绝缘涂层键合铜线的互联技术及工艺制程的改进与验证

一、简介

分析引线框架封装中绝缘涂层键合铜线键合的SSB（Stand—off Stitch Bond）互联的各种技术难点，并研究和验证解决方案。从芯片、制具、材料、工艺等方面，分析芯片的表面质量、键合夹具、键合劈刀等对绝缘涂层键合铜线SSB工艺的关键影响。研究不同保护气体下的无空气球（FAB）尺寸的稳定性和不同保护装置中FAB形状的稳定性，以及防止绝缘涂层键合铜线SSB键合焊盘损伤和控制“铝挤出”的技术。确定SSB工艺控制的要点及改善方法，并通过试验证实所述措施与方法的有效性。

引线键合工艺在集成电路引线框架封装技术中处于主导地位。由于绝缘涂层键合铜线具有成本、电性能、机械性能可靠性等方面的优势,绝缘涂层键合铜线的键合技术已成为主要的焊线工艺技术。绝缘涂层键合铜线的 SSB (Stand-off Stitch Bond) 键合是绝缘涂层键合铜线键合中的一种工艺方法,即首先在芯片或管脚位置植1个焊球,再进行正常的焊线,将正常焊线的第二焊点焊接到植球点上，从而完成整个焊接过程。SSB 工艺应用在多个芯片功能互联方面,目的是使多个芯片能够集成在1个封装体内，实现功能的完整连接与输出。

由于绝缘涂层键合铜线具有硬度高、极易氧化的特性,绝缘涂层键合铜线的SSB 键合工艺难度较大。随着绝缘涂层键合铜线工艺应用的快速发展,多芯片、堆叠芯片、多层布线等需要芯片互联的产品日益增多,为了使绝缘涂层键合铜线互联工艺等封装技术得到快速应用,质量和可靠性得到足够保障,对绝缘涂层键合铜线 SSB互联技术的难点及工艺控制进行了研究。

二、原理及技术难点分析

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SSB 工艺主要使用在多芯片组件或是堆叠芯片的产品上,绝缘涂层键合铜线 SSB 工艺如图1所示。SSB 焊接连线主要包含3 种打线方式:1)芯片之间的焊盘间打线,即从一个芯片打向另一个芯片;2)同一个芯片的焊盘间打线，即在同一个芯片上的2个或多个焊盘之间进行打线互联;3)从框架载体或内管脚到芯片的焊盘间反向打线,首先在芯片上植球,然后从框架载体或内管脚向芯片上的植球点打线。

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图 1: 铜绝缘涂层键合铜线的SSB工艺

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绝缘涂层键合铜线氧化会使铜球表面形成 CuO。因为 CuO 和Cu的分子结构、熔点存在差异,所以在烧球的瞬间无法形成规则的结构,导致无空气球 (FAB)的大小和形状不一致;同时,在 Cu-A1结合区域出现的任何氧化都会造成结合断裂、结合面剪切强度降低等异常,从而削弱了 Cu-Al结合面的强度。若FAB 不圆,在球和芯片的铝垫发生作用时，会出现作用力不均匀的现象，造成各种风险。绝缘涂层键合铜线表面的 CuO是既硬又脆的非晶态物质,在键合过程中不易被去除,其存在直接影响了键合的强度和性能,如果绝缘涂层键合铜线表面的 CuO 很多,还会出现焊线不粘现象。绝缘涂层键合铜线 SSB 工艺受芯片自身、键合工艺、键合设备、线材特性、键合劈刀等因素的综合影响,存在着很多技术上的难点,体现在绝缘涂层键合铜线 SSB 互联的生产效率低下,绝缘涂层键合铜线的FAB 因保护气体及保护装置的影响存在不稳定的现象,铜球氧化带来的键合第一焊点的焊盘损伤和“铝飞溅”问题,这些技术难点在实际应用过程中极具挑战性。

三、绝缘涂层键合铜线SSB键合的影响因素及工艺控制

1. 芯片表面质量对SSB键合的影响！

芯斤表面的质量状况对绝缘涂层键合铜线 SSB 键合有着关键影响。不同芯片的差异以及晶圆制造工序所造成的芯片表面异常均会在键合加工过程中体现出来,最明显的表现是打线不粘、失铝等异常情况频繁出现,因此要对芯片表面质量进行检验,防止表面质量不合格的芯片被使用在铜线工艺产品上。芯片的表面质量及键合异常如图2所示,其中正常芯片如图 2(A)所示,老片的表面沾污如图 2(B)所示，芯片的探针印过大如图2 (C)所示,在绝缘涂层键合铜线 SSB 互联时,因芯片表面质量异常造成的打线不粘及失铝问题如图 2(D)所示。

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图 2: 芯片的表面质量及键合异常

通过对绝缘涂层键合铜线键合工艺的研究,总结绝缘涂层键合铜线的SSB 互联键合的焊盘尺寸和允许线径的匹配要求。不同的绝缘涂层键合铜线线径对铝层的厚度要求不同,线径越粗则要求焊盘的铝层越厚,对应的铝层过薄将导致封装的可靠性问题，因此不同的铝层厚度适用于不同的绝缘涂层键合铜线线径。绝缘涂层键合铜线 SSB 键合的焊盘尺寸和要求的芯片铝层厚度如表1所示。根据经验总结出封装规则，按照规则对芯片的焊盘进行设计,再对键合工艺制定出安全的参数范围来保证焊线质量。

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表1: 绝缘涂层键合铜线 SSB 键合的焊盘尺寸和要求的芯片铝层厚度

2 . 绝缘涂层键合铜线键合工艺对SSB键合的影响！

目前，业界常用的绝缘涂层键合铜线自动键合机都是通过在机器上安装 N2、H2,混合保护气装置的方法来预防绝缘涂层键合铜线的氧化,实现绝缘涂层键合铜线工艺焊接的可靠性。绝缘涂层键合铜线键合工艺中焊线实现的关键在于电子打火时的气体保护方式，因此在绝缘涂层键合铜线形成 FAB 时,N2、H2,混合保护气 (5%N2,95%H2)装置的设计和结构尤为关键。

#2.1 不同保护气体中FAB 尺寸的稳定性

绝缘涂层键合铜线键合所用的保护气体有2种:一种是N2，(纯度通常为 99.99%),另一种是 N2、H2混合气体 (5% H2、95%N2);N2是惰性气体，它的化学性质非常稳定,很难与其他物质发生化学反应，是很好的气体隔绝材料。H2是易燃易爆的气体,具有强还原的化学性质，可以把金属从氧化物中还原出来。根据不同键合工艺的需要,使用银合金线、镀钯铜线时,增加纯N2,保护即可。使用纯铜线时,应增加 N2、H2混合气体保护。

不同保护气体中的绝缘涂层键合铜线 FAB 尺寸如表2所示FAB 在 N2、H2混合保护气体中的制程能力指数 (CPK)大于 1.33，在N2保护气体中的 CPK 达不到 1.33,因此,FAB 的尺寸在使用 N2、H2混合保护气体时要比使用N2时更稳定。加大火花打火的电流强度,缩短放电的打火时间,可以有效降低氧化程度,也可以得到更好的铜球球形。

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说明: 线径为18μm;保护气体流量为0.4~0.8L/min。

表 2 : 不同保护气体中的绝缘涂层键合铜线 FAB 尺寸

#2.2 不同保护装置中FAB 形状的稳定性

N2、H2保护气体需要一套设备装置才能实现,不同结构的气体保护装置如图3所示。对普通单边吹气结构和优化后的环形吹气结构进行对比试验,试验分2个方案各 4 组进行,不同保护装置中的FAB 试验结果如表3所示。根据试验结果，环形的气体保护装置内合格的 FAB 要远多于单边的气体保护装置内合格的 FAB。因此,FAB 的球形、外观及防氧化性在环形结构的气体保护装置中比在普通单边吹气结构的装置中更好且更稳定。

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图 3 : 不同结构的气体保护装置

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表 3 :  不同保护装置中的FAB 试验结果

#2.3 防止绝缘涂层键合铜线键合焊盘的损伤和“铝挤出”控制技术

由于绝缘涂层键合铜线的硬度高,SSB 工艺需要在同一焊盘上先进行植球再焊接,2次冲击会对焊盘下面的电路造成损坏。改善和控制铜球的硬度、真圆度是 SSB 工艺的关键。

(1)采用线径为 18 μm 的绝缘涂层键合铜线,N₂、H2混合气体,将气体流量设定为 0.4~0.8 L/min,在不同的打火电流以及打火时间下观察 FAB 的外形,通过对比分析得出最适合产品加工的一组工艺参数,打火电流分别为45 mA 和 65 mA 时不同打火时间下的 FAB 外形分别如图4 (A)(B)所示。

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图 4: 不同打火电流及打火时间下的 FAB 外形

试验结果表明，在打火电流为 65 mA、时长为320μs时,铜的裸露面积大,FAB 的硬度较小;在打火电流为 45 mA、时长为 380μs时，铜的裸露面积小,FAB 的硬度较大。因此在大电流、短时间的试验条件下,FAB 的硬度较小。在实际的工程应用过程中,降低FAB 的硬度将有助于改善 SSB 工艺中的失铝、铝垫裂纹问题,预防焊盘损伤。

(2)“铝挤出"为绝缘涂层键合铜线键合工艺中的一种常见现象、是因为铜球在焊接时相对于铝焊盘硬度大,接触时医焊接功率、压力等作用而出现铝被挤出焊盘的现象。SSB 工艺需要使同一焊盘受力2次，因此比其他绝缘涂层键合铜线键合工艺更易出现“铝挤出”的现象。绝缘涂层键合铜线 SSB 的“铝挤出”现象如图5所示。

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图 5 : 铜绝缘涂层键合铜线 SSB 的“铝挤出”现象

通过对键合工艺参数的研究,对功率、冲击力、x/y 方向的摩擦力、旋转摩擦力等焊接参数进行试验设计法 (DOE)优化,确定了较为理想的工艺参数在此基础上,为防止绝缘涂层键合铜线 FAB 氧化,设计安装 N2、H2混合气体管路的异常监测报警系统,改进芯片焊盘的铝层厚度和成分以满足绝缘涂层键合铜线焊线的要求。在键合前增加对产品的等离子清洗流程,清除片表面的污染颗粒物质,综合预防和改善 SSB 工艺的“铝挤出”问题。

同时要控制好铜铝结合面的形成,有5 个因素影响金属间化合物的形成,包括原子尺寸、电负性 (电化学)、电子化合价、原子序数和黏着能。焊接界面处的金属存在着相互渗透和扩散的情况,使界面的厚度随时间而增长,从而影响焊接界面的稳定性经过高温的铜铝界面上产生了 Cu9Al4和 CuA1 等金属间化合物,因此控制好金属间化合物的结合面,才能保证整体的焊接质量。

3. 其他影响因素及解决方法！

#3.1 对SSB键合夹具的要求

键合夹具的压板和加热块需要与键合机的工作台相匹配,不能影响设备的跳步系统及焊头运动。键合夹具要与引线框架相匹配，不能出现干涉焊线、框架载体与引脚松动的问题。为提高散热的均匀性,需保证键合夹具的中心位置与四角位置的温度相差在±3 ℃以内。为保证绝缘涂层键合铜线键合时的焊接质量,键合夹具必须满足以下要求。

(1)载体连筋与垫块必须匹配。观察四角位置的载体连筋是否位于垫块正中,保证四角边缘的管脚与载体的边缘有一定的距离，检查框架是否被完全压紧,确认管脚无松动。

(2)设备夹具的真空值需满足要求。框架载体被真空吸紧,从而将框架载体与管脚同时压实,设备的真空值不能低于规定的最低标准值。

(3)夹具压板的凸台不能有损伤,夹具不能有异物黏附。若键合夹具不能满足要求,在键合加工的过程中易出现芯片晃动的现象。在 SSB 打线过程中,从劈刀接触芯片表面到铜球成型及返回过程中,芯片会出现反弹,造成铜球焊接不良、绝缘涂层键合铜线不粘、铝层剥离(失铝)等问题。更有甚者,由于芯片的焊点受力不均匀,会出现铝垫裂纹或弹坑,严重影响产品质量及可靠性。

#3.2 对SSB键合劈刀和焊盘的要求

键合劈刀的选择要考虑绝缘涂层键合铜线线径、焊盘尺寸、焊盘间距、相邻弧高等因素。对绝缘涂层键合铜线劈刀的头部表面进行了粗糙化处理,增加了其粗糙度。由于绝缘涂层键合铜线的材质较硬,采用粗化的劈刀头部可以使框架将绝缘涂层键合铜线固定得更牢固,使其得到更好的第二焊点并提升 SSB 第二焊点的抗拉力,提升可靠性的等级，同时也延长了劈刀的使用寿命。对于 SSB 键合劈刀和焊盘的具体要求如下。

(1)普通劈刀孔径为键合线直径的 1.2~1.4倍。当劈刀孔径过大时,拉出的线弧棱角不明显,易出现线弧摆动现象。当劈刀孔径过小时,劈刀容易堵塞,线弧易出现不稳定或刮伤现象,影响生产效率。

(2)焊盘尺寸不小于键合劈刀的导角直径(CD)和机型精度 (2~4μm)以及功率圈 (2~6μm)之和;焊球的直径为 CD 的 1.1 倍。当 CD 过小时会出现偏心球 (高尔夫球)现象，当 CD 过大时会出现铝垫压伤现象。

(3)焊盘间距不小于焊盘尺寸和劈刀头部长度的一半。

(4)根据相邻的弧高和相邻间距选用不同头部形状的劈刀，劈刀顶部直径决定了第二焊点的长度,顶部直径较大有利于增加第二焊点的键合面积和键合强度,同等条件下优先选择顶部直径较大的劈刀。

(5)劈刀顶部直径应小于焊盘最小间距的 1.3 倍。

#3.3 SSB键合中不同键合线的应用

目前封装键合线有不同型号的裸铜线、镀钯铜线、金钯铜线、银合金线等,其中金钯铜线、银合金线在防氧化、硬度降低方面得到了更好的改善与应用。金钯铜线、银合金线除具有常规铜线的特性外,还具有高强度、低弧度、耐腐蚀等优点,可以提高产品的可靠性"。绝缘金钯铜线是在金钯铜线的表面增加一层镀金层，起到防氧化、改善焊线特性,从而改进封装键合工艺的作用。

经验证,在 SSB 工艺上,绝缘涂层金钯铜线可实现更好的 FAB 防氧化效果,对改善铝垫裂纹或失铝异常有很大帮助,同时有助于增强第二焊点的焊接能力,更适合于不同线径的生产应用。在使用绝缘涂层键合铜线时需注意在氮气柜中保存，要求温度为20~25℃，相对湿度小于50%。绝缘涂层键合铜线的使用期限通常为6个月,打开真空包装后应在 9 天内用完。

四、结论

针对绝缘涂层键合铜线 SSB 互联技术的难点,分析了影响绝缘涂层键合铜线 SSB 工艺的主要因素,包含芯片的焊盘结构与成分、键合夹具、键合劈刀、键合工艺、键合线材等。在此基础上,通过分析在不同保护气体中FAB 尺寸的稳定性,以及不同保护装置中 FAB 形状的稳定性,研究了防止绝缘涂层键合铜线键合焊盘损伤和“铝挤出”的技术。针对存在的难点制定出有效的解决方案，并确立绝缘涂层键合铜线以及SSB 互联键合的焊盘尺寸和允许线径的匹配要求。

通过应用工艺控制方法,可以解决和控制 SSB 互联工艺的技术难点。随着集成电路封装中绝缘涂层键合铜线工艺的快速发展,通过对设备、工艺、材料等各环节的优化和控制,绝缘涂层键合铜线 SSB 互联工艺将会得到更好的发展。

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