粗铜丝引线键合的实现方法技术

本发明专利技术涉及粗铜丝引线键合的实现方法，该方法包括：铜球结晶时保护、劈刀的设计优化、芯片铝层厚度检测、关键工艺参数的优化匹配。铜球结晶时保护采用高纯度，含氧量小于１ｐｐｍ的Ｎ↓［２］Ｈ↓［２］保护气体；劈刀的形状设计成外角度改小、内角度改大，这样可以产生较强的尾焊，避免粗铜丝引线键合作业时断丝。采用８５％的磷酸溶液检测芯片铝层厚度，确保粗铜丝引线键合时铝层厚度满足大于４ｕｍ的要求，避免作业过程中出现弹坑；工艺参数上选择使用初始压力，避免弹坑的产生。本发明专利技术既能明显降低成本又能提高产品的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体封装
，尤其是涉及半导体封装中使用的粗铜丝引线 键合的实现方法。
技术介绍
金丝引线键合是电子工业中应用最广泛的引线键合技术，但随着高密度封装的发展, 铜丝引线键合日益引起人们的关注.，铜丝引线键合具有很多优势(l)价格优势引线 键合中使用的各种规格的铜丝，其成本只有金丝的1/10。 (2)电学性能和热学性能铜的电导率为大，同时铜的热 导率也高于金，因此在直径相同的条件下铜丝可以承载更大电流，使得铜引线不仅用于 功率器件中，也应用于更小直径引线以适应高密度集成电路封装；(3)机械性能铜引 线相对金引线的高刚度使得其更适合细小引线键合；(4)焊点金属间化合物对于金引 线键合到铝金属化焊盘，对界面组织的显微结构及界面氧化过程研究较多，其中最让人 们关心的是"紫斑"(AuA12)禾口"白斑"(Au2Al)问题，并且因Au和Al两种元素的扩 散速率不同，导致界面处形成柯肯德尔孔洞以及裂纹。降低了焊点力学性能和电学性能， 对于铜引线键合到铝金属化焊盘，研究的相对较少，Hyoimg—JoonKim等人认为在同等 条件下，Cu/Al界面的金属间化合物生长速度比Au/Al界面的慢10倍，因此，铜丝引线 键合的可靠性要高于金丝引线键合。铜丝引线键合技术是目前国际上正在进行丌发研究的一种用于微电子器件芯片与 内引线连接的新技术。目前细铜丝引线键合(铜丝直径cj)0.8mil ct)2.0mil)已经逐步开 始推广，但粗铜丝球焊因存在诸多的技术难点,目前还未应用。如果粗铜丝引线键合能够 推广使用，降低成本的优势更加明显，铜丝引线键合技术在半导体器件封装上的普及面 将更广。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种粗铜丝引线键合 的实现方法，以降低成本，减缓脆性金属化合物的形成，提高键合强度。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为粗铜丝引线键合主要的技术关键点在于铜球结晶时保护、劈刀的设计优化、芯片铝层厚度检测、关键工艺参数的优化匹 配。铜球结晶时保护。粗铜线引线键合过程中，使用N2H2混合保护气体。设计一种装置，固定在焊接设 备上，调节好位置，将N2H2混合保护气体接上，并调整好H2N2混合保护气体的流量， N2H2混合保护气体的流量决定了铜球的冷却速度，冷却速度是铜球硬度的决定性指标， 冷却速度越快，则球的硬度越大，在压焊时,芯片所受的力就越大，极易压伤芯片铝层下 的硅，造成芯片上的第一焊点被拉起。提供合适含H2比例的高纯度N2H2混合保护气体、调整好气体装置的位置，调整 好N2H2混合保护气体的流量以防止铜球的氧化。使用时，要求保护气体纯度含氧量小 于1PPM;露点小于-40'C; 112比例5%~10%，流量0.51/min;氧化按直观的验证方法粗铜线引线键合工艺N2H2保护就是保护铜球，但实际 操作过程中，如果N2H2气体只保护球，实际上铜球表面极易产生氧化层，其产生机理 是在常温和高温下，主要是化学性质活泼的氧分子与铜球表面的铜产生化学反应，此 种反应速度较慢。主要的氧化产生于氧离子与铜的接触，在打火的过程中，打火杆与 铜线间进行放电，产生的火花，是对空气中的氮气与氧气离子化的结果，而氧离子的化 学活动性较氧分子活泼得多，为防止铜球的氧化，其关键点是防止氧分子被离子化，所 以要求保护混合气体对打火路线保护好，在高压打火时，被离子化的是氢分子，这样就 可保证铜球表面产生的少量氧化层被还原。劈刀的设计优化因粗铜丝硬度大，延展性小在生产线的作业过程中，易断丝，无法连续作业。设计 特殊规格的劈刀，使之保证生产线顺利作业。有三个方法 一是对现有劈刀的角度进行 修正，，将劈刀的外角度改小，或内角度改大，在脚位上焊接时，不会将铜线切断；另 一种方法是将劈刀嘴的结构进行变更，劈刀嘴结构中，有几个重要之处，阳角、阴角的 大小确定，劈刀头锥度的选择，劈刀材料的选择以及表面光洁度的选择。对劈刀的结构 进一步优化，通过调整劈刀的外角，克服了框架上焊线无尾丝问题，现将劈刀内角微结 构的样式调整，使铜球受力更均匀；第三种方法是劈刀加工过程中，劈刀边锋部倒圆角。 都可以纠正此缺陷，确保脚位上的拉力足够。本专利技术在粗铜丝引线键合作业时采用如下规格的劈刀H:孔径是102um 175um、 CD:倒角直径是152um 215um、 CA:内倒角孔角是 120° ~150° 、 T:头部直径是356um 465um、 FA:端面角是4。； 芯片铝层厚度的检测。弹坑压焊时输出能量过大，使芯片压焊区铝垫受损而留下小洞。具体实验方法如 下将压焊后的芯片在不加热的王水中腐蚀24小时，然后在高倍显微镜下观察，会发现芯片压焊区有针孔大的小洞，颜色呈彩色。失铝压焊时输出能量过大，使芯片压焊区铝垫撕裂。将压焊后的芯片在不加热的 王水中腐蚀24小时，然后在高倍显微镜下观察，会发现芯片压焊区有铝层脱落现象， 颜色呈黑色。制造大圆片时，因为蒸铝工艺上的问题或处于成本的考虑会导致一批大圆片出现压 焊区铝层结合不致密或太薄。当压悍时劈刀在铝垫上振荡就比较容易将铝垫撕裂(产生 失铝)或留下空洞(产生弹坑)，导致产品失效。实验得出铝层厚度大于4um的芯片，才可用粗铜线引线键合。芯片本身铝层厚度是否达到粗铜线工艺标准。各芯片厂家铝层的成份不同、结构上 也存在差异性，根据其蒸镀的速度不同，铝层的致密性及铝层厚度也会发生较大变化。 铝层致密性及厚度的测量设备价格较贵， 一般的封装厂都没有这种检测设备，为此，通过一套铝层厚度检测方法，将芯片放置在纯度大于85%的磷酸溶液，根据铝层的溶解 时间与标准样本的比较，计算出铝层的厚度。 关键工艺参数的优化铜球硬度这是一个较为复杂的问题，与许多因素相关，现将相关量全部列出来 铜线材质、打火温度、电流、球的大小、球的冷却速度、冷却气体的混合比例等，铜球 硬度是根据以上多种因素相互作用的结果，工厂所用芯片的镀层原来是为金丝引线键合(细铜丝引线键合)而设计的。粗铜球比 金球要硬，所以在粗铜丝引线键合的时候会遇到类似于弹坑等现象。这个是因为粗铜球 焊接的功率和压力比金球要大，而芯片的镀层相对又比较薄。根据这个情况，在进行粗 铜线引线键合的时候，可以适当提高温度和时间，像功率和压力此类参数不宜增加太大。解决这个问题有一个原则，就是先调整参数使内焊点打不粘，然后逐步增加功率， 压力以及压焊时间，直到金球剪切力达到工艺要求为止。不要过分追求过大的剪切力，而追求金球剪切力的CPK值。在实际批量生产过程中遇到压焊区铝垫面积大小不等的各类芯片，压焊区面积大小不同，则解决弹坑与失铝的办法也不尽相同。铝层厚度4.5um，粗铜丝d)3mil 5mil，优化后的工艺参数打火电流250mA 360mA 、打火时间800us 1800us、打火尾丝100mil~120 mil 初始功率20/80DAC 50/150DAC、初始压力350/400克~900/800克、初始时间2/2 ms、焊接功率65/150~90/200 DAC、 焊接压力80/200克~250/600克、焊接时间 10/15 ms~l0/20 ms;本专利技术即按照优化后的工艺参数，进行芯片与粗铜丝引线键合的操作。与现有技术相比，本专利技术的优点在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种粗铜丝引线键合的实现方法，其特征在于包括下列操作条件：　（１）铜球结晶时保护　在粗铜丝引线键合过程中，采用Ｎ２、Ｈ２混合保护气体：在焊接设备上固定有一保护气体装置，先调节好该装置相对劈刀、打火杆的位置后，接上Ｎ２、Ｈ２混合保护气体，并调整好Ｎ２、Ｈ２混合气体的流量，其中混合保护气体纯度含氧量小于１ＰＰＭ；露点小于－４０℃；Ｈ２比例５％～１０％，流量０．５ｌ／ｍｉｎ；　（２）劈刀的选取　在粗铜丝引线键合作业时采用如下规格的劈刀：　Ｈ：孔径是１０２ｕｍ～１７５ｕｍ、ＣＤ：倒角直径是１５２ｕｍ～２１５ｕｍ、ＣＡ：内倒角孔角是１２０°～１５０°、Ｔ：头部直径是３５６ｕｍ～４６５ｕｍ、ＦＡ：端面角是４°；　（３）芯片表面铝层厚度检测　将芯片放置在纯度大于８５％的磷酸溶液中，根据铝层的溶解时间与标准样本的比较，计算出铝层的厚度；检测出来的芯片表面铝层厚度大于４ｕｍ时，才可用粗铜线引线键合；　（４）关键工艺参数的优化匹配　铝层厚度４．５ｕｍ，粗铜丝φ３ｍｉｌ～５ｍｉｌ，优化后的工艺参数：　打火电流：２５０ｍＡ～３６０ｍＡ、打火时间：８００ｕｓ～１８００ｕｓ、打火尾丝：１００ｍｉｌ～１２０ｍｉｌ初始功率：２０／８０ＤＡＣ～５０／１５０ＤＡＣ、初始压力：３５０／４００克～９００／８００克、初始时间：２／２ｍｓ、焊接功率：６５／１５０～９０／２００ＤＡＣ、焊接压力：８０／２００克～２５０／６００克、焊接时间：１０／１５ｍｓ～１０／２０ｍｓ；　按照优化后的工艺参数，打着打火杆，进行芯片与粗铜丝引线键合的操作。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周理明，劳行雁，
申请(专利权)人：宁波明昕微电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：97[中国|宁波]