TW200534417A - Thermosonic wire bonding process for gold wires and copper pads by a gas-passivation device - Google Patents
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Description
200534417 五、發明說明(1) 【發明所屬之技術領域】 本發明一種利用氣體保護裝置實現金線與銅銲墊以熱 音波銲線直接銲著之方法,本發明係利用一種氣體保護裝 置’貫現金線與銅銲塾晶片(chip with copper pads)直 接銲著之熱音波銲線製程(therm〇s〇nic wire bonding process)方法 〇 【先前技術】 隨半導體製程技術之迅速發展與元件不斷小型化,單 位面積之元件密度迅速增加,同時連接元件與元件之内導 線(i n t e r c ο η n e c t )細微化,細微化導線造成較高電阻,而 狹小線寬則提高導線之寄生電容,造成訊號傳輸延遲嚴重 ’在無可避免導線細微化趨勢下,改善訊號延遲最佳辦法 即為選擇低介電常數之介電材料與選用電導性較佳之銅金 屬取代傳統之鋁導線。 姑贫屬勿π衣 確保 銅金屬與铭金屬之氧化機制載然不同和正α 面形成自我鈍化保護層(self-passivation layer」’雉^ 自我鈍化層下之鋁金屬避免氧化,而該鋁金屬氧化層則於 熱音波銲線製程時,以超音波功率將其刮除,達成金線與 ί塾之接銅金屬於大氣下易氧化,且銅金屬之氧
If無ί 屬氧化膜相同功能之自我鈍化作用, K銲=熱音波銲線製程中不斷於銅輝墊表面 3 H H ΐ U僅對熱音波銲線製程影響甚劇,亦 對鋼銲墊之機械性質與電性產生負面影響。
200534417 .五、發明說明(2) #音波銲線製程為目前封裝業界使用最為廣泛之銲線 接合方式’其作用原理含括超音波銲合(ultrasonic bonding)與熱壓銲合(thermal compression bonding)機 理’配合加熱載台之熱能供給金線與銲墊間原子交互擴散 鍵結所需之活化能(activated energy)與超音波功率因金 球與銲墊介面間摩差所產生之接合介面溫升,促使銲墊與 銲線間原子交互擴散(a t 〇 m i c i n t e r - d i f f u s i ο η )鍵結而形 成良好銲點。 故,對熱音波銲線製程而言,相對於熱壓銲線製程, 加熱載台所需溫度較低,可避免對半導體元件之損壞;而 相對於超音波銲線製程,因加熱載台供給部分熱能予原子 間相互擴散所需,故可降低超音波輸入功率,避免球形銲 點產生嚴重變形。一般而言,熱音波銲線之加熱載台溫度 設定範圍約在120 °C至2 2 0 °C之間,加熱載台溫度太低無法 提供銲線與銲墊間原子擴散所需之活化能,而溫度太高則 對半導體元件產生熱損傷。熱音波銲線機之適銲溫度範圍 (1 2 0 °C至2 2 0 °C )對金線難以與銅銲墊晶片直接銲合,因銅 錄蟄表面在此溫度範圍易氧化,且氧化膜成長厚度隨溫度 提高而增加,如第一圖所示。 該銲銅墊氧化膜對熱音波銲線之銲著率(b 〇 n d a b丨丨丨t y )與銲著強度(bonding strength)均產生負面影響,且銅 鲁錄蟄氧化膜在金球與銅銲塾介面間形成金球與銅銲塾鍵結 之障礙層,阻隔金球與銅墊間原子交互擴散。銅銲塾之氧 化膜無法如鋁氧化膜一般,可形成自我保護層
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(self-passivation layer),避务 ’且銅鮮塾氧化膜無法以熱音波I曰纟7層之紹至屬繼續氧化 刮除,故銅銲墊氧化膜造成球形^ 1,之超音波功率將其 上,對金線與銅銲墊之熱音波銲^二乘法成功銲著銅銲墊 瓶頸。 、 合製程形成嚴重技術 研發新技術用於防止或降低翻# ^ 所產生之氧化,克服銅銲墊氧化膜=墊於熱音波銲線製程 金線以熱音波銲線製程直接銲著於二=f,技術瓶頸,使 體封裝業界高銲著率之要求外Ϊ ^制除滿足半導 異性能、大幅提高金線與鋼墊晶片===t =晶片之優 點品質與可靠…實有其必;:之熱…線製程的銲 【發明内 有鑑 發明人有 憑從事該 體保護裝 法,本發 晶片(c h i 程(t h e r m φ一曰 犮疋 裝置實現 防止銅鋅 程晶片之 製程之缺憾 悉心研究克 線直接輝著 現金線與銅 之熱音波銲 )方法。 種利用氣體 銲著之方法 晶片’確保 容】 於習知半導體元件之熱 感其未至臻完善,遂竭 項產業多年之經驗累積 置實現金線與銅銲墊以 明係利用一種氣體保護 p with copper pads) osonic wire bonding ,本發明之主要目的即 金線與銅銲墊以熱音波 塾氧化,金線直接銲著 優異性能。 音波銲線 盡心智, ’進而研發出一種利 熱音波銲 裝置,實 直接銲著 process 在設計一 銲線直接 於銅鮮塾 ,本 服, 用氣 之方 鮮塾 綠^製 保幾 ,可 麵製
第7頁 200534417 ,五、發明說明(4) 再者,本發明之次要目的即在設計一種利用氣體保護 —裝置實現金線與銅銲墊以熱音波銲線直接銲著之方法,藉 由氣體保護裝置可依不同晶片尺寸調整送氣角度,可運用 於各種不同尺寸產品所需,且不影響銲線作業人員以手工 穿線所需之空間。 次之,本發明之再一次要目的即在設計一種利用氣體 保護裝置實現金線與銅銲墊以熱音波銲線直接銲著之方法 ,金線直接銲合於銅銲墊晶片,不僅滿足業界高銲著率之 需求外,更可提高銅金線與銅銲墊晶片於熱音波銲線製程 之銲著強度與可靠度。 ^ 為達上述目的,本發明之技術實現如下:一種利用氣 B體保護裝置實現金線與銅銲墊以熱音波銲線直接銲著之方 法,其包含:金線與銅銲墊晶片之熱音波銲線製程中,提 供保護氣體裝置,提供保護氣體遮護銅銲墊晶片表面,保 護氣體於銅墊晶片上方形成遮護區間,阻隔空氣進入該遮 護區間,防止銅銲墊表面氧化;達成金線與銅銲墊晶片直 接鋅合。 【實施方式】 為使 貴審查委員暸解本發明之目的、特徵及功效, 茲藉由下述具體之實施例,並配合所附之圖式,對本創作 鲁做一詳細說明,說明如后: 本發明係於金線與銅銲墊晶片進行熱音波銲線製程時 ,加熱載台部位之銲線區域以氣體遮護銅銲墊晶片,防止
第8頁 200534417 五、發明說明(5) 銅墊晶片因熱音波銲線機之加熱溫度造成銅墊表面氧化, 達成金球銲點以熱音波銲線接合技術直接銲著於銅銲墊, 除滿足半導體封裝業界所需之高銲著率外,更可維持銅製 程晶片之優異性能、提高金球銲點和銅銲墊間銲著強度與 熱音波銲線製程之可靠度。 本發明之氣體保護裝置如第二圖所示,保護氣體之遮 護係於銅墊晶片表面形成鐘罩式(三一 a)或氣簾式等之 遮護範圍(三一b ),如第三圖所示,唯並不意味本發明 僅限於第三圖所揭示之遮護方式。 2 1保護氣體控制閥控制保護氣體之流量及供給與停止 供給,控制閥之開關與熱音波銲線機之導線架(lead frame )入料裝置同步動作,當銲線機之導線架入料裝置啟動導 線架進入銲線機之加熱載台時,該控制閥亦同步開啟,供 給保護氣體遮護銅銲墊免於氧化;當整條導線架上銅銲墊 均完成熱音波銲線製程,導線架下料裝置啟動時,控制訊 號同步傳送至保護氣體控制閥,並使該控制閥關閉,以避 免保護氣體之浪費,此項控制模式可有效降低保護氣體之 消耗量。 2 7保護氣體遮護範圍調整器係以調整保護氣體進氣高 度與角度,可依不同產品之尺寸大小不同之晶片所需,調 整保護氣體進氣角度與高度,使銅銲墊晶片均處於保護氣 體之遮護範圍。熱音波銲線機進行自動銲線時,偶有斷線 情況發生,需人工進行穿線,而本發明之保護氣體裝置不 影響人工穿線所需之空間範圍,熱音銲線機不因加裝此一
第9頁 200534417 .五、發明說明(6) 發明而影響其作業速度。 ’ 茲以下列實例引證本發明之保護氣體裝置與大氣氣氛 下進行金線和銅銲墊晶片之熱音波銲線製程,進一步證實 本發明之功效,唯並不意味本發明僅侷限於此實例所揭示 之内容。選用銅銲墊晶片固著於導線架上,晶圓尺寸為 6mmx 6mm,導線架之材料為銅合金C7025,第二銲點 (stitch b ο n d )表面電鍍銀膜以提高熱音波金線第二銲點 之銲點品質,導線架型號為Q F P 1 2 8 - 3 6 2 X 3 6 2,每條導 線架共有六顆晶片,而每個晶片上共有1 2 8個銅銲墊。為 避免晶圓於切晶(die saw)與黏晶(die mount)製程中,銅 _墊表面氧化膜急速成長,黏晶過程中之固化(c u r i n g )過程 _採以氮氣進行保護,固化時間與溫度分別為3 0分鐘、1 5 0 V。 為確保實驗之正確性,以歐傑電子能譜儀(A u g e r electron spectrometer, AES)分析固著於導線架之銅銲 墊晶片,偵測銅銲墊表面之氧原子隨厚度變化之分佈曲線 (depth profile),如第四圖所示,可發現銅塾表面僅含 有極為少量之氧原子,此亦說明銅墊表面之氧化程度極為 輕微,不影響後續熱音波銲線製程之正確性。本實例所引 用之保護氣體為市售之高純度氬氣(9 9 . 9 9 % ),因氬氣比重 較空氣重約2 3 %,故於氬氣遮護區域可有效阻絕空氣進入 _ ’形成鐘罩形之保護區域。 保護氣體裝置如第二圖所示。選用之熱音波銲線製程 參數如下表一所示:
第10頁 200534417
表
熱音波銲線製程,其試片 供氬氣保護之實例相同。 銲著於銅銲墊在氬氣保護 air atmosphere)下之金 第六圖所示。 之保護氣體裝置,可使金 反觀未採氣體保護者, 上,甚至大部分第一球形 而隨鋼嘴之移動,銲著於 參數,而改變熱音波銲線 金球銲點直接銲著於銅 著強度亦有顯著差異,分 而未施以保護氣體之銅銲墊 選用與熱音波銲線機參數均與提 金線以熱音波銲線接合技術直接 (argon Shleldlng)與大氣氣氛( 球紅點^著情形分別如第五圖與 由第五圖得知,運用本發明 球銲點1 0 〇 %直接銲著於鋼墊上; 大部分金球銲點無法銲著於銅墊 銲點因無法銲著於銅銲墊上,轉 &線架。若固定其他熱音波銲線 機加熱載台溫度從90 °c至2 2 0 °C 塾晶片之銲著率與金球銲點之銲
第11頁 200534417 _五、發明說明(8) 別如第七圖與第八圖所示。供給氣體保護者在較高之加熱 •載台溫度時(1 8 0 t - 2 2 0 t ),金球銲點直接銲著於銅焊墊 之銲著率可達1 〇 〇 % ;反觀未施予氣體保護者,金球銲點 直接銲著於銅銲墊之銲著率隨溫度上升(1 8 0 °C - 2 2 0 °C )而 下降。在此高溫區間内,銅銲墊表面因無保護氣體遮護, 致使銅銲墊表面氧化,且氧化膜快速成長,造金球銲點無 法直接銲著於銅銲墊。 第八圖所示之金銲點與銅銲墊間之銲著強度,未供給 保護氣體遮護者,銅銲墊表面氧化,且氧化膜快速成長, 致使金球銲點與銅銲墊之銲著力不佳,且銲點之銲著強度 _均遠低於業界檢驗標準[1 ],無法運用於商業化產品;反 _觀經保護氣體遮護者,其銲點接著強度遠高於業界檢驗標 準,隨溫度提高而增加,因較高加熱溫度提供較高活化能 供原子間交互擴散鍵結且在保護氣體遮護下,銅銲墊表面 不受銅塾表面氧化影響。 為充分證明本發明對防止銅銲墊氧化之功效,將銅銲 墊晶片放置於銲線機之加熱載台,溫度設定為2 2 0 °C,加 熱時間為2分鐘,一組銅銲墊晶片供給保護氣體遮護銅銲 墊,另一組銅銲墊晶片則於大氣氣氛下進行加熱。隨後以 歐傑電子能譜儀分析銅銲墊晶片,偵測銅銲墊表面之氧原 子隨厚度變化之分佈曲線,分別如第九圖、第十圖所示。 籲比較放置於熱音波銲線機加熱載台後之銅銲墊晶片之深度 曲線與剛完成固化過程之銅銲墊晶片之深度曲線(第四圖) ,可清楚發現經保護氣體遮護之銅銲墊晶片表面的氧原子
第12頁 200534417 五、發明說明(9) 深度分佈曲線與固化後 曲線極為相似’證貫保 中氧化;反觀在大氣氣 量遠大於固化後銅銲墊 氣氣氛下加熱銅銲墊晶 金球銲點在大氣下無法 例驗證,本發明之保護 於銅塾晶片’更有效提 而提南金線與銅塾晶片 以上所述僅為本發 定本發明之申請專利範 精神下所完成之等效改 專利範圍内。 銅銲墊晶片表面之氧原子深度分佈 護氣體有效防止銅銲墊於加熱過程 氛下加熱銅銲墊其表面之氧原子數 晶片表面之氧原子數量,亦即在大 片其表面之氧化膜快速成長,致使 直接銲著於銅銲墊。經由上列之實 氣體裝置不僅可達成金線直接銲著 高金線與銅墊晶片之銲著強度,進 熱音波銲線製程之可靠度。 明之較佳實施例而已,並非用以限 圍;凡其他未脫離本發明所揭示之 變或修飾,均應包含在下述之申請
第13頁 200534417 ,圖式簡單說明 第一圖係銅墊晶片之氧化膜成長厚度與載台溫度關係圖。 第二圖係本發明用以提供保護氣體之相關元件圖。 第三圖係分別為(三一 a)保護氣體於銅銲墊表面形成之鐘 罩式遮護,及(三一 b) 保護氣體於銅銲墊表面形成 之氣簾式遮護。 第四圖係經固化後銅墊晶片表面之氧原子深度分佈曲線。 第五圖係運用本發明進行熱音波銲線製程,掃瞄式電子顯 微鏡拍攝之放大圖。 第六圖係大氣氣氛下進行熱音波銲線製程,掃瞄式電子顯 微鏡拍攝之放大圖。 第七圖係根據本發明供惰性氣體保護下與未提供惰性氣體 ^ 保護下,金線與銅銲墊晶片之銲著率與載台溫度關 係圖。 第八圖係根據本發明提供惰性氣體保護下與未提供惰性氣 體保護下,金線與銅銲墊晶片之銲著強度與載台溫 度關係圖。 第九圖係根據本發明提供氬氣保護銅銲墊晶片經加熱載台 加熱後,銅銲墊表面之氧原子深度分佈曲線。 第十圖係大氣氣氛下銅銲墊晶片經加熱載台加熱後,銅銲 墊表面之氧原子深度分佈曲線。 鲁【圖號對照說明】 2 1 保護氣體供給控制閥 2 2 超音波能量轉換器
第14頁 200534417
第15頁
Claims (1)
- 200534417 六、申請專利範圍 1 · 一種利用氣體保護裝置實現金線與銅銲墊以熱音波銲 線直接銲著之方法,其包含:金線與銅銲墊晶片之熱 音波銲線製程中,提供保護氣體裝置,提供保護氣體 遮護銅銲墊晶片表面,保護氣體於銅墊晶片上方形成 遮護區間,阻隔空氣進入該遮護區間,防止銅銲墊表 面氧化;達成金線與銅銲墊晶片直接銲合。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之一種利用氣體保護裝置 實現金線與銅銲墊以熱音波銲線直接銲著之方法,其 中,該保護氣體於銅銲墊晶片表面形成鐘罩式或氣簾 式等方式之遮護範圍;而控制氣體供給與流量之控制 閥與導線架之進料與下料系統同步動作,當熱音波銲 線機啟動導線架進料系統,控制閥同步啟開,供給保 護氣體遮護銅銲墊晶片,防止銅銲墊氧化;當銲線製 程完成時,啟動導線架下料系統時,則控制閥關閉, 停止供給保護氣體。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之一種利用氣體保護裝置 實現金線與銅銲墊以熱音波銲線直接銲著之方法,其 中,該保護氣體之遮護範圍為可調,分別調整保護氣 體高度與角度,適合各種不同產品、不同尺寸之銅銲 墊晶片所需。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之一種利用氣體保護裝置 i 實現金線與銅銲墊以熱音波銲線直接銲著之方法,其 中,該保護氣體之選用包含惰性氣體與還原氣氛氣體 ,該氣體選自氦(He)、氬(Ar)、氮(N2)、氫(H2)、二第16頁 200534417第17頁
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CN103151280A (zh) * | 2013-03-04 | 2013-06-12 | 哈尔滨工业大学(威海) | 一种金丝与铜箔的连接方法 |
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2004
- 2004-04-12 TW TW093110095A patent/TWI237336B/zh not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN103151280A (zh) * | 2013-03-04 | 2013-06-12 | 哈尔滨工业大学(威海) | 一种金丝与铜箔的连接方法 |
CN103151280B (zh) * | 2013-03-04 | 2015-07-22 | 哈尔滨工业大学(威海) | 一种金丝与铜箔的连接方法 |
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