铜基键合丝成球质量及键合工艺研究
摘要
随着国内外高集成、小型化、高性能智能电子产品的快速发展，微电子封装
技术对高性能键合丝的需求越来越高。而键合丝产业作为微电子封装及通信半导
体的重要支柱性产业，高性能键合丝也发挥着越来越重要的作用。铜基键合丝因
其低成本和键合高可靠性的特点，使其应用范围愈加广泛。但目前铜基键合丝面
临工艺不成熟和铜资源浪费严重的窘境，使铜基键合丝的发展与应用均受到极大
的限制。
本文主要对半导体功率器件中铜基键合丝成球质量及键合工艺的可靠性进
行研究，重点研究了铜基键合丝键合成球质量与铜基芯片焊盘的键合强度之间的
联系。主要涉及键合丝在键合过程中的成球（freeairball，FAB又称成球）环节，
论文针对该环节主要研究了包括：成球电流、成球时间、成球过程中保护气体流
速、尾线长度及电火花打火（electronicflameoff，简称EFO）间距，对
YC2/YC2A/YC3A三种型号的纯铜及铜合金键合丝和YCP镀钯铜基键合丝成球
质量和键合强度的影响。也进一步分析了纯铜及铜合金键合丝和镀钯铜基键合丝
在成球及键合方面存在的差异，并对上述差异的机理进行分析。
研究表明，成球时间和成球电流的增加会导致成球直径增加，同时也会导致
成球圆度和成球偏置角度增加。尾线长度和EFO间距对成球半径影响较小，主
要会导致成球偏置角度过大，且上述两个实验影响因素对键合丝成球质量的影响
作用相反。而保护气体流速对键合丝成球影响最小，但是随着保护气体流速的增
加，成球表面质量会下降，同时成球内部气孔的含量会逐渐增加。不同实验影响
因素对键合丝成球质量的影响，均会对键合强度造成影响。通过实验设计对成球
质量及其键合强度进行研究，并将得到的实验结果进行比对，确定较为合适的成
球参数。而镀钯铜基键合丝由于表面钯层的包覆作用，使其成球质量明显高于纯
铜及铜合金键合丝的成球质量。不同成球参数对成球质量的影响由大到小的顺序
依次为：成球时间和成球电流、EFO间距和尾线长度、保护气体流速。
文章研究了氧化对键合丝成球及键合的影响。结果表明，氧化会导致铜基键
合丝力学性能下降，且会导致镀钯铜键合丝钯层剥落，进而导致成球质量和键合
强度均有所下降。实验进一步通过调节键合时间、键合压力以及超声功率，来校
正键合丝由于参数设置差异或者氧化而导致的成球质量不佳导致键合强度下降
的问题，从而有效降低材料的损耗。其中成球圆度不佳可通过调节键合压力保证
I
哈尔滨工程大学硕士学位论文
其键合可靠性，成球偏置角度过大及键合丝氧化导致成球质量下降，可分别通过
控制键合时间及键合超声功率进行键合校正，从而保证成球质量不佳的键合强度。
关键字：键合丝成球；工艺优化；键合强度；失效分析；键合丝氧化
II
铜基键合丝成球质量及键合工艺研究
Abstract
Withtherapiddevelopmentofhighlyintegrated,miniaturizedand
high-performanceintelligentelectronicproductsathomeandabroad,thedemandfor
high-performancebondingwiresinmicroelectronicpackagingtechnologyis
increasing.Andbondingwireindustryaswillalsobeasmicroelectronicspackaging
andsemiconductorinformationsociety,animportantpillaroft