关键词：引线键合；铜线；氧化；镀钯；保护气体 中图分类号：ＴＮ３０５．９３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—３５３Ｘ（２０１１）０１－００１７—０５
Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ａｎｔｉ·Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｃｏｐｐｅｒ Ｗｉｒｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ
Ｆａｎ Ｘｉａｎｇｑｕａｎｌ，Ｗａｎｇ Ｔｅｄ ２，Ｃｏｎｇ Ｙｕｑｉ ２，Ｚｈａｎｇ Ｂｉｎｈａｉ １，Ｗａｎｇ Ｊｉａｊｉ １
测量，已知如果以同样大小的束流溅射ＳｉＯ：，溅射速 率为１１．２７ ｎｍ／ｍｉｎ。图５是ＡＥＳ剥层分析得到的ＦＡＢ 表面各元素原子数分数随溅射时间（深度）的变化， 根据ＡＳＴＭ－Ｅ１６３６标准分析，铜的氧化物“溅射厚 度”，也就是说用Ａｒ离子枪溅射０．４８ ｒａｉｎ后，表面的 氧化物层可以消除，暴露出新鲜的表面。
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—３５３ｘ．２０１ １．０１．００６
制Ｍａ造ｎｕｆａ工ｃｔｕｒ艺ｉｎｇ Ｔ技ｅｃｈｎ术ｏｌｏ。ｇｌｉ，，Ｉ留
铜线键合的抗氧化技术研究
范象泉１，王德峻２，从羽奇２，张滨海１，王家楫１
（１．复旦大学材料科学系，上海２００４３３；２．日月光封装测试（上海）有限公司，上海２０１２０３）
Ｑｒｃ／（Ｌ‘ｍｌｎ １）
图Ｉ 不同Ｆｃ流量ｃｕ—ＡＩ键合推力
Ｆｉｇ．１ Ｓｈｅａｒ ｆｏｒｃｅ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＦＧ ｆｌｏｗ ｒａｔｅｓ
由于实验中采用的是４Ｎ铜线。铜在窄温下氧 化的速度极慢，而高温下氧化速度却加快很多倍， 所以对于铜线键合工艺，最主要的氧化过程发生在 ＥＦＯ成球过程中，只要ＥＦＯ形成的ＦＡＢ表面基本没 有被氧化，键合界面中就不会有过量氧元素的存在。 而防止氧化的措施一般是通入保护气体，因此将重 点关注不同保护气体条件下形成ＦＡＢ的氧化情况。
● 卑
一
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图６镀钯铜线的ｘ射线光电子能谱
Ｆｉｇ．６ ＸＰＳ ｏｆ Ｐｄ ｃｏａｔｅｄ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅ
∞∞加∞∞∞如加ｍ
０
０．５
１．０
Ｉ．５
２．Ｏ
２．５
ｔ／ｍｉｎ
图５ Ｑ，。＝０ Ｌ／ｍｉｎ的样品ＦＡＢ表面各种元素原子数分
数随溅射时问的变化
Ｆｉｇ．５
ＦＡＢ ｓｕＦｆａｃｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｓｐｕｔｔｅｒ ｔｉｍｅ ｏｆ ＱＦｃ＝０ Ｌ／ｍｉｎ ｓａｍｐｌｅ
对于ＦＧ气体流量不同的样品，采用同样的分 析方法得到ＦＡＢ初始表面氧含量和去除氧化层的 溅射时间，得到的结果如表１所示。
首先使用ＳＥＭ观察不同ＦＧ（保护气体）流量 条件下，形成的ＦＡＢ的形貌。如图２所示为５种 不同ＦＧ流量样品的全貌。
由图２可以看出，只有在Ｑ，。＝０ Ｌ／ｍｉｎ的ＦＡＢ 表面隐约有微小的裂纹，而其他几个工艺下形成的 ＦＡＢ从形貌上看不出太大的区别。用更大的倍率 观察，发现在Ｑ，。为０ Ｌ／ｍｉｎ和０．１７ Ｌ／ｍｉｎ这两种条 件下形成的ＦＡＢ的表面有明显的裂纹，而Ｑ，。为 ０．３４，０．５ｌ和０．６８ Ｌ／ｍｉｎ三种工艺条件的样品 ＦＡＢ表面则没有微裂纹，典型的形貌如图３所示。 由于Ｃｕ氧化物的物理性能和金属ｃｕ相差很大， 包括热膨胀系数、热导率和密度等。这些将导致在 ＦＡＢ形成过程中。如果金属表面发生严重氧化， 将会形成一定厚度的氧化膜，在ＦＡＢ形成之后的 冷却过程中，会出现严重的热膨胀系数失配，脆性 的氧化物表面就会出现裂纹。但是如果氧化膜的厚 度比较薄，薄至只有数个原子层厚度时，在氧化膜 和金属界面的应力会通过材料品面间距的变化予以 缓冲，从而不会在ＦＡＢ的表面形成微裂纹。
２８ Ｍ ２６ Ｍ
２４ Ｍ
。 ２２ Ｍ 穹 Ｖ∞ ２ Ｏ Ｍ
备 ｌ ８Ｍ
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ｌ６Ｍ
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ｌ４Ｍ
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８ Ｏ啊 Ｍ嚏
Ｊａｎｕａｒｙ ２０１ １
万方数据
（ａ）直接谱
ｇ，／ｅｖ
（ｂ）微分谱 图４ Ｑ。＝０ Ｌ／ｍｉｎ样品初始表面的俄歇电子能谱 Ｆｉｇ．４ Ｓｕｒｆａｃｅ ＡＥＳ ｏｆ ＱＦｃ＝０ Ｌ／ｒａｉｎ ｓａｍｐｌｅ’Ｓ ｉｎｉｔｉａｌ ｔｉｍｅ
摘要：在铜线键合的过程中通入惰性保护气体，或在纯铜线表面涂覆金属钯防氧化层都可以 改善铜线键合的抗氧化性能。为了评价上述两种方法对铜线键合抗氧化性能的改进情况，使用先 进的材料表征方法分析不同保护气体流量情况下键合形成的金属熔球的形貌，金属熔球表面的氧 原子数分数和表面氧化层的厚度。研究表明，保护气体流量为０．５１ Ｌ／ｒａｉｎ时，可以在保证成本较 低的情况下获得最佳的抗氧化效果。通过ＸＰＳ和ＴＥＭ分析发现，铜线表面涂覆金属钯可以延长 铜线的存储寿命，降低键合界面的氧含量，提高键合的可靠性。
Ｙｏ／％
１６
ｔ／ｒａｉｎ
０．４８
ｏ．１７ １３
ｏ．４５
数值
ｏ．３４ １５．８ ｏ．２５
ｏ．５ｌ １３．２ Ｏ．１７
０．６８ １３．２ Ｏ．１７
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．３６ Ｎｏ．Ｊ
１９
范象泉等：铜线键合的抗氧化技术研究
由表１可以看出，随着ＦＣ流量的增加，ＦＡＢ 样离表面初始氧含量有减少的趋势，但是由于样品 上的有机沾污中存在氧元素，所以会有个别样品的 初始氧含量出现异常。但与此同时，ＦＡＢ表面氧 化层厚度在不断下降，当ＦＧ流量大于０．５ｌ Ｌ／ｍｉｎ 时，氧化层厚度开始保持不变，也就是说 ０．５Ｉ Ｌ／ｒａｉｎ以后，继续增加ＦＧ流量对继续减轻铜 线ＦＡＢ表面的氧化状况效果很弱，为了尽量降低 生产成本，最佳ＦＧ流量应选择０．５ｌ Ｌ／ｍｉｎ左右。
表１ 不同ＦＧ流量ＦＡＢ样品表面的初始氧原 子数分数和去除氧化层溅射时间
Ｔａｂ．１ Ｉｎｉｔｉａｌ ｏｘｉｄｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｘｉｄｅ ｓｔｒｉｐ ｔｉｍｅ ｏｆ ＦＡＢ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＦＧ ｆｌｏｗ ｒａｔｅｓ
参数
ＱＦｃ／（Ｌ·ｍｉｎ“）０
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅ ｂｏｎｄｉｎｇ；ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅ；ｏｘｉｄａｔｉｏｎ；ｐａｌｌａｄｉｕｍ ｐｌａｔｅｄ；ｆｏｒｍｉｎｇ ｇａｓ
ＥＥＡＣＣ：２５５０Ｆ
０ 引言
为了在引线键合工艺中防止４Ｎ纯铜线（铜的 纯度为９９．９９％）表面形成氧化层，影响铜线的可 焊性，通常要在铜线键合的电子打火成球 （ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ—ｆｌａｍｅ－ｏｆｆ，ＥＦＯ）和键合过程中通入保护 气体（ｆｏｒｍｉｎｇ ｇａｓ，ＦＧ）。所使用的保护气体通常有 两种，其一是惰性气体Ａｒ…；其二是Ｎ：和Ｈ，的混 合气体【２。，其中Ｎ：的体积百分比为９ｌ％～９５％。通 常保护气体的流量越大，对纯铜线氧化的防护性越 好，但是相对成本会越高，所以选择最佳的保护气
２表面镀钯层对铜线抗氧化性能的改进
据实验观察，４Ｎ纯铜线在空气中的存储寿命 只有７天左右，而表面镀钯铜线由于在抗氧化性能 上的改进使其具有长得多的存储寿命。将在空气中 放置ｌＯ天的镀钯线进行ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ） 分析，观察镀钯线的表面氧化状况。
图６和图７为镀钯铜线的ＸＰＳ表面分析谱图， 图７为钯元素的ＸＰＳ窄谱，可见钯的３ｄ光电子能 谱存在３３５ ｅＶ和３４０．６ ｅＶ两个峰，其中３３５ ｅＶ位置 的是主峰。如果钯元素处于氧化状态，则钯元素的 ３ｄ光电子能谱的峰位将会发生一定的化学位移， 主峰将会出现在结合能大于３３６ ｅＶ的位置。由于在 钯的ＸＰＳ谱中并未观察到钯元素３ｄ峰与标准单质 钯峰位的位移。所以可以认为镀钯铜线表面钯元素 处于单质状态，而不是氧化态。从而表明镀钯铜线 即使在空气中存放１０天以上，表面仍然观察不到 明显的氧化状态，这表明镀钯铜线的寿命比４Ｎ铜 线要长。为了进一步了解纯铜线和镀钯铜线键合界 面各种元素在分布上的差异，制作了４Ｎ铜线样品 以及镀钯铜线的键合样品，键合好的芯片在２５０℃ 老化３５０ ｈＥ，用ＴＥＭ观察其键合界面的结构特征 （图８）。
Ｊａｎｕａｒｙ ２０１ １
万方数据
体流量需要考虑成本和性能两方面的影响。 本文通过ＳＥＭ和ＡＥＳ研究了不同保护气体流量
下４Ｎ纯铜线的表面氧化情况，以选出最佳的保护气 体流量。另外，使用镀钯铜线具有比纯铜线更高的 可焊性和键合可靠性一。。，本文还对镀钯铜线和４Ｎ 铜线在抗氧化性能上的差异进行了比较研究。
１ ４Ｎ铜线键合的抗氧化性能研究
对于４Ｎ纯铜线，在形成金属熔球（ｆｒｅｅ ａｉｒ ｂａｌｌ，ＦＡＢ）过程中通入Ｎ：和Ｈ：的混合气体作为保 护气体，随着保护气体流量的增大，Ｃｕ ＦＡＢ表面
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇＹ Ｖ线键合的抗氧化技术研究
的抗氧化效果越好，键合后的强度增大，键合可靠 性增强。不同保护气体流量下样品键合后推力， 如图ｌ所示，可以看出，随着ＦＧ流量（Ｑ，。）的 增大，键合点的推力呈增大的趋势。
１８ 半导体技术第３６卷第ｉ期
万方数据
图２不同ＦＧ流量时形成ＦＡＢ的形貌
Ｆｉｇ．２ ＦＡＢ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＦＧ ｆｌｏｗ ｒａｔｅｓ
２０１１年１月
范象泉 等：铜线键合的抗氧化技术研究
。 号
一
奇 ‘磊
Ｃ 昱 口
（ｂ，Ｑｍ＝０．５Ｉ Ｌ／ｒａｉｎ
图３ ＦＧ流量为０ Ｌ／ｒａｉｎ和０．５ｌ Ｌ／ｒａｉｎ的ＦＡＢ表面形貌 Ｆｉｇ．３ Ｔｗｏ ｔｙｐｉｃａｌ ＦＡＢ ｔｙｐｏｇｒａｐｈｉｅｓ ａｔ ＱＦｃ＝０ Ｌ／ｍｉｎ ａｎｄ
（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｆｕｄａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００４３３，Ｃｈｉｎａ； ２．ＡＳＥ Ａｓｓｅｍｂｌｙ＆Ｔｅｓｔ（Ｓｈａｎｇｈａｉ）Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１２０３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｎｔｉ—ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ｃａｎ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｉｎｊｅｃｔｉｎｇ ｆｏｒｍｉｎｇ ｇａｓ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｒｅｄｕｃｉｂｉｌｉｔｙ ｏｒ ｐｌａｔｉｎｇ ａｎｔｉ－ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ ｏｎ ４Ｎ ｐｕｒｅ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅｓ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎ ａｄｖａｎｃｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏｏｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅ ｔｈｅ ｆｒｅｅ ａｉｒ ｂａｌｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ，ｓｕｒｆａｃｅ ｏｘｉｄｅ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｘｉｄｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ａｎｔｉ—ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｏｆ ０．５ １ Ｌ／ｍｉｎ．Ｔｈｅ ａｎｔｉ· ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｐａｌｌａｄｉｕｍ ｃｏａｔｅｄ ｗｉｒｅ ｗａｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ ＸＰＳ ａｎｄ ＴＥＭ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅ ｗｉｔｈ ｐａｌｌａｄｉｕｍ ｐｌａｔｅｄ ｃａｎ ｅｘｔｅｎｄ ｔｈｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅ，ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．