[发明专利]纯氮气环境下的铜线键合方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纯氮气环境下的铜线键合方法。

背景技术

通常的引线键合是在集成电路封装过程中，用金属丝在芯片的pad点与引线框架的引脚镀银区之间进行的健合连接。一般按工艺特点可分为超声键合、热压键合和热超声键合。

超声键合是把超声波发生器产生的能量经变幅杆传给劈刀，使劈刀相应振动；同时，在劈刀上施加一定的压力。在这两种合力的共同作用下使金属丝和焊区两个纯净的金属面紧密接触，以达到原子间的“键合”，从而形成牢固的焊接。

热压键合是通过加热和加压的方式来使焊区金属发生塑性形变，同时破坏金属焊区界面上的氧化层，使压焊的金属丝与焊区金属接触面的原子达到原子的引力范围，进而通过原子间的吸引力，达到“键合”的目的。

热超声键合是用高压电火花将金属丝端部熔成球；再在芯片位上加热加压加超声，使接触面产生塑性变形并破坏界面的氧化膜，以使其活性化；接着通过接触使两金属间扩散结合而完成球焊，即形成第一焊点；然后再通过精细而复杂的三维控制将焊头移动至引线框架的焊脚区；同时加热加压加超声进行第二个点的焊接；完成楔焊后便形成了第二焊点，从而完成一根线的焊接；之后再重复以上步骤便可完成其它线的焊接。因为铜线的第二焊点为楔形，铜线与芯片之间的键合点接触面积小，因此在焊接时必须使用90～95%氮气和5～10%氢气的保护加还原的混合气体，避免楔形键合点因氧化而接触不良。

长期以来，由于金线具备良好的导电性能、可塑性和化学稳定性等，在传统半导体分立器件内引线键合中，一直占据着绝对的主导地位，并拥有最成熟的键合工艺。但由于资源有限，金线价格昂贵，所以近年来，除非是有特殊要求的产品，一般的基本都被铜线代替。

另外，采用铜线键合还具有一系列的性能优势：

1. 铜的导电性比金好得多，接近于银。而且铜的金属间扩散率较小，金属间化合物生长较慢，因而金属间渗透层的电阻较小。这决定了它的功率损耗更小，以便于用细线通过更大的电流。

2. 铜的热导率高。它是金的1.3倍，这决定了它本身的温度不容易升高，因而更有利于接触面的热传递，更能适应于高温环境条件。

3. 铜的抗拉强度高。此特性非常有利在塑封模压时保护引线的弧形弧度。

但纯铜线键合具有以下缺点：

1. 铜的延展性不如金好，硬度也比金大，使用焊接金线的劈刀来焊接铜线时，焊球球形不好，焊脚楔形比较小，接触面积不够，因而容易出现焊不粘、脱口或拉力不足等现象。 

2. 铜的化学稳定性不如金，容易氧化。在进行焊接时需要惰性气体保护，这直接增加了焊接的难度，也是铜线工艺中必须要解决的首要问题。

    综上所述，铜线由于其低成本的巨大优势兼之良好的性能特点，已经成为现代集成电路封装工艺中的主要选取线材，但由于铜线易氧化的特点，又给纯铜线封装提出了更为严峻的挑战。目前，国内的芯片焊接封装公司为维持铜线工艺稳定，采用的防氧化保护气体主要是氮氢混合气体。

目前铜键合过程中为防止其氧化所采用的抗氧化的保护气体主要有两种：一种是采用纯度为5个“9”以上的100%氮气作为保护气体；另一种是采用90～95%氮气和5～10%氢气的保护加还原的混合气体。在焊接过程中，氮气防止氧气与铜发生反应，同时适量的氢气作为还原气体用以去掉铜表面的氧化层。目前，由于氮氢混合气在工艺稳定性及键合效果上来说较采用纯氮气要好，大部分生产厂家现工艺趋向使用混合保护气体，但上述方法制得的封装芯片铜线焊接不稳地，使用的安全性、稳定性不高。

而且氢气有易燃易爆性，若氢气不纯，则燃烧时会有较响爆鸣声，极易发生爆炸，爆炸的发生可用爆炸极限来衡量，爆炸极限是指遇火种时会产生爆炸的空气中含有该种气体的体积比范围。一般认为，氢气的爆炸极限是4.0～75.6％（体积浓度），意思是如果氢气在空气中的体积浓度在4.0～75.6％之间时，遇火源就会爆炸，而当氢气浓度小于4.0％或大于75.6％时，即使遇到火源，也不会爆炸。下表列出了当空气中含有氢气，根据所含氢气体积分数的不同，点燃后所发生的现象的实验结果。