銅線與載板焊墊的打線方法及其結構的製作方法

2023-10-08 04:23:14 1

專利名稱：銅線與載板焊墊的打線方法及其結構的製作方法
技術領域：
本發明是有關於一種銅線與載板焊墊的打線方法及其結構，特別是有關於一種在 載板焊墊表面設有熔點較低的錫層以便與銅線進行打線結合及潤溼結合的打線方法及其 結構。
背景技術：
現有集成電路(IC)封裝製造過程中，大多是以金線(gold wire)連接晶片與載 板，但相較於金線，銅線(copper wire)具有低成本的優勢且具有較佳的導電性、導熱性及 機械強度，故銅製焊線的線徑可設計得更細且可提供較佳的散熱效率，因而目前有一研發 趨勢是以銅線逐漸取代傳統金線將其應用於半導體晶片的打線(wire bonding)工藝中。請參照圖1所示，現有銅線的打線(wire bonding)工藝包含的步驟為首先， 提供一晶片11及一載板12，所述晶片11具有數個接墊111，所述載板12具有數個焊墊 121，所述載板12承載所述晶片11，所述焊墊121的表面可能預先設有一助焊層122，例 如鎳金(Ni/Au)複合層、鎳鈀金(Ni/Pd/Au)複合層、銀層或有機可焊性保護層(organic solderability preservative, 0SP)等；接著，通過一焊針13將一銅線14以電子點火方式 處理以形成一結球端141 (即第一端)，並利用所述焊針13將所述結球端141熱壓結合在所 述晶片11的接墊111上；之後，移動所述焊針13以引導所述銅線14至所述載板12的對應 焊墊121上方；最後，利用所述焊針13將所述銅線14熱壓合扯斷於所述焊墊121上而形成 一尾端142(即第二端)。在上述打線期間，當所述銅線14形成所述結球端141時，所述焊 針13是以一垂直向的壓合力撞擊所述接墊111，再以橫向的拉力引導所述銅線14，而使所 述銅線14呈弧形，最後再扯斷所述銅線14形成所述尾端142。在完成打線後，上述打線後的半成品必需進一步放入一封膠模具的模穴(未繪 示)中以進行封膠(molding)作業，因此所述銅線14必需具備有相當的抗拉強度(tensile strength)，以避免在封膠時受到模穴內流動的膠體的推動(即模流動作)而造成所述銅 線14的偏移而接觸相鄰的其他銅線14，也就是造成所謂的衝線及短路等缺陷。因此，所述 結球端141必需穩固的結合在所述接墊111以及所述尾端142必需穩固的結合在所述焊墊 121，如此才能使所述銅線14具備足夠的抗拉強度。然而，當對上述打線後的半成品進行拉 線測試分析時，通常可發現大多數拉斷位置發生在所述尾端142與焊墊121的結合處。因 此，可推知雖然所述焊墊121的表面設置所述助焊層122可提高可焊接性，但對於所述尾端 142與焊墊121的結合強度沒有明顯助益，而且所述助焊層122的材料成本偏高。為了改善 此問題，當利用所述焊針13將所述銅線14熱壓合扯斷於所述焊墊121上形成所述尾端142 時，業者通常增加所述焊針13與所述銅線14的熱壓合時間或於壓合時利用超音波震蕩反 復摩擦所述銅線14與所述助焊層122，使所述尾端142能以較大熱壓合面積來穩固結合於 所述焊墊121上，以提供較高的結合強度。然而，上述第二端打線動作的改良卻也增加整體 打線時間，因而不利於提高每小時產出量(unit per hour，UPH)。此外，由於封膠作業時的 膠體含有具腐蝕性的成份(如氯化物的氯離子)，因此所述銅線14的尾端142因熱壓合而破壞的較薄表面結構容易受上述腐蝕成份侵蝕而氧化或氯化鏽蝕，其將會影響打線接合的 質量(quality)與訊號傳輸的雜訊比。故，有必要提供一種銅線與載板焊墊的打線方法及其結構，以解決現有技術所存 在的問題。

發明內容本發明的主要目的在於提供一種銅線與載板焊墊的打線方法及其結構，其是在載 板焊墊表面設有熔點較低的錫層，並在銅線打在錫層後進一步加熱錫層來形成潤溼結合 部，以增加銅線尾端與載板焊墊的結合強度，因而有利於提高銅線打線接合的可靠度及良 品率(yield)。本發明的次要目的在於提供一種銅線與載板焊墊的打線方法及其結構，其是在載 板焊墊表面設有熔點較低的錫層，錫的材料成本相對低於現有鎳金複合層、鎳鈀金複合層、 銀層或有機可焊性保護層等助焊層的材料成本，因而有利於降低載板焊墊表面處理的材料 成本。本發明的另一目的在於提供一種銅線與載板焊墊的打線方法及其結構，其利用錫 層本身及其形成的潤溼結合部來包覆保護銅線熱壓合形成的尾端，以避免銅線的尾端受到 封膠作業時的膠體侵蝕，因而有利於提高銅線打線接合的抗蝕性、結合穩定性及打線接合質量。為達成本發明的前述目的，本發明提供一種銅線與載板焊墊的打線方法，其特徵 在於所述打線方法包含將一銅線熱壓合接合至一載板的一焊墊，以形成一接合界面，所 述焊墊包含一錫層位於所述焊墊的最外層；將所述銅線扯斷，而使所述銅線在所述錫層位 置留下一尾端；以及，加熱所述錫層，使所述錫層的表面延伸形成一潤溼結合部來包覆所述 銅線的尾端。再者，本發明提供另一種銅線與載板焊墊的打線結構，其特徵在於所述打線結構 包含一載板，具有至少一焊墊，所述焊墊的最外層各具有一錫層；以及，至少一銅線，各具 有一尾端，所述尾端熱壓合接合於所述錫層，以形成一接合界面；其中所述錫層的表面在與 所述銅線的尾端的接觸位置延伸形成一潤溼結合部。在本發明的一實施例中，所述錫層的厚度大於10微米(um)。在本發明的一實施例中，所述接合界面形成於所述尾端與所述錫層之間，如所述 銅線的尾端結合在所述錫層的內部。在本發明的一實施例中，所述錫層的厚度小於10微米。在本發明的一實施例中，所述焊墊包含一金屬底層，所述金屬底層至少部分被所 述錫層覆蓋，所述接合界面形成於所述尾端與所述金屬底層之間，即所述銅線的尾端通過 所述錫層並結合在所述金屬底層的表面。在本發明的一實施例中，在將所述銅線熱壓合接合至所述錫層之前，另包含將一 晶片固定到所述載板上；將所述銅線以電子點火方式處理以形成一結球端，並將所述結球 端熱壓接合在所述晶片的一接墊上；以及，將所述銅線移動至所述載板的焊墊的錫層位置 上方。在本發明的一實施例中，所述晶片固定到所述載板時的環境溫度為25V。
在本發明的一實施例中，所述銅線進行熱壓合接合或扯斷時的環境溫度為介於 150至200°C之間。在本發明的一實施例中，加熱所述錫層的溫度大於230°C。在本發明的一實施例中，所述金屬底層的材料選自銅、金、銀或其合金。在本發明的一實施例中，在形成所述潤溼結合部之後，另包含利用一膠體封裝包 覆所述銅線、所述潤溼結合部、所述錫層以及所述載板的部分表面。 在本發明的一實施例中，所述膠體另封裝包覆所述結球端、所述接墊及所述晶片。在本發明的一實施例中，利用所述膠體進行封裝包覆的溫度為介於150至200°C 之間。在本發明的一實施例中，所述錫層的材質是純錫或錫合金。在本發明的一實施例中，所述載板是封裝基板或導線架。

圖1是一現有銅線的打線工藝的示意圖。圖2是本發明第一實施例銅線與載板焊墊的打線方法及其結構的示意圖。圖2A是本發明圖2的局部放大示意圖。圖3是本發明第二實施例銅線與載板焊墊的打線方法及其結構的示意圖。圖3A是本發明圖3的局部放大示意圖。
具體實施方式為讓本發明上述目的、特徵及優點更明顯易懂，下文特舉本發明較佳實施例，並配 合附圖，作詳細說明如下請參照圖2及2A所示，本發明第一實施例的銅線與載板焊墊的打線方法及其結構 主要可應用於各種需要使用打線接合(wire bonding)工藝的集成電路(IC)封裝製造過程 中，且本發明特別使用銅線(copper wire)，以提供低成本的優勢、較佳的導電性、導熱性及 機械強度，且銅線的線徑也可設計得更細且可提供較佳的散熱效率。本發明第一實施例的 銅線與載板焊墊的打線方法主要包含的步驟為將一銅線2熱壓合接合至一載板3的一焊 墊31，以形成一接合界面32，所述焊墊31包含一錫層312位於所述焊墊31的最外層；將 所述銅線2扯斷，而使所述銅線2在所述錫層312位置留下一尾端22 ；以及，加熱所述錫層 312，使所述錫層312的表面因潤溼作用而延伸形成一潤溼結合部33來包覆所述銅線2的 尾端22。請參照圖2所示，本發明第一實施例的銅線與載板焊墊的打線方法首先將一銅線 2熱壓合接合至一載板3的一焊墊31，以形成一接合界面32，所述焊墊31包含一錫層312 位於所述焊墊31的最外層。在本步驟中，本發明可利用現有打線接合工藝使用的焊針(未 繪示，如圖1所示)來供應所述銅線2，所述焊針能以電子點火方式處理所述銅線2，使所述 銅線2受熱軟化熔化，並同時將所述銅線2熱壓合接合至所述載板3表面的焊墊31的錫層 312內部，使所述接合界面32形成於所述尾端22與所述錫層312之間，其中所述銅線2進 行熱壓合接合時的環境溫度為介於150至200°C之間。在本實施例中，所述載板3是一封裝 基板(substrate)，例如單層或多層的印刷電路板。所述載板3的表面具有數個焊墊31，每一所述焊墊31各在一一金屬底層311上預先利用電鍍、無電電鍍(electroless plating) 或印刷(printing)等方式形成所述錫層312，必要時，所述載板3的表面可設計成具有一微 小凹陷容置空間，以供依序形成所述金屬底層311及錫層312，並使所述錫層312的表面與 所述載板3的表面齊平。所述錫層312的厚度是設計成大於10微米(um)，例如15微米、20 微米、25微米、50微米或100微米等。所述焊墊31的金屬底層311的材料通常為銅、金、銀 或其合金。所述錫層312的材料為純錫(Sn)或其合金，例如錫銀合金或錫銀銅合金等。所 述錫層312的硬度低於所述焊墊31的金屬底層311的材料的硬度，因此所述銅線2能輕易 結合至所述錫層312內部。在本實施例中，所述錫層312具有足夠厚度，且所述銅線2僅需 結合至所述錫層312的某一內部位置，而不需進一步向下接觸所述焊墊31的金屬底層311 的表面。此外，在某些實施方式中，所述載板3亦可能選自導線架(leadframe，未繪示)，此 時所述載板3表面的焊墊31的金屬底層311是指數個內引腳的上表面，每一所述焊墊31的 金屬底層311上皆預先利用電鍍、無電電鍍(electroless plating)或印刷(printing)等 方式形成所述錫層312。必要時，所述內引腳的上表面可設計成具有一微小凹陷容置空間， 以供形成所述錫層312，並使所述錫層312的表面與所述載板3的表面齊平。另外，在將所述銅線2熱壓合接合至所述錫層312之前，本發明另可預先進行下述 步驟將一晶片4固定到所述載板3上；將所述銅線2以電子點火方式處理以形成一結球 端21，並將所述結球端21熱壓接合在所述晶片4的一接墊41上；以及，將所述銅線2移動 至所述載板3的焊墊31的錫層312位置上方。上述將所述晶片4固定到所述載板3時的 環境溫度約為室溫(25°C )。所述晶片4的一有源表面(active surface)朝上，所述有源 表面設有數個所述接墊41。所述晶片4的一背面(active surface)朝下，並利用液態膠 (adhesive)或粘貼膠片(film)固定到所述載板3上。所述結球端21的製作方式則可參考 上文對圖1現有銅線打線工藝的相關說明。請參照圖2及2A所示，本發明第一實施例的銅線與載板焊墊的打線方法接著將所 述銅線2扯斷，而使所述銅線2在所述錫層312位置留下一尾端22。在本實施例中，由於所 述錫層312的硬度低於所述焊墊31的金屬底層311的材料(例如銅)的硬度，因此所述銅 線2能輕易插伸到所述錫層312內部。再者，由於所述錫層312具有足夠厚度(大於10微 米)，因此所述銅線2僅需結合至所述錫層312的某一內部位置，使所述接合界面32形成於 所述尾端22與所述錫層312之間，而不需進一步向下接觸所述焊墊31的金屬底層311的 表面。因此，所述銅線2的尾端22是在所述錫層312的某一內部位置處被熱壓合扯斷，而 使所述尾端22位於且結合在所述錫層312的內部，其中所述銅線2進行熱壓合扯斷時的環 境溫度為介於150至200°C之間。所述尾端22的製作方式則可參考上文對圖1現有銅線打 線工藝的相關說明。在利用所述焊針(未繪示)扯斷所述銅線2而形成所述尾端22期間， 所述焊針的尖端可能同時在所述尾端22的上方造成所述錫層312形成一微小凹陷(未繪 示)，此微小凹陷將利用下述步驟加以修補及強化。請參照圖2及2A所示，本發明第一實施例的銅線與載板焊墊的打線方法接著加熱 所述錫層312，使所述錫層312的表面延伸形成一潤溼結合部33來包覆所述銅線2的尾端 22。在本步驟中，本發明可以先將上述銅線2打線作業後的半成品移至另一高溫烘烤爐中， 再利用大於230°C的溫度來加熱所述錫層312。或者，亦可能在同一打線機臺位置上直接進一步提高上述銅線2打線作業時的環境溫度使其大於230°C，以加熱所述錫層312。由於純 錫的熔點約為232°C，因此上述加熱溫度足以使所述錫層312的表面軟化熔化，並使錫材流 動填補所述焊針尖端所造成的微小凹陷。接著，由於所述尾端22上方的銅線2在原微小凹 陷的位置處接觸所述錫層312的熔融表面，因此錫材將因潤溼作用而沿著所述銅線2的表 面向上攀附一小段距離。同時，由於表面張力而使所述銅線2周遭的錫材也跟著向上突起， 並至少高於所述錫層312原先表面的水平高度。攀附所述銅線2以及向上突起的錫材部份 是呈不規則狀，此不規則狀的突起部分則稱為一潤溼結合部33。本發明形成所述潤溼結合部33的優點在於所述潤溼結合部33不但能填補所述 焊針尖端所造成的微小凹陷，而且更能增加所述錫層312與所述銅線2的接觸面積。因此， 所述銅線2在形成所述尾端22時，並不需要增加所述焊針熱壓合扯斷所述銅線的時間或連 續動作次數，而是直接利用所述錫層312的潤溼結合部33來使所述尾端22能以較大接觸 面積來穩固結合於所述焊墊31上方，以提供較高的結合強度。連帶的，本發明將可簡化所 述銅線2的第二端(即所述尾端22)的打線作業，進而增加打線期間的時間效率。再者，由 於所述錫層312的材料成本相對低於現有鎳金複合層、鎳鈀金複合層、銀層或有機可焊性 保護層等助焊層的材料成本，因而本發明亦有利於降低對所述載板3的焊墊31進行表面 處理的材料成本。並且，由於銅與錫很容易通過離子交換形成中介金屬層antermetallic Compound, IMC)，可進一步增加所述接合界面32的接合強度。此外，本發明第一實施例在形成所述潤溼結合部33之後，另可進一步進行下列步 驟利用一膠體(未繪示)封裝包覆所述銅線2、所述結球端21、所述接墊41、所述晶片4、 所述潤溼結合部33、所述錫層312以及所述載板3的部分表面，因而構成一半導體封裝構造 的成品。上述利用所述膠體進行封裝包覆的溫度優選為介於150至200°C之間，例如175°C 等。在利用所述膠體進行封裝期間，本發明可利用所述錫層312本身及其形成的潤溼結合 部33來包覆保護所述銅線2熱壓合形成的尾端22，以避免所述銅線2的尾端22受到封膠 作業時的膠體所含的腐蝕成份侵蝕，因而有利於提高所述銅線2打線接合的抗蝕性、結合 穩定性及打線接合質量。惟，對某些封裝產品而言，其可能採用其他外殼進行封裝而不需利 用膠體進行封裝包覆所述銅線2、所述結球端21、所述接墊41、所述晶片4、所述潤溼結合部 33及所述錫層312等部位，此類封裝產品例如為氣密式(hermetic)封裝構造或光學晶片封 裝構造等。請參照圖3及3A所示，本發明第二實施例的銅線與載板焊墊的打線方法及其結構 相似於本發明第一實施例，但第二實施例的差異特徵在於所述第二實施例的所述焊墊31 的錫層312的厚度小於10微米(um)，例如3微米、5微米或8微米等。所述焊墊31包含一 金屬底層311，所述金屬底層311至少部分被所述錫層312覆蓋。由於所述錫層312的厚 度較小，因此所述接合界面32形成於所述銅線2的尾端22與所述金屬底層311之間，即所 述銅線2的尾端22整個通過所述錫層312，並結合在所述焊墊31的表面上。如圖2A及3A 所示，在本發明中，不論所述錫層312的厚度大於或小於10微米，所述銅線2的尾端22的 水平高度皆低於所述錫層312的表面高度，且所述尾端22及其上方一小段銅線2皆會受到 所述潤溼結合部33的包覆保護，並同時增加接觸面積及結合強度。如上所述，相較於圖1現有銅線打線工藝通常增加所述焊針13扯斷所述銅線14 的熱壓合時間或連續動作次數，使所述尾端142能以較大熱壓合面積來穩固結合於所述焊墊121上，卻也造成增加整體打線時間而不利於提高每小時產出量等缺點，圖2及3A的本 發明是在所述載板3的焊墊31表面設有熔點較低的所述錫層312，並在所述銅線2打在所 述錫層312後進一步加熱所述錫層312來形成所述潤溼結合部33，以增加所述銅線2的尾 端22與所述載板3的焊墊31之間的結合強度，因而有利於提高所述銅線2打線接合的可 靠度及良品率(yield)。再者，由於所述錫層312的材料成本相對低於現有助焊層的材料成 本，因而本發明亦有利於降低對所述載板3的焊墊31進行表面處理的材料成本。另外，在 利用膠體進行封裝期間，本發明可利用所述錫層312本身及其形成的潤溼結合部33來包覆 保護所述銅線2熱壓合形成的尾端22，以避免所述銅線2的尾端22受到膠體所含的腐蝕成 份侵蝕，因而有利於提高所述銅線2打線接合的抗蝕性、結合穩定性及打線接合質量。
本發明已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明的範例。 必需指出的是，已公開的實施例並未限制本發明的範圍。相反地，包含於權利要求書的精神 及範圍的修改及均等設置均包括於本發明的範圍內。
權利要求
1.一種銅線與載板焊墊的打線方法，其特徵在於所述銅線與載板焊墊的打線方法包含將一銅線熱壓合接合至一載板的一焊墊，以形成一接合界面，所述焊墊包含一錫層位 於所述焊墊的最外層；將所述銅線扯斷，而使所述銅線在所述錫層位置留下一尾端；以及加熱所述錫層，使所述錫層的表面延伸形成一潤溼結合部來包覆所述銅線的尾端。
2.如權利要求1所述的銅線與載板焊墊的打線方法，其特徵在於所述錫層的厚度大 於10微米，所述接合界面形成於所述尾端與所述錫層之間。
3.如權利要求1所述的銅線與載板焊墊的打線方法，其特徵在於所述錫層的厚度小 於10微米，且所述焊墊包含一金屬底層，所述金屬底層至少部分被所述錫層覆蓋，所述接 合界面形成於所述尾端與所述金屬底層之間。
4.如權利要求3所述的銅線與載板焊墊的打線方法，其特徵在於所述金屬底層的材 料選自銅、金、銀或其合金。
5.如權利要求1所述的銅線與載板焊墊的打線方法，其特徵在於加熱所述錫層的溫 度大於230°C。
6.如權利要求1所述的銅線與載板焊墊的打線方法，其特徵在於在將所述銅線熱壓 合接合至所述錫層之前，另包含將一晶片固定到所述載板上；將所述銅線以電子點火方 式處理以形成一結球端，並將所述結球端熱壓接合在所述晶片的一接墊上；將所述銅線移 動至所述載板的焊墊的錫層位置上方；以及，在形成所述潤溼結合部之後，利用一膠體封裝 包覆所述銅線、所述潤溼結合部、所述錫層以及所述載板的部分表面。
7.一種銅線與載板焊墊的打線結構，其特徵在於所述銅線與載板焊墊的打線結構包含一載板，具有至少一焊墊，所述焊墊的最外層各具有一錫層；以及 至少一銅線，各具有一尾端，所述尾端熱壓合接合於所述錫層，以形成一接合界面； 其中所述錫層的表面在與所述銅線的尾端的接觸位置延伸形成一潤溼結合部。
8.如權利要求7所述的銅線與載板焊墊的打線結構，其特徵在於所述錫層的厚度大 於10微米，所述接合界面形成於所述尾端與所述錫層之間。
9.如權利要求7所述的銅線與載板焊墊的打線結構，其特徵在於所述錫層的厚度小 於10微米，且所述焊墊包含一金屬底層，所述金屬底層至少部分被所述錫層覆蓋，所述接 合界面形成於所述尾端與所述金屬底層之間。
10.如權利要求9所述的銅線與載板焊墊的打線方法，其特徵在於所述金屬底層的材 料選自銅、金、銀或其合金。
全文摘要
本發明公開一種銅線與載板焊墊的打線方法及其結構，其是在載板焊墊表面設有熔點較低的錫層，並在銅線打在錫層後進一步加熱錫層來形成潤溼結合部，以增加銅線尾端與載板焊墊的結合強度，因而有利於提高銅線打線接合的可靠度及良品率。再者，錫層的材料成本相對低於現有助焊層的材料成本，因而也有利於降低載板焊墊表面處理的材料成本。
文檔編號H01L21/60GK102097343SQ20091020111
公開日2011年6月15日 申請日期2009年12月15日 優先權日2009年12月15日
發明者史海濤, 周若愚 申請人:日月光封裝測試(上海)有限公司