高端集成電路封裝中銅絲熱壓超聲波鍵合工藝和機理研究.pdf

1、銅絲與金絲相比，不僅具有較好的機械性能和電性能，而且還有金絲無法相比的價格優(yōu)勢，因此近些年來，銅絲開始逐漸地被用于半導體分離器件的鍵合封裝。但是，對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導致焊盤上更多的鋁被向外推出，并進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單的焊盤下襯層結構，然而這恰好與高端集成電路芯片的設計要求相矛盾。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、
　　 針對上述問題，本文開發(fā)一個新的銅絲鍵合工藝-帶金過渡層的銅絲鍵合工藝(Copper Ball on Gold Bump)，簡稱為COG鍵合工藝。與標準熱壓超聲波鍵合工藝相比，COG鍵合工藝在第一焊點會形成銅-金和金-鋁兩個結合面。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用的問題。
　　 在本試驗研究中，采用正交試驗設計和響應曲面試驗設計對熱壓超聲波鍵合工藝參數(shù)進行系統(tǒng)的優(yōu)化，實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠、符合

3、標準和可批量生產(chǎn)的設計要求；采用拉線測試，推球測試和彈坑測試來檢測金-鋁結合面和銅-金結合面的連接強度和評估參數(shù)的可行性；采用電性能測試和超聲波分層測試來檢測COG鍵合封裝工藝的可行性和封裝內(nèi)在質量；采用掃描電鏡和x-射線能譜分儀等現(xiàn)代分析測試手段來研究試驗樣品的兩金屬焊合面的微觀組織結構和形成機理；采用高溫存儲試驗、溫度循環(huán)試驗和高壓試驗來評估試驗樣品的可靠性和研究COG鍵合結合面的微觀組織結構變化規(guī)律。
　　 試驗研究表明，

4、采用COG鍵合工藝封裝的試驗樣品在其銅-金和金-鋁結合面上具有滿足JEDEC和AEC標準的連接強度要求，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。試驗樣品具有和金線熱壓超聲波鍵合封裝可相比的電測良品率和封裝內(nèi)在品質。經(jīng)過可靠性試驗測試后，試驗樣品全部通過電性能測試、超聲波分層測試和機械性能測試。在金-鋁結合面上，鍵合完成后金鋁合金層就已經(jīng)形成。但是對于銅.金結合面，鍵合完成后沒有明顯的銅金合金層形成，經(jīng)過高溫儲存試驗后，一個極