鍵合銅絲作為微電子工業的新型材料,已經成功替代鍵合金絲應用于半導體器件后道封裝中。隨著單晶銅材料特性的提升和封裝鍵合工藝技術及設備的改進,銅絲在硬度，延展性等指標方面已逐漸適應了半導體的封裝要求。其應用已從低端產品向中高端多層線、小間距焊盤產品領域擴展。因而，在今后的微電子封裝發展中，銅絲焊將會成為主流技術。采用銅絲鍵合工藝不但能降低半導體器件制造成本，更主要的是作為互連材料，銅的物理特性優于金。目前，銅絲鍵合工藝中有兩個方面應予以高度重視：一是銅絲儲存及使用條件對環境要求高，特別使用過程保護措施不當易氧化；二是銅絲材料特性選擇、夾具選擇、設備鍵合參數設置不當在生產制造中易造成芯片焊盤鋁擠出、破裂、彈坑、焊接不良等現象發生，最終將導致產品電性能及可靠性問題而失效。因此，銅絲鍵合應注意以下工藝操作事項及要求，以確保銅絲鍵合的穩定及可靠性。
1、銅焊線的包裝和存放：銅具有較強的親氧性，在空氣中銅絲容易氧化，所以銅絲必須存放于密封的包裝盒中以減少環境空氣中帶來的氧化現象。于是要求各卷銅焊線必須采用吸塑包裝，并在塑料袋內單獨密封。貯藏時間一般為在室溫（20～25℃）下4～6個月。銅絲一旦打開包裝放于焊線機上，銅絲暴露于空氣中即可產生氧化。原則上要求拆封的銅絲在48小時（包括焊線機上的時間）內用完為好，最長不超過72小時。
2、惰性保護氣體：對于銅絲球焊來說，在成球的瞬間,放電溫度極高,由于劇烈膨脹,氣氛瞬時呈真空狀態,但這種氣氛很快和周圍的大氣相混合，常造成焊球變型或氧化。氧化的焊球比那些無氧化層的焊球明顯堅硬，而且不易焊接。目前，銅絲鍵合新型EFO工藝增加了一套銅絲專用裝置（K&S公司配置相對封閉的防氧化保護裝置），是在成球及楔線過程中增加惰性氣體保護功能，以確保在成球的一瞬間與周圍的空氣完全隔離，以防止焊球氧化。通常保護氣體有兩種防氧化方式：一種是采用純度為5個“9”以上的100%氮氣作為保護氣體；另一種是采用90～95%氮氣和5～10%氫氣的保護加還原的混合氣體。在焊接過程中，氮氣防止氧氣與銅發生反應，同時適量的氫氣作為還原氣體以去掉銅表面的氧化層。目前，大部分生產廠家現工藝趨向使用混合保護氣體。但是，還應注意以下幾個方面：
⑴ 高壓打火桿的上表面與對應的氣體噴嘴的下表面應處在同一個平面上，以確保燒球時氣體保護良好；
⑵ 保護氣體加在易出現氧化的高壓打火桿燒球點（EFO過程）與工作臺的芯片加熱區域，流量一般為1L/min左右。流量大小主要視銅球的氧化顏色與銅球的焊接形狀而定,太大會出現高爾夫球情況，太小則會影響保護作用；
⑶ 保護氣體的氣嘴盡可能靠近劈刀，以保證氣體最大范圍的保護工作面。
⑷ 在設備上加一套銅絲專用裝置（Copper  Kit），這套裝置利用惰性氣體保護暴露在空氣中的銅線和引線框架。雖然主要的氧化作用在球鍵合過程中發生，但設置適當的保護氣體對第二步鍵合工藝也是有益的。
3、劈刀的選用：銅絲選用的劈刀與表面的焊接力。同時還要注意以下劈刀形狀尺寸差異：
⑴ 銅絲劈刀T面要稍大一點，太小第二壓點（2nd）容易切斷造成拉力不夠或不均勻；
⑵ 銅絲劈刀CD可基本保持不變，太大或太小都容易出現不粘等現象；
⑶ 銅絲劈刀H（孔徑）比銅絲直徑大8μm即可，太小容易在頸部拉斷；
⑷ 銅絲劈刀CA可適當減小角度值，大了易造成線弧不均勻，但太小線弧頸部容易拉斷；
⑸ 銅絲劈刀FA選用一般要求8度以下（4-8度）；
⑹ 銅絲劈刀OR選用與金絲大同小異。
4、銅絲工藝對框架的要求：對于框架的第二焊點是銅絲鍵合質量的一個挑戰，首先，銅絲氧化可能導致焊接點和引線框架之間界面間強度減弱，而且由于氧化作用焊接點容易脆裂，即容易產生焊點脫落或拉力強度低；其次，銅鍵合在第二焊點需設置更高的鍵合參數，從而在控制焊接形貌上存在難度，并且需要調整引線框架（引線端）的設計以能夠經受更高的鍵合參數。因此，要求達到：⑴ 框架表面光滑、鍍層良好。如Ag預鍍表面框架的銀層厚度應控制在0.03mm～0.06mm；
⑵ 管腳共面性良好，不允許有扭曲、翹曲等不良現象。管腳表面粗糙和共面性差的框架拉力無法保證且容易出現翹絲和切線造成的燒球不良，壓焊過程中容易斷絲及出現尾部過短的現象。
⑶ 銅絲對于Ag預鍍表面框架鍵合具有良好的焊接性能，合理的設置焊接參數即可達到質量要求。而對于NiPdAu預鍍表面框架，則需要更長的鍵合時間和大的待機功率來提高第二鍵合期間的引線穩定性。
5、壓焊夾具的選用：銅絲產品對壓焊夾具的選用要求非常嚴格，首先夾具制作材料要選用得當，同時夾具表面要光滑，要保證載體和管腳無松動，否則將直接影響產品焊接過程中燒球不良、短線、翹絲等一系列焊線問題。
6、銅絲與金線在工藝參數上的區別：在銅絲鍵合中需要考慮的基本參數有鍵合和接觸的功率/力/時間。相比金絲來講：
a、EFO過程要求更大的電子打火電流和相對短一些的打火時間；
b、鍵合時通常需要更大的焊接力和功率以及長一些的焊接時間。因此，除了這些參數在第一球鍵和第二楔線焊點都要增加外，還要很好地確定（通過工藝試驗）第一鍵合步驟的待機功率和焊接壓力，以提高球鍵的鍵合質量，同時要避免發生鍵合彈坑（Crater）的可能性；再就是需要考慮更長的鍵合時間來提高第二鍵合期間的引線穩定性；焊線方向上的最佳待機功率和垂直方向上摩擦也將有助于獲得優良、牢固焊接形狀和良好的拉力強度。
銅絲鍵合相比金線在設備參數設置（由工藝試驗數據確定）還要注意以下幾點：
⑴ 在EFO過程中，對銅焊球硬度有影響的是電子打火裝置參數的設定，尤其是電子打火電流這個參數的設定。相對減?。ɑ蛟黾樱螂娏骱瓦m當增加（或減少）燒球時間，要經反復試驗控制好熔球溫度及球體形態，以減輕驟熱驟冷對焊球變硬的影響。試驗顯示，打火電流增加（太大）可導致焊球硬度增加；
⑵ 在通常情況下，銅絲的打火成球設置在第1焊點位置的上方進行，而不是在第2焊點后的位置上，以便盡可能的縮短成球至焊接的時間，防止球表面降溫硬化。適當降低球焊接觸時超聲能量，同時相對加大熱焊接壓力，使焊接在低超聲能量下達到銅絲球焊工藝要求，以避免鍵合區鋁層彈坑風險的發生；
⑶ 第2鍵合點（楔形焊接）是銅絲鍵合質量狀況的一個挑戰，同時它的焊接好壞及形態也直接影響到第1焊點時的成球質量和球焊質量。由于銅絲的硬度比金高，第2鍵合期間要加以更大一點的超聲能量、焊接壓力和長一些的焊接時間。以提高框架上的引線焊接穩定、可靠性和保證第1焊點成球的一致性；
⑷ 在框架的第二焊點產生線尾的時候可能也會有一些問題，在大線徑（＞30um）的可能會穩定些，但小線徑(≤25um)的可能會有一些不一致性的線尾發生。這些現象可能跟銅線的大結晶顆粒相關，金線具有較小的微米級延展顆粒，銅線只是大幾微米而已。細線徑的銅線具有較少的顆粒，它的拉力強度更依賴于晶粒排列走向而有別于大線徑的銅線，從而導致線的變形，強度和線尾的不穩定性，也同時影響了第二焊點的尺寸大??；因為，框架的第二焊點成型將依賴于許多不同取向的大顆粒，從而影響了拉力強度，有時還導致第二焊點的不一致性。不同長短的線尾可能來自于不同行為的銅線拉扯，從而導致在下一個空氣球時產生小球。
⑸ 銅絲壓焊工藝參數與金線相比較最大的變化是加大了焊接壓力（contact force）,以增加其可焊性。同時，為了減小彈坑風險，銅球打下去的深度，一般不要超過鋁層厚度的一半為好。建議：通常1mil以下銅絲采用低功率（ow-power）模式，1.2mil以上的銅絲才采用高功率（High-power）模式進行。
7、銅絲對生產效率和產品質量的影響：
⑴ 產能相對較低，銅絲硬度要高于金線，壓焊過程中斷絲幾率和不粘結現象相對增大，考慮到可焊性能等因素，銅絲壓焊速度要相對較慢，正常情況下設備利用率降低15-20%左右。
⑵ 偏心球、燒球不良（高爾夫球）產生較多銅絲第二焊點（2nd）切線稍有異常，將直接影響第一焊點（1st）的燒球。氣體保護范圍太小或框架、夾具異常均會對第一焊點的燒球產生影響。所以，在出現以上現象時首先要排除硬件原因，然后再考慮從參數設置方面解決。
⑶ 不粘結產生頻繁由于銅絲的特殊性，鍵合過程中不粘結現象較為嚴重，在銅絲鍵合過程中出現不粘結，應從以下方面解決：
a、要保證拆封的銅絲無氧化、沾污，拆封后的銅絲要在48小時內用完；
b、夾具表面平整光滑，載體無松動；
c、保證燒球時氣體保護良好；
d、裝片平整，膠量充足，固化焊接溫度均勻、牢固；
e、劈刀選用合理；
f、設備參數調整合適。
⑷ 彈坑風險增加由于銅絲硬度要高于金線，且容易產生氧化，彈坑風險幾率大大增加。為了減小銅絲彈坑風險，需從以下幾方面加以解決：
a、配備專人每班應做例行彈坑驗證，包括更換品種、夾具和設備維修后；
b、加強過程控制。在更換不同批號銅絲、劈刀或修改EFO參數后必須做彈坑試驗；
c、對一些硬件如氣嘴、流量（保護氣體）、夾具、壓縮空氣等每班最少進行一次檢查。同時提醒操作員隨時檢查；
ｄ、一般對鋁層的厚度要比較厚一些。實際工藝中可參考以下鍵合銅絲線徑和所需要的最小芯片鋁層厚度及金屬化成分：線徑（mil）  公制（μm）  最小鋁層厚度（μm） 金屬化成分
⑸ 球焊點熱老化失效
a、鍵合過程把銅絲打在軟的、簿的鍵合區鋁金屬層上，銅材料的硬度能夠導致鍵合區彈坑和鍵合區開裂失效模式出現。由于這種破壞作用，在鍵合區下鋁金屬層的變薄也會導致熱老化失效。
b、通過試驗發現銅球焊點在185℃老化800小時后焊點界面上會出現金屬間化合物。金屬間化合物的出現會導致接觸電阻的變大和物質性能脆化及焊接力減小的現象，厚度超過2μm時將會失效。通常情況下，焊接良好的銅球焊點界面金屬間化合物生長速度很慢，形成這么厚的金屬間化合物很難。但銅絲表面氧化而焊接不良時則容易在界面產生金屬間化合物，且隨溫度和時間增加而導致界面性能的較大變化，嚴重時即可出現失效。
總之，采用銅絲鍵合需要考慮的問題如下：
⑴ 混合氣體保護及屏蔽，即氣體的組分、流速、屏蔽區域和噴嘴設計；
⑵ 銅線的使用壽命（包括焊線機上的時間）；
⑶ 關鍵鍵合參數，包括鍵合和接觸功率/力/時間，通常情況下這些參數在球鍵和第二熔合線焊點都需要增加；
⑷ 很好地確定待機功率，以提高球焊的鍵合質量，減少發生鍵合彈坑的可能性；
⑸ 焊線方向上的最佳待機功率和垂直方向上摩擦也將有助于獲得優良、牢固焊接形狀和良好的拉力強度；
⑹ 相對于金線鍵合，銅線鍵合中的焊接劈刀需要更堅固的質地材料和相適應的型號尺寸要求；
⑺ 適當增加芯片電極鋁層厚度可以改善焊接不粘問題和避免芯片的損傷；
⑻ 在第一球焊點面積許可的前提下，適當選用粗一些的銅線，以提高第二焊點產生線尾的一致性、穩定性，降低接下來打火成球大?。ㄐ∏颍┎痪默F象，改善鍵合質量；
⑼ 銅絲對于預鍍框架的第2鍵合點需要更長的鍵合時間和大的待機功率來提高第二鍵合期間的引線穩定性。
一、CU線焊接操作規程要則：
實際上，AU線作為成熟的使用材料,其焊接過程已呈規范化程序化。CU線作為一種新興的代替材料，為達到滿意的使用效果，與AU線相比，其在焊接過程中需注意以下的一些操作細則：
1．主要指標：焊接參數增加,超聲功率增加(有時球焊時需減少),焊接時間延長。具體參數要通過反復工藝試驗和老化試驗來確定。
2、加熱溫度：大于等于280℃（AU線為225℃）。
3、焊接方式：采用S.P型焊接,即CU線為(-)極。S.P型的焊接能夠保證CU球全部熔化,并使CU球的中心HV值更低。
4、熱劈刀頂：劈刀需加熱到150℃,目的是降低CU球的變形阻力,使Si片不受損害。
5、Al墊片的硬度：CU球硬度要求相對較高，努氏硬度取值HK=45，這樣可以防止粘附，并達到相應的材質要求（AU球的硬度要求為HK=35）。
6、劈刀材料的選用：劈刀材質選用陶瓷,這比選用其它材料效果更好（納米陶瓷效果更佳）。
7、脈沖范圍：在使用脈沖發生器時,其脈沖值以28到50個脈沖為宜，這樣形成的CU球大而且圓度好。
8、氣體保護：CU球焊采用90～95%N2+5～10%H2成份的保護氣體，這樣能使CU線焊象AU線焊一樣形成球型,且不產生氧化物，同時具有更好的球剪切力強度；試驗表明：a、氣體流速成范圍在0.6升/分和1.0升/分內時球剪切力沒有明顯的不同；b、混合氣體屏蔽噴嘴高度范圍為0.3-1.3m，并使氣流勻速噴射到正在形成的焊球周圍,這樣可以降低氣流的影響及減少氣體的使用,并能令焊球大小均勻；c、保護氣體加熱到150-170℃更利于CU線的焊接。
9、放電要求：銅線接地,讓一個高的正電加在打火桿上,打火桿電極是水平放置,打火桿與線之間放電,放電穩定。
10、增加保護層：CU線的硬度高,當CU合金與鍍A1層連接時,它非常影響到其球焊的過程,導致鍍層的損傷(呈火山口或臂開)。問題的解決方法通常是增加焊接層的厚度，或鍍層下面加保護層(最通常是TiW),大多數是兩種辦法都采用.即增加厚度和加保護層。
11、焊接條件實例：不同廠家型號的設備焊接條件設置各異。
12、銅絲對于預鍍框架的第2鍵合點需要更長的鍵合時間和大的待機功率來提高第二鍵合期間的引線穩定性。如：NiPdAu預鍍框架要求鍵合時間在15-20msec,待機功率大于50mw。
二、壓焊（WB）工藝還與很多內外在因素的關系：
⑴ 執行的產品標準。如要求的耐壓、耐流等。決定了焊線（如金絲、銅絲）的選用及焊接后的拉力、結合力；
⑵ 設備的差異。將導致工藝過程中進行參數設置的調整。實際上不同的設備在做同一產品時。WB工藝差別是非常大的；
⑶ 材料的差異。如框架銀層、芯片鋁層、焊線的材料差異。要針對不同生產材料在實際調試中要進行不同的改變；
⑷ 配件的差異。如劈刀。不同廠家、型號的劈刀差異較大。對于資深工程師來說十分清楚，必須區別對待，調整設備參數；
⑸ 業界習慣。有些工藝要求的范圍是比較大，但工程人員在實際工作中往往在滿足產品要求的同時，按照之前的經驗或習慣來確定具體的工藝參數，比如對劈刀的使用壽命的規定等；
⑹ 工作環境等因素的影響。比如北方冬天零下20度左右，而南方還在零上15左右，這樣的差異對材料、設備參數的調整都是有一些影響的。

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