為鋁線的3倍。加上銅的硬度大、強度高，這個特性非常有利于在塑封模壓時保護引線的弧度。

2. __銅線的電性能：__封裝材料的電性能直接決定了芯片的技術指標。隨著芯片頻率的不斷提高，對封裝的導體材料的電性能提出了更高的要求。銅線具有優良的電性能，其電阻率為1.6μQcm，比金線高出33%。銅線的電性能指標可與金線相當，有些參數比金線還好，且其熔斷電流比金線要高，用其替代金線可提高芯片可靠性。銅的電導率比金和鋁好得多，接近于銀，而且銅的金屬間擴散率較小，金屬間化合物生長較慢，因而金屬間滲透層的電阻較小。這決定了它的功率損耗更小，以便于用細線通過更大的電流。

3. __銅線的熱性能：__隨著芯片密度的提高和體積的縮小，芯片制造過程中的散熱是設計和工藝考慮的一個重要內容。在常用封裝材料中，銅比金和鋁的傳熱性能都要好，被廣泛地用于電子元器件的生產制造中。銅的熱導率是金的1.3倍，是鋁的1.8倍，這決定了它本身的溫度不容易升高，因而更有利于接觸面的熱傳遞，更能適應高溫環境條件。在對散熱要求越來越高的高密度芯片封裝工藝中，選取銅線來代替金線和鋁線是非常有意義的。并且銅的熱膨脹系數比鋁低，因而其焊點的熱應力也較低。

__（4）銅的化學穩定性：__銅的化學穩定性不如金，容易氧化。銅的硬度大，延伸性較差，在一定程度上增加了焊接的難度。由于金屬活性和延伸性等方面的不足，銅線的應用對生產設備、生產工藝也提出了更高的要求。由于銅線相對于金線和鋁線有較好的電氣和機械性能，加上價格較低，因此在半導體器件鍵合中已得到重視和應用。

__（5）銅線的焊接性能：__銅線有優良的機械、電、熱性能，是替代金線和鋁線的理想材料。在芯片引線鍵合工藝中取代金線和鋁線可縮小焊接間距，提高芯片頻率、散熱性和可靠性。但是，由于其易于產生氧化，焊接時必須采用特殊焊接工藝，改善其焊接性能，才能發揮銅線的綜合性能優勢，以提高芯片質量。但是，銅線由于其惡劣的焊接性能阻礙了其在封裝中的大量使用。隨著芯片對封裝材料的電性能要求越來越高，對銅線焊接性能的研究和焊接工藝的研究已經成為引線鍵合的熱點問題。

銅線表面的污染和氧化是造成銅線焊接性能差的主要因素。銅線表面的有機污染物一般采用離子清洗法去除，而對于其表面氧化問題則必須通過增加保護氣體來解決。

銅線在從生產、儲存、運輸到焊接的過程中，不可避免地與空氣中的氧接觸而緩慢地發生氧化反應：

Cu2O為一層致密的氧化膜，很難用物理的方法去除。銅線在焊接過程中，由于高溫和氧氣的作用，還會產生快速氧化反應：

銅的氧化物膜呈現網狀結構。由于有這兩層氧化膜的存在，使銅的焊接性能嚴重下降，成為難焊接材料。

為了提高銅線的焊接性能，在焊接過程中同時增加還原和保護性氣體加入保護性氣體以防止氧與銅在焊接時發生反應加入適量的氫氣作為還原氣體以去掉銅表面的Cu2O，其反應式為：

保護性氣體為95%N2，還原氣體為5%H2?；旌蠚怏w的用氣量電火花燒球時為45L/h，焊接時為25L/h。

盡管銅線鍵合占的份額較少，但是人們對它的研究開始增加，并且它的應用范圍已經迅速擴大。市場的驅動要求芯片密度更高，功能更加復雜，價格更加低廉，功耗更低，這使得封裝向著細間距、多引腳、小焊盤、小鍵合點的方向發展。在這樣的封裝技術發展趨勢下，銅線鍵合能夠更好地滿足人們對封裝的要求。這是因為銅作為鍵合線比金、鋁有更多的優良特性，包括以下幾點：

1. 可以降低成本。Cu和Au的封裝成本比較見表2-2。

（2）優良的電和熱傳導特性。

（3）金屬間形成的化合物較少。銅的一個突出優良特性是它不容易跟鋁形成金屬間化合物，而金線的原子很容易跟鋁焊點互擴散而形成金屬間化合物。這種互擴散會在鍵合表面形成一些空洞，從而導致鍵合可靠性問題。另外，金、鋁之間形成的化合物非常脆弱，當存在熱-機械負載時，它就很容易被破壞。有時金、鋁間形成的化合物的電阻系數很大，那么當有電流流過時，就會導致額外的熱產生，這些熱又導致更多的金屬間化合物產生，這將使熱產生和金屬間化合物的形成之間出現一個惡性循環。

（4）高溫下鍵合點的可靠性提高。銅與鋁之間形成金屬間化合物需要的溫度要高于金，銅與鋁形成金屬間化合物的速度也只有金的1/4，所以在高溫環境下，銅線比金線的可靠性更高。

（5）機械穩定性比較好。在拉線測試過程中，被拉斷的是鍵合線，而不是鍵合點，這說明銅鍵合點的鍵合強度非常高。隨著硅片上銅互連技術的發展，銅與銅焊盤之間的鍵合有很多屬于單金屬間的鍵合，這樣不用擔心互擴散，可以大大提高鍵合的可靠性。單金屬間鍵合更能進一步地縮小焊球間間距。常用的鍵合方法為楔形鍵合以及球形鍵合，楔形鍵合較球形鍵合技術成熟一些。另外，隨著硅片上的銅金屬化，如果用金線鍵合的話，金就比銅更硬一些，所以鍵合時為了避免產生彈坑，必須調整鍵合參數而用銅線鍵合則不用擔心這些問題，但是銅線與硅片上的銅金屬化區域直接鍵合這種技術在商業應用上還不多見，這主要是由硅片上的銅金屬化區域的防氧化問題難以解決所致。

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銅線存在不足：

1. 銅易于氧化。銅線的表面很容易產生過多的氧化層，這將影響到金屬焊球的成型。而這一步往往是形成良好鍵合的關鍵，銅的氧化還可能會導致腐蝕裂縫。銅的焊接性能也比較差，這是由焊接中銅的氧化與銅線表面的污染造成的。銅線表面還會被有機物污染，對于這種污染一般采用離子清洗法對其表面進行清洗來去除。

（2）銅比金的硬度要大，因此鍵合起來有困難。氧化的銅會變得更加硬，所以鍵合起來就更加困難。通過增加鍵合力度和超聲能量可以成功地實現鍵合，但是鍵合力度和超聲能量增加的幅度是有限制的，如果鍵合力度或超聲能量過大，焊盤下邊的硅襯底就將受損，即出現所謂的“彈坑”。況且鍵合力度和超聲能量的增加會加速鍵合細管磨損，使得設備的壽命大大降低。為解決這個問題，通常還可以通過另外兩種辦法一種是增加焊盤的厚度另外一種是添加一個保護層，這種保護層的材料成分通常是鈦鎢合金。

（3）在銅線與焊盤鍵合時，焊盤的設計不易控制。通常，焊盤由多層金屬組成，現在制作焊盤時引入了具有較低介電常數的材料，而且往往通過增加這種低介電常數的空隙率來進一步降低其介電常數，但是這也進一步降低了焊盤的硬度。而銅線的硬度較大，所以增加了鍵合難度和可靠性，設計合理的焊盤結構參數可以在一定程度上幫助解決這個問題。

（4）銅線鍵合過程中，工藝參數優化控制較困難，特別是鍵合力度和超聲波能量。

（5）銅線鍵合給可靠性測試和失效分析過程帶來一定的困難。失效分析比較難做，首先是因為在X光檢查下，銅線與下面的銅引線架不能形成明顯的對比。再者，銅線會跟硝酸發生化學反應，所以不能用傳統的噴射刻蝕來開封器件。

銅線鍵合作為熱超聲鍵合的一種，和金線鍵合一樣存在焊球變形、焊腳拖尾、脫焊、鍵合強度低等失效問題。影響鍵合的因素與解決方法見表2-3。

銅線由于其自身的特點，和金線相比，在鍵合過程中容易發生其他失效。其主要表現是銅的金屬活性較強，在高壓燒球時極易氧化。

一旦焊球氧化，銅線將無法和芯片電極正常鍵合，這會出現焊不粘、拉力強度不足、焊傷等失效問題，故需要采取相應的防氧化保護措施。通常采用一定比例的氫氮混合氣體進行燒球保護，同時需對焊接溫度、壓力等參數進行適當調整。當銅線線徑不同時，相應的保護氣流量、流速和相關參數也需要重新進行調整。為了獲得更好的焊接效果，還應在鍵合過程中采用超聲波換能器的多級驅動。多級驅動的目的首先是用大功率超聲波破壞銅表面的氧化層，然后再用較低功率的超聲波完成擴散焊接。

解決這個問題的最直接方法是選擇引線架材料，保證引線架和軌道的緊密貼合，以從根本上消除載芯板的機械應力。但實際上卻難以做到，不同廠家引線架的加工尺寸不可能一致，同一個廠家的不同批次產品之間也有差異。所以，最低程度也必須保證引線架和軌道兩者的貼合處在一定的控制范圍內。

另一種方法是將軌道鍵合區的加熱塊獨立出來，使其和壓板構成一個聯動機構，引線架經過鍵合區加熱塊上方時，加熱塊上升、壓板下壓，同時夾緊引線架，完成鍵合動作后，壓板上抬、加熱塊下降，同時松開引線架，這樣就可以最大限度地減少載芯板在鍵合過程中的機械振動，避免芯片的斷裂。采用共錫工藝進行裝片可在芯片和引線架之間形成一個緩沖層（20~40μm），這樣也有助于防止芯片斷裂。

銅線鍵合是目前半導體行業發展起來的一種焊接新技術，但與金線鍵合相比，銅線鍵合技術還要在設備和工藝上加大投入，不斷探索和總結。盡管銅作為鍵合線存在一定的不足之處，但是正是因為它具有很多電和機械等方面的優勢，所以人們一直在研究這種鍵合線，隨著高級集成電路封裝技術的發展，銅線鍵合存在的問題將逐漸得到解決。銅作為鍵合線材料是將來電子封裝技術發展的必然趨勢。

以上便是小編給大家介紹的半導體集成電路銅線鍵合性能以及銅線鍵合優缺點分析、銅線鍵合氧化的解決方法了。希望能給大家帶來幫助！如果您對半導體集成電路、芯片或者推拉力機有不明白的問題，可以給我們私信或留言，科準的技術團隊也會為您解答疑惑！

審核編輯 黃宇