铜线键合技术及设备的研究与应用分析

孟 丹

（辽宁华盛润瀛科技有限公司，辽宁 沈阳 110000）

近年来，由于封装技术的不断更新，使得封装产品在质量上的要求也逐步升高。在常规的芯片封装当中，键合引线往往采用的都为金线，金线具有较高的可靠性与导电性，因此始终没有其他的材料能够将其彻底替代，同时在半导体式的分立器件里的引线键合当中一直发挥着极其重要的作用，而且其键合工艺也是非常成熟的。此外，因金线的价格越来越高，使封装的成本也始终无法降低，此问题在业界一直被广泛的关注；基于这种情况，有些公司便纷纷开始投入到了对铜线技术的开发和研究当中，而使用铜线作为键合引线替代金线能够在很大程度上降低封装的成本费用，并在市场竞争力逐步提升的电子信息产业当中占据有利的地位。

1 铜线键合技术的研究与应用

1.1 铜线键合的失效模式

尽管铜线键合技术占据着诸多的优势，但在焊接铜线时也存在不足之处，在引线焊接的工艺当中，铜线的焊接能力并不是十分的理想。因铜材料具有较强的硬度，使得键合垫弹坑与键合垫开裂的失效模式常常会产生。而因为受到此破坏作用的影响，使键合垫下面的铝金属层逐渐变薄，引发热老化的失效问题；与此同时，因铜材料的非常容易氧化，使得铜铝接触层极易发生开裂现象，导致铜铝焊接不具备较高的强度；此外，因铜具有较高的熔点，在焊接的时候时必须要有足够的能量与焊接力，以便于得到真空球，这样也使硅弹坑更容易形成。在铜线键合技术当中，还伴随着诸多的失效模式以及废品的形成，包括在应用中产生的焊点不粘、线尾焊球、焊点提拉、引线短路、引线断裂、高尔夫球键合以及焊盘/焊球短路粉碎性键合等。

1.2 铜线键合的自由空气球参数

铜线键合所产生的失效模式，尤其是弹坑的产生大大的提高了生产工艺的控制难度，因此，就必须要采取有效的措施改进并控制相应的参数，尽量避免失效问题的出现。在经过了详细的分析后得知，要想让铜线键合技术取得成功，首先就必须要得到完美的自由空气球，主要是由于已经氧化的铜球无论使用多大的焊接力与超声能量，都不会形成键合。而应用K&S8028 PPS机型的铜线键合技术，通过对产生的铜球的相关参数的研究和设备的调试就能够对焊接球的最终结果加以后效的控制。

1.3 铜线键合工艺的焊接参数研究

一般情况下，和金线键合技术相比，铜线键合技术会使金属衬垫以及下层结构受到更大的应力，所以一定要使用一些非常规的方法尽量降低其造成的影响。对此应重新设计相关的衬垫镀层金属，提高其坚硬度，使其能够承受应更大的压力。有研究人员曾做过相关的测试，最终结果表明，当衬垫的硬度达到了某个临界值的时候，就能够解决下层结构发生断裂的问题；但是，在加大衬垫的硬度前，要重新评测晶片的相关制造工艺，这也就使得前期工艺的研究成本大大的增加了。倘若不能采用提升衬垫硬度的办法，那么就要有效设置和调整生产的工艺，为得到最佳工艺参数，一定要充分掌握每一个会对焊接的质量构成影响的因素。

2 铜线键合技术设备的研究与应用

（1）金线设备升级为铜线。铜线所具备的性能比较特殊，在键合的过程当中比金线更易出现失效现象，铜具有较强的金属活性，在进行高压烧球的时候非常容易被氧化[1-3]。而倘若焊球发生了氧化，那么铜球也就不能与焊盘充分键合，由此发生焊点不粘以及缺乏剪切力等失效现象，因此，必须要对其进行有效的防氧化处理。比较常见的方法就是在高温烧球的过程中，加入定量的氮氢混合气体，以此对烧球加以保护，在铜线的线径或者生产出的产品存在差别的时候，就要对流速、保护的气流量以及相关的参数在此加以调整。

（2）金线设备转向铜线的升级和改造。其一，气体管路的铺设。对于任何型号的键合设备而言，要想升级其铜线工艺，就必须要先做好混合气体的接入工作[4]。因此，相关厂务部门一定要将混合气体的管路铺设好，同时还要确保安全性。其二，安装设备里面的混合气体管路。在安装管路的过程中，要按照具体的需求，配置气体开关、过滤器以及流量计等相关的器件。而所选取的流量计的刻度应在0到1.0L/M范围内。其三，安装打火系统的相应工具包。不同的工具包往往会在不同型号的设备上起到不一样的作用，但当中一定要安装带有打火杆的气体保护系统。其四，对高电流的打火箱进行升级。其也是与设备的类型存在关系，比如在对ASM公司所生产的某种型号的键合设备进行升级时，要将打火箱和相关的附属设备进行更换；还有些键合设备在升级的时候只要把挡位调至高电流就可以了。但所要达到的目都是为让打火系统能够产生出较高的电流。其五，将线夹换掉。更换线夹的操作并不复杂，其与更换普通线夹的方法大同小异，唯一不一样的就是有些设备在更换了线夹之后要进行校正，同时要对校正的最终结果进行严格的审查。

3 结语

从生产的角度来讲，因黄金的价格不断升高，使得铜线键合技术慢慢替代了金线键合技术，并在封装行业但中得到了大力的推广和使用；实际上，采用铜线键合技术不仅能够大大的节省成本，同时还能有效提升机械运作的性能以及导热和导电方面的性能。虽然是这样，因铜线比较容易氧化，也就使得在焊接的过程当中一定用相应的气体作为保护，这样也对焊接工艺的稳定性构成一定的影响，导致虚焊与焊点脱落等失效问题的产生；与此同时，铜线的硬度也使得工艺上一定要调整焊接的相关参数，以此增强其可靠性，但同时也存在失效的问题，因此，在今后的生产中，还要对铜线键合技术加以进一步的研究。