高端集成电路封装中铜丝热压超声波键合工艺和机理研究

摘要

铜丝与金丝相比，不仅具有较好的机械性能和电性能，而且还有金丝无法相比的价格优势，因此近些年来，铜丝开始逐渐地被用于半导体分离器件的键合封装。但是，对于高端集成电路芯片的铜丝热压超声波键合，由于铜球本身的较高硬度会导致焊盘上更多的铝被向外推出，并进而造成焊盘的下衬层损伤。适合于铜丝键合的芯片必须有较厚的铝衬垫层和简单的焊盘下衬层结构，然而这恰好与高端集成电路芯片的设计要求相矛盾。因此，铜丝一直无法用于高端集成电路芯片的热压超声波键合封装。
　　 针对上述问题，本文开发一个新的铜丝键合工艺-带金过渡层的铜丝键合工艺(Copper Ball on Gold Bump)，简称为COG键合工艺。与标准热压超声波键合工艺相比，COG键合工艺在第一焊点会形成铜-金和金-铝两个结合面。COG键合工艺的研发是为了解决高端集成电路芯片封装中铜丝应用的问题。
　　 在本试验研究中，采用正交试验设计和响应曲面试验设计对热压超声波键合工艺参数进行系统的优化，实现稳定、可靠、符合标准和可批量生产的设计要求；采用拉线测试，推球测试和弹坑测试来检测金-铝结合面和铜-金结合面的连接强度和评估参数的可行性；采用电性能测试和超声波分层测试来检测COG键合封装工艺的可行性和封装内在质量；采用扫描电镜和x-射线能谱分仪等现代分析测试手段来研究试验样品的两金属焊合面的微观组织结构和形成机理；采用高温存储试验、温度循环试验和高压试验来评估试验样品的可靠性和研究COG键合结合面的微观组织结构变化规律。
　　 试验研究表明，采用COG键合工艺封装的试验样品在其铜-金和金-铝结合面上具有满足JEDEC和AEC标准的连接强度要求，而且焊盘的下衬层没有出现任何裂纹、变形和弹坑等缺陷。试验样品具有和金线热压超声波键合封装可相比的电测良品率和封装内在品质。经过可靠性试验测试后，试验样品全部通过电性能测试、超声波分层测试和机械性能测试。在金-铝结合面上，键合完成后金铝合金层就已经形成。但是对于铜.金结合面，键合完成后没有明显的铜金合金层形成，经过高温储存试验后，一个极薄的铜金合金层在结合面上出现，但是由于其很薄以至于对连接强度的影响并不显著。全面的试验结果证明COG键合工艺能够解决铜丝无法用于高端集成电路芯片键合封装的难题。