半导体封装用键合铜丝技术

张 弓

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215009）

0 引言

键合铜丝作为目前替代传统键合丝的最佳材料，其特点主要有以下6个：1）成本低；2）较高的伸长率和破断力；3）良好的电学性能；4）优异的热学性能；5）较低的金属间化合物（IMC）生长速度；6）良好的机械性能。因此受到了国内外众多科研人员的青睐[1-2]。

铜丝最大的问题在于易氧化，这会影响半导体封装内的打线强度和导电度，进而降低产品的合格率和耐用度；另一方面，易氧化的特性使其不易保存，一旦氧化则无法继续使用，造成材料的浪费。此外，随着键合铜丝的纯度变高，重结晶温度将会降低，随着存放时间的延长其破断力会下降，延伸率会增加，性能改变，而且在球焊时靠近铜球上端的晶粒易粗大，造成焊弧形状稳定性不好。

就键合铜丝领域而言，其技术改进主要体现在微量添加元素和涂层2个方面，其发展路线也主要包括了这2个方面的发展。考虑到各个结构中不同方面的特征，可以对上述结构分类进行进一步细分，具体参见图1。

图1 键合铜丝的技术分解示意图

1 微量添加元素

1.1 碱金属元素

碱金属元素有利于杂质元素形成氧化物、硫化物、硒化物、碲化物而除去O、S、Se、Te等杂质元素，同时还可作为合金元素加入，有利于提高焊球颈部的断裂强度，减小细线断裂概率。专利文献CN104278169A公开了一种耐腐蚀键合铜丝及其制备方法，该键合铜丝具有良好的耐腐蚀性（抗氧化性）和缩短热影响区长度，热影响区长度较普通键合铜丝降低了22%，能够满足高密度、多层封装及LED封装的要求，可以广泛应用于多引脚、高密度的集成电路封装，该键合铜丝各成分重量百分含量为Li0.008wt%～1.0wt%，Ce0.3wt%～0.5wt%，Cu余量。

1.2 碱土金属元素

碱土金属元素中应用较多的主要为Be、Mg、Ca和Sr。其中，Be可做铜的有效脱氧剂，但其价格昂贵且不易加入；Mg是铜的强脱氧剂，适量的Mg可以避免铜合金中残存CuO和Cu2O夹杂，还可提高铜合金的抗高温氧化性；微量的Ca能同时调节键合丝力学性能、封装性能、表面抗氧化性能和高温塑性；微量的Sr作为晶界活性元素，优先聚集于晶界，提高晶界的完整性和表面的致密性，增强抗氧原子侵入内部的能力，同时提高键合铜丝熔球时的稳定性。宁波康强微电子技术有限公司在专利文献CN1949492A中披露了一种键合铜丝及其制备方法，该键合铜丝材料配方重量百分比：钙0.0005wt%～0.001wt%，铈或钛0.0003wt%～0.0007wt%，余量为铜，其含量≥99.996wt%，该键合铜丝价格低廉，具有较好的机械性能和抗氧化性能，保证了流畅的封装键合过程，其中在纯铜丝中掺入微量的Ca，能够提高键合铜丝的断裂载荷，并适当降低铜丝的弧高，搭配微量的Ce或Ti，还可提高铜丝的抗氧化性和可焊接性。专利文献CN104593635A公开了一种适用于大规模集成电路和半导体器件等电子封装用的键合铜丝，该键合铜丝成分满足如下条件：0.0005wt%～0.02wt%，镁、0.0005wt%～0.01wt%锶，且0.0015wt%≤Mg+Sr≤0.025wt%；通过加入Mg和Sr，提高了铜丝的抗高温氧化性，并提高了铜丝熔球时的稳定性。

1.3 过渡元素

微量的Ru可以提高铜丝的抗腐蚀、抗氧化能力；微量的Nb可以提高铜丝的抗氧化性和焊接性；微量的Zr具有细化晶粒的作用，减弱易熔杂质的有害影响，改善铜的高温塑性，显著提高铜合金的再结晶温度；微量的Mn可提高铜的软化温度，改善铜的力学性能与工艺性能，同时起到固溶强化的作用；微量的Ti可以起到细化晶粒、降低Cu线硬度的作用，所得铜丝的键合性能稳定，且键合效率与金线相当；微量的Fe能够细化晶粒，延长铜的再结晶过程，提高冷加工塑性；当在富铜合金中使用Rh时，可以限制S和O在铜基体中的移动，即使当熔融球变形时，如果含有一定量的Rh，由于S的表面偏析而触发的加工硬化也不会发生，从而抑制铝飞溅，Rh也可限制铜的氧化并减薄键合线表面上的氧化铜膜，加强键合线的二次接合的效果；微量的Y可以调节铜合金的力学性能和封装性能，并改善键合铜丝的抗氧化性；向铜丝中添加微量的Zn可以在保证铜丝强度和电导率不下降的同时抑制铜的氧化；微量的Cd可提高铜丝再结晶温度，减少颈部断裂的产生；贵金属元素的加入有利于改善球结合形状，提高结合强度，另外还能抑制球表面的氧化。专利文献CN105177345A在铜键合丝中添加10wt.ppm～50wt.ppm的Ru、10wt.ppm～50wt.ppm的Nb、10wt.ppm～50wt.ppm的Zr、10wt.ppm～50wt.ppm的Mn、10wt.ppm～50wt.ppm的Mg、10wt.ppm～50wt.ppm的Li、10wt.ppm～30wt.ppm的Dy，制得的铜合金键合丝具有可靠性高、硬度低、导电导热性能良好等优点。贺利氏材料科技公司在多篇专利中（CN103137235A、CN103137236A、CN103137237A和CN103137238A）均提及在铜丝中添加Ag、Ni、Pd、Au、Pt和Cr的群组中的一者或多者作为耐腐蚀性掺杂材料，并将耐腐蚀性掺杂材料的浓度设置在一定范围内，使键合铜丝具有高可靠性，同时降低其他性质的受损程度。日本专利文献JP6199645A公开了在铜丝中添加微量的Ti、Cr、Mn、Fe、Ni和Co，由此改善了铜丝的耐热性，防止晶体粗大化和晶粒破损，并提高了铜丝的耐腐蚀性。

1.4 稀土元素

微量的稀土元素能够细化晶粒，提高抗氧化性与可焊性；添加一定量的稀土元素，能防止硅片破损，而且能提升铜丝的形弧特性，抑制球颈部晶粒长大；专利文献CN105463237A在铜键合丝中添加含量≤15ppm的稀土元素和含量为0.1wt%～5wt%的银，由此制得的键合丝强度高，导电、导热性能好，硬度低，抗氧化性好，且具有更好的拉丝加工性能。专利文献CN101487090A公开了一种铜键合丝及其制备方法，该铜键合丝材料中各成分重量百分比如下。La为0.0008wt%～0.002wt%，Ce为0.001wt%～0.003wt%，Ca为0.002wt%～0.004wt%，Cu为99.99%～99.995%。该发明的铜键合丝具有低弧度、低硬度和良好抗氧化性的特点，避免了铜键合丝在常温下的氧化，使铜丝在常温下可以长期保存，能够适应电子封装高性能、多功能、小型化、便携式发展的需求。

1.5 其他

微量的B具有细化晶粒和脱O的作用；微量In的加入可以改善铜丝散热性能，增强铜丝断裂性能，并改善键合特性；微量的P可以提高熔体的流动性，改善铜及合金的焊接性能，耐腐蚀性能，同时可提高再结晶温度，降低初始球硬度；Sb和Bi的添加能提高铜丝的再结晶温度，减少颈部断裂的发生。田中电子工业株式会社在专利文献JP4482605B1中披露了一种高纯度铜合金键合丝，通过向高纯铜中添加微量的P，制得的键合丝具有高的再结晶温度和小的初始球的硬度。此外，日本专利申请JPH6168975A公开了在铜丝中添加微量的In、B、Bi、Ge和Si中的一种或多种，可以使再结晶温度上升，延迟错位回复和再结晶过程中的晶界移动，防止铜接合线的晶界破裂，减少对半导体芯片的损坏。

微合金化元素含量控制在合适范围内，使各微合金化元素都能够充分发挥作用（含量过少则不能充分发挥元素的作用），并可防止微合金化元素之间生成金属间化合物,无法发挥元素自身的作用（含量过多易造成不同微合金化元素之间生成金属间化合物，无法发挥元素自身的作用，且会增加铜合金的电阻率）；多元微合金化元素之间具有协同效应，可以发挥比单一元素更好的效果，这是实现高可靠性的先决条件。

2 涂层

2.1 金属涂层

采用金属涂层的键合铜丝可以有效提升键合铜丝的抗氧化性，确保外观良好的金属光泽，增加键合性能，并且大大延长键合铜丝产品拆封后的保质期。目前，金属涂层中研究较多的主要为贵金属涂层（Au、Ag、Pt、Pd）和抗腐蚀性能强的金属涂层（Ni、Co、Cr、Ti）；专利文献CN1575512A在键合线表面设置抗氧化金属，如贵金属，与铜键合线相比，很少出现由于氧化引起的缺陷。三菱电机株式会社在专利文献JP2014232762A中披露了一种廉价且在200℃的高温存储试验中具有足够可靠性的键合线，该键合线是具有芯材和覆盖芯材的表面的涂层的键合线，其中，芯材以铜为主要成分，涂层材料是镍。此外，日月光半导体制造股份有限公司在公开号为CN103943584A的专利申请中提出在铜丝的表面依次形成扩散层和金属层，其中金属层的金属原子向内扩散与铜芯的金属原子混合而形成所述扩散层，该发明的键合铜丝具有较佳的塑性变形特性，而有效改善键合铜丝打线后的结合强度。

其中，钯在高温、高湿或硫化物含量高的空气中性能稳定，能耐酸的侵蚀，同时钯具有良好的延展塑性，能承受弯曲和摩擦，可长期保持良好的外部光泽，并且钯的成本比金便宜，镀钯键合铜丝在市场上已得到了广泛的应用；韩国专利申请KR10-1251011B1公开了一种具有钯涂层的键合铜丝，该键合铜丝包括铜芯和不可避免的杂质以及设置于所述铜芯表面的钯涂层，其中钯涂层的摩尔分数为0.7%～1.4%，制得的键合铜丝具有优异的氧化稳定性、无空气球的形态稳定性和优异的键合性能。然而，镀钯键合铜丝也存在很多不足之处，如焊接成球性一般、与纯铜丝基体表面结合强度不高、拉拔断线以及在镀敷工艺中铜易溶解在钯镀液中等，因此，针对上述问题的解决方案也在不断改进中。

2.2 绝缘涂层

相对于金属涂层而言，尤其是贵金属涂层，绝缘涂层具有成本较低、种类繁多且可以增加封装密度等优势。专利文献CN104835798A披露了一种抗氧化键合铜丝及其制备方法，该铜丝表面涂覆了厚度为5nm～60nm的有机物层，制作的抗氧化键合铜丝具有较好的低长弧度，可以有效防止键合铜丝的氧化，使制备出的键合铜丝在储存和运输中保证不发生氧化，并且该覆层材料可以耐受200℃以上的高温；专利文献CN205194691U公开了在铜键合丝表面涂覆绝缘层的材料，该绝缘层含有聚合物材料，在高温下可以分解且不损伤键合丝，有效解决了金属线之间的短路问题，进而提高了封装密度及封装成品率。日立金属株式会社在专利申请CN103871537A中提出了一种键合铜丝，所述键合铜丝具备以铜为主成分的芯材和形成于芯材表面的表面处理层，所述表面处理层具有含有与氧的亲和性比铜高的金属和氧的非晶质层，所述键合铜丝可抑制接合线保管时在接合线表面生成氧化膜，可提高接合时的连接可靠性。

绝缘涂层需要满足的一个基本条件是耐受温度高，从而防止键合时被加热温度所分解；然而，研究表明大部分绝缘涂层虽然在键合时不会被加热温度所分解，但可以被碳化，特别是在涂层键合丝的端部熔化和形成为金属球的情况下，温度会干扰键合丝的输送和金属球与电子端子之间的键合，且为了以高可靠度键合涂层和引线，需要借助放射处理热去除在引线一边上的涂层线键合部分上的绝缘层，由于碳化物质保留在键合丝的表面，因此不可能安全地进行键合；此外，绝缘涂层也存在易发生剥离，结合性差等问题；因此，为了克服上述问题，改进绝缘涂层的材质，成为绝缘涂层的主要发展方向。

2.3 复合涂层

近年来，为了兼顾不同材质的特性以改善键合铜丝的综合性能，越来越多的人将目光投向了复合涂层。复合涂层包括不同材质的绝缘涂层之间的复合、不同材质的金属涂层之间的复合以及绝缘涂层与金属涂层之间的复合。日本专利文献JPH5267380A提到，在铜丝的表面依次设置具有耐磨性和绝缘性的第一树脂层和具有耐热性和绝缘性的第二树脂层，其中第一树脂层由聚氨酯，聚酯酰亚胺和聚酰亚胺中的至少一种制成，第二树脂层由芳族聚酯树脂和芳族聚碳酸酯树脂中的至少一种制成，制得的键合丝具有优异的热稳定性、接合能力和耐磨性；公开号为JP2012204805A的专利申请记载了在铜丝表面进一步形成钯金属层和有机涂层，其中有机涂层的最外层中的碳浓度大于50at%，并且碳浓度超过20at%的区域的深度为0.2nm～2.0nm，并且硫的总浓度为1at%～5at%，由此得到键合性能较高和存储寿命较长的键合铜丝；专利文献CN203192789U中的键合铜丝包括铜芯材、一非金属包覆层及金属表皮层，该非金属包覆层为高分子包覆层，该金属表皮层为钯表皮层，其中非金属包覆层以及金属表皮层用以阻绝铜芯材与存放环境的接触以防止其氧化，如此，经由非金属包覆层与金属表皮层的双重保护，有效地提升了半导体用键合铜丝的保存时间，并节省损耗成本，提高工艺良率。韩国专利申请KR20140112602A披露了一种键合铜丝，该键合铜丝包括铜芯以及第一金属层和第二金属层的复合涂层，其中，第一金属层由铝、铝合金、锡、锡合金、锌和锌合金中的任何一种制成，第二金属层由金、银、铂、钯、镍、钴、铬和钛中的至少一种组成，由此能够改善键合铜丝的抗氧化性和键合可靠性。

不同复合涂层所取得的效果也不尽相同，且涂层之间的复合顺序、是否形成扩散层等因素对于键合铜丝的性能也具有较大的影响，因此，对于复合涂层的研究正呈现出多样化的特点。目前，对于复合涂层中不同材质的涂层的作用机理已经取得一定成果，但更深层次的理论依据还严重欠缺，需要继续进行深入研究；另外，寻找不同材质的涂层的最佳组合以发挥其最佳复合作用效果，从而使键合铜丝产品具有优良的综合使用性能仍是今后键合铜丝开发应用的首要任务。

3 结语

尽管铜作为键合丝还存在一定的不足之处，但是其性能的优势使人们一直热衷于研究这种键合丝，随着高级集成电路芯片封装技术的发展以及先进键合工艺技术的不断改进和完善，铜丝在键合过程中易氧化等键合问题将逐渐得到解决，从而提高键合铜丝的使用可靠性。