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1、学校代码： 10289 分类号： TN606 密 级： 公开 学 号： 103030005 江江苏苏科科技技大大学学 专业硕士学位论文专业硕士学位论文（在职攻读专业学位）半导体铜线键合工艺研究半导体铜线键合工艺研究研究生姓 名 导 师 姓名 申请学位类别 工程硕士工程硕士 学位授予单位 江江 苏苏 科科 技技 大大 学学 学 科 专业 电子与通信工程电子与通信工程 论文提交日期 2014 年年 4 月月 19 日日 研 究 方向 半导体元器半导体元器件的球焊工艺件的球焊工艺论文答辩日期 2014 年年 6 月月 7 日日 答辩委员会主席 评 阅 人 2014 年 4 月 22 日论文题目 半导
2、体铜线键合工艺研究 姓 名 汤振凯 江苏科技大学II摘 要I摘摘 要要在当今21世纪，半导体产业蓬勃发展，半导体IC和半导体器件已经在各行各业广为使用，从卫星通信、军事产品、信息工业至普通家用产品、小家电，同时伴随着半导体产业和器件的发展，人们的生活愈来愈便捷和智能。半导体产业在发展的过程中，分工逐渐精细，而半导体封装产业也成为了一个在半导体产品中占据较大比例的产业，如何能够提高半导体封装的效率和性能，降低成本，就摆在了所有半导体产业人员面前。随着产品的I/O口变多，半导体封装中的键合成本也占据着较大比例，在键合中采取新的材料，新的工艺，在保证产品性能和可靠性的前提下，降低材料成本，是产业发展
3、的一个趋势。随着设备技术的发展，采用铜丝代替原来的金丝作为焊丝，已经成为了可能。由于金和铜的材料价格存在着较大差异，很多公司和研究人员投入了很大精力，进行各方面的尝试，经过多年的研究，长电科技已经在这方面取得了较大的突破。本文主要研究用铜丝代替传统的金丝材料，采用新的技术和工艺参数，运用 DOE试验法，找到了最佳的铜线球焊的工艺参数（主要是球焊功率、球焊压力、球焊时间）窗口，加上设备的改进（原有将焊线高温熔化时加上氢气和氮气保护装置），并将做出来的成品与原来的产品进行性能和可靠性的比较，发现铜线球焊产品的主要电性能参数与原来金线产品的参数分布一致，可靠性能还能避免原有的金铝合金的脆化现象，推进
4、了半导体封装产业和半导体器件的不断发展。关键词关键词 球焊；焊接工艺；封装；铜线球焊；可靠性AbstractIIAbstractIn twenty-first Century, the semiconductor industry with development, IC and semiconductor device has been widely used in all walks of life to carry out, from the satellite communications, military products, information technology indus
5、try and ordinary household products, small household electrical appliances, accompanied by the development of the semiconductor industry and devices, peoples life more and more convenient and intelligent.The semiconductor industry in the development process, gradually fine division, and semiconducto
6、r packaging industry has also become a occupy a larger proportion of semiconductor products in the industry, how to improve the efficiency and performance, semiconductor packaging cost reduction, is placed in front of all of our semiconductor industry personnel. Along with the product I/O port numbe
7、r, bonding the semiconductor package also occupy a great proportion, adopt new materials in the bonding process, new technology, in order to ensure the product performance and reliability, reduce the cost of the materials, is an industry trend. Instead of the original with gold as the wire, the wire
8、 material and technology, with the development of equipment and technology, has become possible, since there are large differences between gold and copper material prices, many companies and researchers have devoted great energy, trying various aspects, after years of research, with the experience a
9、ccumulation, JCET technology has made a great breakthrough in this respect.This paper mainly studies the copper wire instead of the traditional gold wire material, the technology and the new process parameters, plus improvement of equipment performance and reliability, compared to do out of the fini
10、shed product and the original product, promote the continuous development of semiconductor device and semiconductor packaging industry.Keywords wire bonding; bonding technology; packaging; copper ball bonding, reliability;目 录I目录目录 摘 要 I Abstract .II 第一章 绪论1 1.1 引言.1 1.2 国内外研究现状、发展动态.1 1.3 本文的内容安排.3
11、第二章 半导体封装中引线键合的基本原理4 2.1 引言.4 2.2 半导体封装介绍.5 2.3 键合工艺的特点.5 2.4 超声波球焊的原理.6 2.5 超声波球焊的过程.7 2.5.1 初始位置.8 2.5.2 第一焊接检查.9 2.5.3 第一焊接.9 2.5.4 拉线位置.9 2.5.5 第二焊接瞄准.9 2.5.6 第二焊接检查位置.9 2.5.7 第二焊接.9 2.5.8 扯丝.9 2.5.9 成球位置.10 2.6 本章小结.10 第三章 超声波球焊设备的结构和作用.11 3.1 引言.11 3.2 KS 公司球焊机介绍11 第四章 铜线超声球焊工艺的几个重要因素.14 4.1 引
12、言.14 4.2 铜线超声球焊的劈刀.14 4.3 键合的工艺参数.15 4.3.1 键合超声能量.15 4.3.2 键合压力温度时间.16 4.4 铜线.16 4.5 焊盘.17 4.6 本章总结.17 第五章 铜线工艺设备和参数的优化调整18 5.1 引言.18 5.2 铜线焊接工艺要求.18 5.2.1 焊接位置.18 5.2.2 焊点状况.18 5.2.3 弧度要求.18 5.2.4 焊线要求.18 5.2.5 芯片外观.19 5.2.6 键合强度.19江苏科技大学工程硕士学位论文II5.3 铜线材料的性能.19 5.3.1 铜线的力学性能.19 5.3.2 铜线的电性能.20 5.3
13、.3 铜线的热学性能.20 5.3.4 铜线优势.21 5.4 试验材料及方法.21 5.4.1 球焊机设备与改进.21 5.4.2 用 DOE 试验法对铜线球焊参数进行改进.22 5.5 试验结果与分析.30 5.5.1 剪切力与拉力.30 5.5.2 弧度.31 5.5.3 可靠性.31 5.5.4 不良品.31 5.5.5 金铜丝球焊焊点金属间化合物生长.31 5.5.6 金铜丝球焊焊点剪切断裂载荷和失效模式.32 5.5.7 金铜丝球焊拉伸断裂载荷和失效模式.32 5.5.8 铜丝球焊产品的电性能.33 5.6 铜丝球焊产品的电性能可靠性33 5.7 结论34 5.8 本章小结.34
14、总结与展望35 参考文献36 致 谢38第一章 绪论- 1 -第一章 绪论1.1 引言随着半导体技术和产品的发展，摩尔定律接近失效的边缘。 半导体产业链上IC 设计、晶圆制造、封装测试各个环节的难度不断加大，技术门槛也越来越高，资本投入越来越大。由单个企业覆盖整个产业链工艺的难度显著加大。半导体产业链向专业化、精细化分工发展是一个必然的大趋势。全球半导体产业整体成长放缓，产业结构发生调整，产能在区域上重新分配。半导体产业发达地区和不发达地区将会根据自身的优势在半导体产业链中有不同侧重地发展。封装产能转移将持续，外包封装测试行业的增速有望超越全行业。芯片设计行业的技术壁垒和晶圆制造行业的资金壁垒
15、决定了，在现阶段，封装测试行业将是中国半导体产业发展的重点。在传统封装工艺中，黄金 的成本占比最高。目前采用铜丝替代金丝是一个大的趋势。用铜丝引线键合的芯片产品出货占比的上升有助于提高封装企业的盈利能力。半导体封装的发展朝着小型化和 多I/O 化的大趋势方向发展。具体的技术发展包括多I/O 引脚封装的BGA 和小尺寸封装的CSP 等。WLSCP 和TSV 等新技术有望推动给芯片封装测试带来革命性的进步。随着半导体产品脚位的变多， I/O 口的增多，对焊线材料的性能要求和成本要求也越来越高。中国本土的大型封装测试企业为以下几个，各有特点：通富微电最直接享受全球产能转移；长电科技在技术上稳步发展、巩固其行业龙头地位 ，产业规模全球第七 ；华天科技依托地域优势享受最高毛利率的同时通过投资实现技术的飞跃。在半导体分立器件行业中，封装成本占了很大比例，而传统球焊材料金丝在其中占了封装成本的较大比例。由于近几年国际金价等原材料价格不断上升，电子产品的小型化发展趋势越来越明显，分立器件产品的引脚数不断增加，电流特性的增大、焊线丝的变多，导致金丝材料在分立器件产品成本中的所占比例越来越大 。而铜金属相对金而言，成本只是金价的1/5000，并且从材料特性上来看，铜丝的热传导性和导电性能比金好，可以考虑用铜丝代替金丝。但因为铜线容易被空气中的氧气氧化，易引起接触不良，并且铜硬度较高，只要
