CN103199059A - 纯氮气环境下的铜线键合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纯氮气环境下的铜线键合方法，用于将铜线键合在第一焊点和第二焊点之间，包括步骤一、用高压电火花将铜线一端熔成第一焊球，通过超声键合将第一焊球在纯氮气环境中键合于第一焊点上，完成铜线与第一焊点的键合；步骤二、用高压电火花将所述铜线另一端熔成第二焊球，通过超声键合将第二焊球在纯氮气环境中键合于第二焊点上，完成铜线与第二焊点的键合；铜线两端点分别熔成焊球，使铜线与芯片之间的键合点接触面积大并且极为牢固，避免了楔形键合点接触面积小且必须使用氢气进行还原的弊端；键合在纯氮气环境下进行，杜绝了传统铜线键合在氮氢混合气体条件下进行引起爆鸣声及爆炸现象，使铜线键合工艺更加安全。

Description

纯氮气环境下的铜线键合方法
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。
Figure 81319DEST_PATH_IMAGE001
从上表中可看出，当氢气浓度超过5%后，不管是爆炸还是燃烧，对于生产现场来说都是异常危险的，所以，在使用氢气的环境中，必须配备相应的检测设备来保证氢气达到一定浓度后及时报警，以便采取相应的措施。但这也不能完全消除氢气带来的威胁。要想彻底消除此威胁，就是完全不用氢气，本文阐述的纯氮气环境下的铜线键合就完全不采用氢气，这在安全性上具有了绝对优势，充分保证了人身及贵重设备的安全性，这具有重要的现实意义。
目前已经应用的氢气生产方法很多，实验室制氢普遍采取以下几种方法：金属与酸反应、金属氢化物与水反应、金属与强碱反应、金属与水反应等。而对于工业用氢主要制取方法有甲醇蒸气转化制氢、电解水制氢、烃类氧化重整制氢以及其它含氢物质分解制氢等。由于电解水制氢效率高，纯度高，工艺成熟，设备简单，操作方便，且制氢过程不产生二氧化碳，无污染，所以成为很多公司尤其半导体类公司的首选。但不可否认的一个缺点是耗电大，生产成本高，电费约占整个生产费用的80%。除电解水制氢，以上其它各种传统的制氢方法虽然技术成熟，但大多都对环境有一定的污染，制备过程中会向环境排放二氧化碳，一氧化碳等气体污染物，所以从环境保护及节约能源的角度来说，如果能合理避免，就尽量不使用氢气。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种制作工艺简单、成本低、工作稳定可靠的纯氮气环境下的铜线键合方法。 
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：纯氮气环境下的铜线键合方法，用于将铜线键合在第一焊点和第二焊点之间，包括以下步骤，
步骤一、用高压电火花将铜线一端熔成第一焊球，通过超声键合将所述第一焊球在纯氮气环境中键合于所述第一焊点上，完成所述铜线与所述第一焊点的键合；
步骤二、用高压电火花将所述铜线另一端熔成第二焊球，通过超声键合将所述第二焊球在纯氮气环境中键合于所述第二焊点上，完成所述铜线与所述第二焊点的键合。
作为对上述技术方案的改进，所述第一焊点位于芯片上，所述第二焊点位于引线框架的焊脚区。
作为对上述技术方案的改进，所述第一焊点和所述第二焊点分别位于不同的芯片上。
作为对上述技术方案的改进，所述第一焊点和所述第二焊点位于同一芯片上。
由于采用了上述技术方案，纯氮气环境下的铜线键合方法，用于将铜线键合在第一焊点和第二焊点之间，包括以下步骤，步骤一、用高压电火花将铜线一端熔成第一焊球，通过超声键合将所述第一焊球在纯氮气环境中键合于所述第一焊点上，完成所述铜线与所述第一焊点的键合；步骤二、用高压电火花将所述铜线另一端熔成第二焊球，通过超声键合将所述第二焊球在纯氮气环境中键合于所述第二焊点上，完成所述铜线与所述第二焊点的键合；本发明的有益效果是：铜线两端点分别熔成焊球，使铜线与芯片之间的键合点接触面积大并且极为牢固，避免了楔形键合点接触面积小且必须使用氢气进行还原的弊端；键合在纯氮气环境下进行，杜绝了传统铜线键合在氮氢混合气体条件下进行引起爆鸣声及爆炸现象，使铜线键合工艺更加安全，且在纯氮气环境下进行的键合工艺实现了铜线工艺的高效稳定生产，并且基本接近并达到了金线的高良率标准，既保证了安全性，又节约了能源及生产成本，在国内集成电路封装产业领域具有开创性。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，下列描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
纯氮气环境下的铜线键合方法，用于将铜线键合在第一焊点和第二焊点之间，包括以下步骤：
步骤一、用高压电火花将铜线一端熔成第一焊球，通过超声键合将所述第一焊球在纯氮气环境中键合于所述第一焊点上，完成所述铜线与所述第一焊点的键合；
步骤二、用高压电火花将所述铜线另一端熔成第二焊球，通过超声键合将所述第二焊球在纯氮气环境中键合于所述第二焊点上，完成所述铜线与所述第二焊点的键合。
本实施例中所述第一焊点位于芯片上，所述第二焊点位于引线框架的焊脚区，实现了芯片与引线框架焊接之间的电连接。
当然所述第一焊点和所述第二焊点也可以分别位于不同的芯片上，实现两个芯片之间的电连接；或所述第一焊点和所述第二焊点设置于同一芯片上，进行芯片之间电子器件的电连接，因此该键合方法使用范围较广。
超声键合方法为本技术领域内普通技术人员所熟知的内容，在超声键合过程中会用到劈刀，由于铜线较金线硬度较高，因此在键合时选用表面比较粗糙的劈刀。且在本发明中超声键合所使用的设备可以采用采用国际先进的引线键合机，型号分别为Kulicke & Soffa公司生产的Connx和ASM生产的IHAWK Xtreme。
通过本发明在纯氮气环境下烧出的铜球形状及光亮度方面，都接近氮氢混合气保护下烧出的铜球，加之采用了先进的引线键合机，键合后的效果已经接近并达到了金线的高良率标准。
    在集成电路封装领域，目前国内的封装公司为维持铜线工艺稳定，基本都采用氮氢混合气作为铜线键合过程中的防氧化保护气体。而本发明中阐述了纯氮气环境下的铜线键合方法，即在仅使用氮气的环境下，实现了铜线键合的高效稳定生产，并且基本接近并达到了金线的高良率标准，既保证了安全性，而且又避免了使用氢气，节约了能源及生产成本，在国内集成电路封装的产业化领域具有开创性。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (4)

1.纯氮气环境下的铜线键合方法，用于将铜线键合在第一焊点和第二焊点之间，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一、用高压电火花将铜线一端熔成第一焊球，通过超声键合将所述第一焊球在纯氮气环境中键合于所述第一焊点上，完成所述铜线与所述第一焊点的键合；
步骤二、用高压电火花将所述铜线另一端熔成第二焊球，通过超声键合将所述第二焊球在纯氮气环境中键合于所述第二焊点上，完成所述铜线与所述第二焊点的键合。
2.如权利要求1所述的纯氮气环境下的铜线键合方法，其特征在于：所述第一焊点位于芯片上，所述第二焊点位于引线框架的焊脚区。
3.如权利要求1所述的纯氮气环境下的铜线键合方法，其特征在于：所述第一焊点和所述第二焊点分别位于不同的芯片上。
4.如权利要求1所述的纯氮气环境下的铜线键合方法，其特征在于：所述第一焊点和所述第二焊点位于同一芯片上。
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