高端集成電路封裝中銅絲熱壓超聲波鍵合工藝和機(jī)理研究.pdf

1、銅絲與金絲相比，不僅具有較好的機(jī)械性能和電性能，而且還有金絲無法相比的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，因此近些年來，銅絲開始逐漸地被用于半導(dǎo)體分離器件的鍵合封裝。但是，對(duì)于高端集成電路芯片的銅絲熱壓超聲波鍵合，由于銅球本身的較高硬度會(huì)導(dǎo)致焊盤上更多的鋁被向外推出，并進(jìn)而造成焊盤的下襯層損傷。適合于銅絲鍵合的芯片必須有較厚的鋁襯墊層和簡(jiǎn)單的焊盤下襯層結(jié)構(gòu)，然而這恰好與高端集成電路芯片的設(shè)計(jì)要求相矛盾。因此，銅絲一直無法用于高端集成電路芯片的熱壓超聲波鍵合封裝。

2、
　　 針對(duì)上述問題，本文開發(fā)一個(gè)新的銅絲鍵合工藝-帶金過渡層的銅絲鍵合工藝(Copper Ball on Gold Bump)，簡(jiǎn)稱為COG鍵合工藝。與標(biāo)準(zhǔn)熱壓超聲波鍵合工藝相比，COG鍵合工藝在第一焊點(diǎn)會(huì)形成銅-金和金-鋁兩個(gè)結(jié)合面。COG鍵合工藝的研發(fā)是為了解決高端集成電路芯片封裝中銅絲應(yīng)用的問題。
　　 在本試驗(yàn)研究中，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)熱壓超聲波鍵合工藝參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠、符合

3、標(biāo)準(zhǔn)和可批量生產(chǎn)的設(shè)計(jì)要求；采用拉線測(cè)試，推球測(cè)試和彈坑測(cè)試來檢測(cè)金-鋁結(jié)合面和銅-金結(jié)合面的連接強(qiáng)度和評(píng)估參數(shù)的可行性；采用電性能測(cè)試和超聲波分層測(cè)試來檢測(cè)COG鍵合封裝工藝的可行性和封裝內(nèi)在質(zhì)量；采用掃描電鏡和x-射線能譜分儀等現(xiàn)代分析測(cè)試手段來研究試驗(yàn)樣品的兩金屬焊合面的微觀組織結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理；采用高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)和高壓試驗(yàn)來評(píng)估試驗(yàn)樣品的可靠性和研究COG鍵合結(jié)合面的微觀組織結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。
　　 試驗(yàn)研究表明，

4、采用COG鍵合工藝封裝的試驗(yàn)樣品在其銅-金和金-鋁結(jié)合面上具有滿足JEDEC和AEC標(biāo)準(zhǔn)的連接強(qiáng)度要求，而且焊盤的下襯層沒有出現(xiàn)任何裂紋、變形和彈坑等缺陷。試驗(yàn)樣品具有和金線熱壓超聲波鍵合封裝可相比的電測(cè)良品率和封裝內(nèi)在品質(zhì)。經(jīng)過可靠性試驗(yàn)測(cè)試后，試驗(yàn)樣品全部通過電性能測(cè)試、超聲波分層測(cè)試和機(jī)械性能測(cè)試。在金-鋁結(jié)合面上，鍵合完成后金鋁合金層就已經(jīng)形成。但是對(duì)于銅.金結(jié)合面，鍵合完成后沒有明顯的銅金合金層形成，經(jīng)過高溫儲(chǔ)存試驗(yàn)后，一個(gè)極