电子封装单晶铜键合丝制备工艺及性能研究
兰州理工大学
硕士学位论文
电子封装单晶铜键合丝制备工艺及性能研究
姓名：曹军
申请学位级别：硕士
专业：材料加工工程
指导教师：丁雨田;刘光林
20070609
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第１章绪论
１．１选题背景及意义
集成电路是信息产品的发展基础，信息产品是集成电路的应用和发展的动力。伴随着集成电路制造业和封装业的兴起，必然将带动相关产业，特别是上游基础产业的蓬勃发展。电子封装高性能、多功能、小型化、便携式发展的趋势，不但对集成电路的性能要求在不断提升，而且对电子封装密度有了更高的要求，其中包括：封装的引脚数越来越多；布线节距越来越小；封装厚度越来越薄；封装体在基板上所占的面积比例越来越大；低介电常数、高导热材料越来越必需等，这些更高要求是伴随封装技术进步和封装材料性能改进而实现的。封装材料是实现封装新技术的依托，封装技术的进步，要求其材料在性能有所提高，以适应新技术条件，封装技术的变革，也带来了封装材料市场格局上的转变“１。
键合丝作为封装用内引线，是集成电路和半导体分立器件的制造过程中必不可少的基础材料之一，如图１．１所示。随着集成电路及半导体器件向封装多引线化、高集成度和小型化发展，要求使用线径更细、电学性能更好的键合丝进行窄间距、长距离的键合。超细间距丝球焊是目前生产中急需实现的一种技术，生产中当焊盘节距减小到６０“ｍ以下时，键合引线直径必须减ｄ，Ｎ２５Ｉｌｎｌ以下，而小直径的引线将会带来低的强度和较差的刚性，这就造成键合过程中引线的摆动，从而加大操作难度。因此，对键合丝的技术指标提出了越来越高的要求，高纯度、耐高温、超细键合丝越来越受到人们的重视，普通键合丝势必将向着高密度低弧度键合丝发展旧。
图１．１键合丝封装示意图
此外，过去ｌＯ年电子工业制造业发展很快，年增长率达６％～７％，２００２年全球电子工业制造业市场达１万亿美元，包括计算机、蜂窝电话、路由器、ＤＶＩ）、发动机控制器和起搏器等。亚洲（除日本外）是世界电子工业制造业的中心之一，它包括中国、台湾地区和韩国等，其市场约占全球电子工业制造业市场的２０９６，即２００亿美元，其年增长率
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１．２键合丝及其引线键合方式
１．２．１键合丝
键合丝作为半导体器件（ＩＣ），大规模集成电路（ＬＳＩＣ）封装业的重要结构材料之一，起联结硅片电极与引线框架的外部引出端子的作用，并传递芯片的电信号、散发芯片内产生的热量，是集成电路封装的关键材料删。键合丝的封装方式如图１．２所示：
图１．２键台丝封装示意图
研究表明，键合丝材料质量的好坏直接影响焊接质量，从而对器件的可靠性和稳定性产生很大影响“…。理想的引线材料应具备以下特点：
（１）能与半导体材料形成低电阻欧姆接触，与电流方向无关；
（２）化学性能稳定，不会形成有害的金属间化合物；
（３）与半导体材料结合力强；
（４）可塑性好，容易实现键合；
（５）弹性好，在键合过程中能保持一定的几何形状．
键合丝的表面应达到下列要求：
（１）键合丝表面应清洁，无指痕、油污，无拉伸润滑痕迹、颗粒附加物和其它粘污。
（２）键合丝表面应无超过键合丝直径５％的刻痕、凹坑、划痕、裂纹、凸起和其他降低器件使用寿命的缺陷。
（３）键合丝由轴上放开时应无明显卷曲，键合丝的轻微卷曲应不降低其实用性能。
（４）键合丝应无轴向扭曲．
总之，键合丝除了要求具有电子级纯度外，需满足集成电路键合过程中稳定的引线弧度，短的尾丝，高的键合牢度和高温条件下力学性能稳定的要求，还要有较高的表面质量。
１．２．２引线键合的主要材料及其局限性
键合金属丝主要应用于晶体管、集成电路、大规模集成电路等半导体器件的电极部位或芯片与外部引线的连接，虽然有不用键合丝的ＴＡＢ（Ｔａｐｅ－ＡｕｔｏｍａｔｅｄＢｏｎｄｉｎｇ）、ＦＣＢ
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材表层，形成缺陷，最终导致拉丝过程中断线。
其次，当细丝越拉越细时，表面缺陷所占比例也越来越大，当表面缺陷占到线材直径的一定比例时，线材抗拉断力小于拉制力时就产生断线。线材表面粗糙与模具间的摩擦力增大也是导致断线的原因。
最后，表面缺陷也正是油脂、水分、铜皂和其它污垢藏匿之处也对键合丝的质量产生严重的影响。
２．杂质造成断线
由杂质造成的断线，断口直径取决于杂质的种类、大小及分布情况，并与线径、材
料的机械性能、杂质在线材中的位置及变形参数有关。图２．１所示为含杂质线材的拉制过程删。杂质Ａ通过拉线模时，不产生显微裂缝；杂质Ｂ被带入线材内层，在拉线模过度区时形成显微裂缝。
图２．１含杂质线材的拉制情况
杂质来源一方面是铜的纯度以及铜杆拉制过程中，由于熔炼设备的污染所致．另一方面过滤不良的润滑液或磨损的拉线轮也可以带来新的杂质，如果拉线轮的材质用陶瓷代替，则在进一步的拉线过程中，二氧化硅或氧化铝里子脱落也会带来硬度很大的杂质Ｈｌ】．
图２．２杂质引起的断线
当线材被越拉越细时，其中及其微小的杂质都可以给线材造成严重的影响。当线材更细时，其中杂质所占的比例就很大，会引起断线，图２．２所示。即使在拉制是未引起断线，也会给键合丝的质量带来严重的影响，降低线材的强度、延伸率及其导电性㈦。
３．表面附着物造成断线
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表面附着物如油脂、水分、铜皂和其它污垢等，如果附着在铜丝表面，在拉制过程中可能会划伤线材表面或引起线材的表面缺陷，这将使拉制不出所需质量和长度的线材。
综上所述，单晶铜键合丝在拉制过程中，主要有上述三个方面的原因造成断线，通过对单晶铜丝材造成断线的各种原因进行统计和分析，表２．１所示。
表２．１单晶铜键合丝拉制过程中断线分类
分析发现，表面缺陷是产生超微细丝断线现象的主要原因，约占断线原因的５２％，表面缺陷引起断线的主要特征是：断裂处表面不均匀，表面缺陷占据了整个线径的７０％以上，造成细线材断裂，显示出不同的断裂形状。所以提高线材在坯料、粗拉、中拉等过程中的表面是键合丝拉制的关键所在。
２．２．２单晶铜键合丝拉制工艺分析
单晶铜键合丝拉制过程中，从坯料到成品其工艺过程较复杂，对每个环节都要进行详细的研究和分析，加强对每个工艺过程的控制。单晶铜键合丝拉制工艺主要有设备与坯料、模具、润滑、清洗、环境和热处理及其保护等几个工艺过程影响。
１．设备与坯料对单晶铜键合丝拉制的影响
在拉制中Ｏ．０３ｒｏｍｅＯ．０１５１ｍ的单晶铜丝时，由于线径较细，对拉制力的反应较为敏感。设备转动时的跳动、稍微的振动、运转不均匀或稍有不同步，都会产生不稳定的拉制力。如果拉制力过大，超过其抗拉强度，铜丝就会被拉断，反之，就会使线径不均匀或不能达到所要求的真应变，所以设备的稳定对于键合丝的拉制有极其重要的影响。另外，如果设备精度较低，也会导致拉制过程中的断线和质量的不稳定。
键合丝的坯料对成品有十分重要的影响，坯料纯度不高、组织不均匀和存在缺陷都会造成拉制过程中的断线和丝材出现表面缺陷，如图２．３所示。
图２．３坯料组织不均匀造成单晶铜键合丝表面缺陷
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单晶铜杆是生产单晶铜键合丝的坯料，对于键合丝来说，由于其线径较细和技术指标较高，对坯料中的杂质较为敏感，坯料内部的微小颗粒杂质会造成断线或性能的不均匀。鉴于键合丝对坯料的纯度要求较高，普通熔炼无法达到要求，因此提出了在真空熔炼氩气保护热型连铸设备上进行单晶铜杆生产，并自行研发设计了一台真空熔炼氩气保护热型连铸设备。该设备熔炼过程采用高真空（真空度达到１０１ｐａ）熔炼，避免了氧化和杂质的进入；铜杆拉制过程中，通入氩气进行保护，并严格密封，避免了液态金属与空气接触，进一步避免了液态金属的氧化和杂质的进入；该设备还实现了自动控制，在温度测量方面采用了多点温度记录仪和计算机辅助控制，大大提高了控制精度。该设备几乎能够完全避免氧化和杂质的进入，并能够最大可能的将铜液中的气体析出，大大提高了连铸单晶铜杆的质量。通过该真空设备制备出高纯度、组织均匀、内部无缺陷的高质量单晶铜杆，图２．４所示。由于通过连续定向凝固制备的高纯度单晶铜具有连续的柱状晶组织，消除了横向晶界，从而提高了铜杆的塑性和导电率．此外，在一定程度上降低了铜丝的硬度，这样将更加有利于键合。
图２．４连续定向凝固单晶铜组织
此外，由于键合丝对坯料的要求比较严格，所以单晶铜杆在拉制过程中其工艺控制要严格控制，其中包括：
１）拉制单晶铜的纯铜的纯度要在９９．９９％以上；
２）对于纯铜的熔炼采用高真空炉熔炼，在熔炼过程中要对铜液精炼３０分钟以上；
３）拉制单晶铜杆时，绝对保证单晶铜杆的表面质量；
４）严格控制单晶铜拉制时的工艺参数，保证单晶铜杆的性能稳定．
单晶铜杆的性能直接影响到键合丝的性能稳定性，因此，单晶铜杆的轻微缺陷就给拉丝带来一些问题或造成键合丝的表面缺陷。
２．模具对单晶铜键合丝拉制的影响
拉丝模由模套、模芯两部分构成，图２．５（ａ）所示，模套多由高质量的钢制成，模套与模芯之间采用过盈配合，以达到补强的作用，否则在拉拔高强度的线材时，模芯容易破裂㈨。模芯是拉丝模的关键部分，根据用料的不同，可分为天然金刚石模、单晶金刚石模、复晶金刚石模、硬质合金模等．模芯的使用寿命主要取决于它本身的用料，并与拉拔线材的类型、润滑剂的性能、模芯的孔型及使用时模具的冷却状况等因素有关，
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其孔型结构有入口区、润滑区、工作区、定径区和出口区５部分组成，图２．５（ｂ）所示。入口区的作用是将线材导人拉丝模，线材进入拉丝模时，应尽可能保持平直，以防止线材产生不均匀应力，从而影响键合丝的性能。润滑区的作用是在拉拔时导入润滑液，为了在铜丝表面形成更厚的润滑涂层，润滑区表面不需要抛光处理，以增加润滑压力…。工作区是模芯构造中至关重要的部分，线材表面润滑层的形成和全部塑性变形都在此区进行，拉丝模具的工作效率也取决于工作区的几何形状和面积，因此必须确保工作锥角的加工精度和表面光洁度嘲。工作区应加工成直线型，其表面不得有弧形过渡或圆滑过渡，且工作锥角与定径区应保持在同一轴线上，模芯外径和模套内径应保持同心，这样，可以防止线材拉拔中出现的椭圆现象。
（ａ）拉丝模具外形（ｂ）拉丝模具内部结构
图２．５拉线模外形及内部结构
拉制线材时工作区角度太大（相当于压缩率太小），使线材进人拉丝模的接触点太靠近定径区，相对来说变形区过短，使线材变形速率加快，并产生大量热，容易导致润滑失效㈨。若冷却不良，会影响线材的组织结构，并加剧模具消耗。若工作区角度再大或压缩率再小，会使接触点更接近定径区，线材在流向定径区的过程中，由于锥角的影响，线材难于平稳过渡到定径区域，容易引起线材内凹，导致缩径。如果润滑区相对加长，开始瞬间能提供良好润滑，但是它会减小接触表面润滑压力，并产生涡流效应，导致润滑液反向流出模孔，减弱润滑效果，再加上由变形产生的种种不良效果，最终导致润滑失效，表面裂纹、刮伤，模耗加剧，丝径难以控制。工作区角太小，导致进线接触点靠近工作区上端，使变形区相对加长，使拉丝机对铜丝产生的残余功增多，产生大量热，加大拉丝机功耗Ｍ。根据多次试验确定，对拉制单晶铜键合丝来说，大于０．０５咖的粗线模，其工作区角度在３。～５。，对于小于０．５哪的细线模，其工作区角度４。～６。。
定径区的作用是控制拉拔线材的直径、不圆度、平直度及表面质量等工艺指标。为保证产品质量，定径区表面需要经过抛光处理，且要求定径区与工作区和出口区的交界面相互保持平行，并严格控制定径区的尺寸公差删，定径区的质量直接影响到线材的质量，图２．６为定径区存在划痕的模具，该模具将会致使铜丝表面产生严重缺陷，图２．７所示。定径区的长度由拉拔材科和模具的材料决定，但主要由拉拔的材料决定，对铜丝来说，定径区的长度一般为直径的５０％～１００％。如果定径区过长，会增大外摩擦力从