IC封装中镀钯铜线与裸铜线键合比较研究
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作者: 陈鑫
摘 要 镀钯铜线（PdCu）是半导体封装中传统金线键合向铜线键合发展过程中出现的产物，与裸铜线（Bare Cu）键合相比，有着其特有的优劣势。本文通过分析研究发现两种铜线工艺参数有比较大的差别，第一焊点的可靠性测试结果基本相同，而第二焊点结果有一定的区别。本文主要实验数据研究分析镀钯铜线与裸铜线键合的区别，包括第一焊点空气球的可重复性、电火花（EFO）电流大小对焊接结果的影响、铝层挤出的比较。第二焊点的焊接表现，参数范围的变化。可靠性测试结果等。
关键词 镀钯铜线；铜线键合；可靠性
中图分类号：TN405 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0152-02
键合工艺（Wire Bonding）是指半导体封装中用金属导线将IC芯片上的电极与外部引脚相连接的工艺，即完成芯片与封装外引脚间的电流通路[1]，目前封装行业主要还是以金线（Au）键合为主，金线键合一直占据着封装工艺中的60%市场。而黄金价格不断上涨，导致封装成本也随之增加，将黄金的用量降低到最低是市场的迫切要求。金线主导这一局面将会在这几年被改变，其中主要接替者是裸铜线键合、镀钯铜线的键合。而裸铜线键合实现难度非常大，会有容易氧化的问题、第二焊点不容易焊牢固的问题、工艺参数范围窗口小等问题，所以出现了镀钯铜线键合。
1 镀钯铜线与裸铜线键合基本介绍
镀钯铜线是在裸铜线的基础上在线的外部镀一层通常厚度为0.1-0.2 um的钯金属。目前市场上镀钯铜线的价格是裸铜线价格的2-3倍，但是相比金线来讲价格还是便宜很多，只有金线的30%左右。所以在价格方面有很大优势，可以节约不少成本。
裸铜线键合使用的是95%的N2（氮气）和5%的H2（氢气）组成的保护气体（Forming gas），而镀钯铜线键合只需要纯N2就可以，这是因为裸铜线很容易氧化，需要用H2把铜从氧化铜中还原出来。化学方程式：H2+CuO==加热==Cu+H2O[2]。所以在安全性方面镀钯铜线键合更有优势，因为不需要氢气的加入。
在键合线的保存期方面，通常镀钯铜线在普通环境中的保存期为1年，而裸铜线在氮气柜中的保存期只有6个月。故镀钯铜线有一定的优势。
2 第一焊点表现比较
2.1 空气球（FAB）的可重复性
空气球的可重复性换句话说就是FAB的一致性，是焊接工艺评测标准之一，会影响键合过程中第一焊点的可靠性，最终会影响芯片的可靠性。
我们选取0.8mil直径的镀钯铜线，在2种不同的BSR（球尺寸比，球的直经除以线的直径）1.6和2.0下，分别在纯N2和FG（Forming Gas）中进行试验形成FAB，测量FAB的直径，计算标准方差。
结果表明镀钯铜线FAB的标准方差远低于1%（图1）（通常封装行业标准为1%）。说明了镀钯铜线可以形成稳定的FAB。进一步看，N2和FG对于FAB的可重复性影响并不是很明显，故证明了N2用于PdCu的保护已经足够。
2.2 EFO电流大小与FAB硬度的关系
由于镀钯铜线在表面电镀了一层薄薄的Pd金属层，而Pd本身的硬度就比铜要高，所以相同EFO参数条件下镀钯铜线形成的FAB硬度肯定要高。
我们选用0.8mil的镀钯铜线和裸铜线，采用EFO电流逐步递增的测试方法，观察EFO电流大小与FAB的关系。得到了随着电流的增加，钯元素融入FAB内部就更多的现象，这种结果直接导致了FAB的硬度加强（图2）。
通过选取60 mA下得到的FAB维氏硬度几组数据，我们得出了镀钯铜线FAB硬度与裸铜线FAB硬度的比较数据，结果表明镀钯铜线FAB的硬度要明显大于裸铜线FAB的硬度，从而带来了镀钯铜线致命的一个弱点：FAB硬度大导致更多的焊盘开裂和剥落，影响封装的可靠性。
2.3 铝层挤出
铝层挤出是指焊盘（PAD）上的铝金属层由于FAB向下的压焊，导致铝被挤出原有区域，一旦铝被挤出至焊盘的引脚间距以外会造成相邻焊点的短路。铝层挤出是引线焊接可靠性考虑的标准之一。典型的铝层挤出现象见图3。
通过研究焊接球单位面积上剪切力与铝层大小的数据，我们得到了以下两者的关系，见图4。
分析发现在低单位面积剪切力的情况下，镀钯铜线发生严重铝层挤出的几率更大，而在高剪切力条件下镀钯铜线与裸铜线铝层挤出差别变小。由此我们可以看出。如何平衡好高焊球单位面积剪切力与铝层挤出的关系对于镀钯铜线来说是个不小的挑战。
3 第二焊点表现比较
3.1 焊接表现
实验中，我们选取镀银的基板作为焊接材料，每个第二焊点作为一个DOE的单元进行测试计算引线拉力（Wire Pull）及CPK（Complex Process Capability index 的缩写[3]，是现代企业用于表示制程能力指数的指标），得到了以下数据，裸铜线拉力范围在4.5-5.6，而镀钯铜线在7.2-7.9之间，而CPK范围铜线在1.3-2.2而镀钯铜线在2.3-3之间。
从以上数据中可以看出镀钯铜线第二点拉力明显高出铜线。同样CPK也有相应的提高。体现了镀钯铜线第二焊点的稳定性，焊接效果有明显的提高。
3.2 工艺参数范围
可以看出镀钯铜线的参数范围明显比裸铜线的参数范围宽，这种情况非常有利于工艺工程师对于最佳参数的调整，得到良好的键合效果。
4 可靠性测试
封装的可靠性试验是芯片产品投入市场之前必不可少的一个步骤，在对比镀钯铜线与裸铜线的可靠性测试方面，我们主要测试了第一焊点球金属间化合物（IMC）情况及推力和拉力，第二焊点的拉力。测试选取的样本数量为40。
第一焊点HTS（高温存储试验，是测试产品长时间暴露在高温下的耐久性试验）中IMC变化情况[4]。试验条件为175摄氏度，0-1000小时。实验结果发现镀钯铜线的IMC变化情况和裸铜线的IMC变化情况基本类似（图6）。厚度随着时间的增加而呈线性增长的图形也基本相同（图7）。
第一焊点推力及拉力HTS试验，同样是在175摄氏度下，0到1000小时时间范围。观察了第一焊点焊球脱离和焊盘弹坑情况，同时记录第一焊点的推拉力情况。结果未发现焊球脱离以及焊盘弹坑的情况。而第一焊点的推拉力测试数据也比较稳定。球的推力基本在15-20gm之间，而球的拉力范围基本都在8-10gm之间。
第二焊点的拉力情况，我们发现镀钯铜线的焊接拉力是逐步递增的。而裸铜线在初始阶段是递减，而后呈现维持恒定强度的情况。这充分说明了镀钯铜线在第二点焊接的牢度明显优于裸铜线。
5 结论
综合以上实验得到的结果以及数据分析我们得出了镀钯铜线与裸铜线的一些对比，主要有以下方面。成本方面裸铜线低，而镀钯铜线相对高一些，但是比金线便宜很多。保护气体方面镀钯铜线具有只用氮气就可以的优势，而裸铜线需要氮氢混合气体，成本及危险系数比较高。FAB的硬度镀钯铜线相对于裸铜线要高，容易造成第一焊点的铝层挤出过度以及弹坑现象。第一焊点参数范围镀钯铜线比裸铜线要宽，有利于工艺调整。第二焊点焊接效果镀钯铜线要优于裸铜线，更加牢固。
目前在替代金线键合方面我们已经取得了很大的进步，有些厂商已经把镀钯铜线投入实际生产中，但是我们还不能讲镀钯铜线能完全替代金线作为封装引线键合工艺的线材料，因为我们的最终目的是成本的最小化，可靠性的最大化的结合。
参考文献
[1]吴建得，罗宏伟.铜键合线的发展与面临的挑战[J].
[2]Ainouz L. The use of copper wire as an alternative interconnection material in advanced semiconductor packaging[J].Kns Rep， 1999，11（2）：596.
[3]毕向东.半导体封装行业中铜线键合工艺的应用[J].电子与封装，2010，10（8）：1-4.
[4]张滨海，钱开友，王德峻，等.镀PdCu线键合工艺中Pd行为研究[J].工艺技术及成立，2010，35（6）：564.
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