一文了解銅球鍵合技術演進

相較于傳統的金（Au）絲鍵合，銅（Cu）絲憑借其卓越的電導率、熱導率、抗電遷移能力及顯著的成本優勢，逐漸成為先進封裝領域明星材料。【科準測控】持續關注鍵合技術的發展與進步，今天，跟隨小編一起，系統了解銅球鍵合技術的科學演進與產業化實踐過程。

1、 惰性氛圍控制與專用設備開發

銅在高溫下會快速氧化，如在鍵合過程中，通過電火花（EFO）熔絲成球的瞬間，后續熱超聲鍵合階段，銅球表面都容易形成氧化層，而這將嚴重劣化其潤濕性與變形能力，導致鍵合界面強度不足。因此，早期銅球鍵合研究主要聚焦于基礎工藝的可行性：

惰性氣氛下的成球控制：研究在氮氣（N?）或氬氣（Ar）保護下，EFO參數（電流、時間、波形）與保護氣體流量、純度對銅球形貌、表面潔凈度及一致性的影響規律。

可鍵合性窗口探索：系統分析在隔絕氧氣的環境下，鍵合溫度、超聲功率、壓力及時間等關鍵參數對Cu-Al界面初始結合強度（以剪切力、拉力為表征）的耦合作用。

芯片損傷機制與規避：鑒于銅材料硬度較高，探究鍵合能量傳遞至硅芯片導致的“彈坑”形成機理，并據此優化工藝參數，在確保鍵合強度與保護芯片完整性之間取得平衡。

這一階段的技術突破，直接驅動鍵合設備系統性革新。從早期對現有金絲鍵合機進行氣體密封改裝，到如今主流設備制造商推出全集成、自動化的專用銅絲鍵合機，這些專用設備集成了高精度氛圍控制系統、針對銅材料優化的EFO發生器及運動控制模塊，為產業化提供了穩定的裝備基礎。

二、界面反應動力學與可靠性物理

當工藝氛圍與設備瓶頸得以解決，決定鍵合點長期可靠性的微觀界面問題便成為核心研究焦點。鋁焊盤與銅球在熱與超聲能量作用下發生互擴散，并遵循Al-Cu二元相圖，傾向于形成一系列富銅側的金屬間化合物，如AlCu、Al?Cu、Al?Cu?、Al?Cu?等。這些IMCs具有獨特的晶體結構，其電學、力學及熱學性質與母材差異顯著。

Al-CU二元相圖（AICu40、AICu50）

這種多IMC相共存的界面結構與Au-Al鍵合系統失效（如“紫斑”、“白斑”現象）具有高度相似性。在Au-Al界面，多種IMC的生成及其伴生的柯肯達爾空洞、熱膨脹失配等問題，常導致電阻升高和脆性斷裂。因此，大量研究對Cu-Al與Au-Al系統進行了對比分析，重點關注：

反應動力學差異：Cu-Al IMCs的生長速率、激活能及序列形成規律與Au-Al系統不同，通常需要更高的溫度或更長的老化時間才能形成顯著厚度的IMC層。

微觀結構與失效機制：不同Cu-Al IMCs的形貌、分布及其界面處的應力狀態，如何影響微裂紋的萌生與擴展；電流負載下電遷移行為在Cu-Al界面的具體表現形式。

工藝-結構-性能關聯：初始鍵合參數如何影響第一IMC相的形核與生長，進而決定老化后界面結構的演變路徑。

三、精準工藝控制與高可靠性評估

早期研究多集中于實現初始鍵合，而一個真正“牢固的Al焊盤鍵合”，必須能夠在高溫存儲、溫度循環、高電流負載等嚴苛條件下，保持界面的電學與機械完整性。這要求技術研究向更深層次發展：

精細化工藝窗口界定：超越“可鍵合”范圍，界定出能形成最優初始IMC結構（如連續、均勻、厚度適中）的工藝參數空間。

界面演化預測與監控：建立基于物理模型的IMC生長動力學方程，并結合科準測控倡導的高精度微觀分析技術（如掃描電子顯微鏡、能譜分析），實現對界面老化狀態的定量評估與預測。

失效物理模型構建：建立IMC厚度、空洞率、相組成與鍵合點電阻、機械強度退化之間的定量關聯模型，為可靠性標準制定提供科學依據。

以上就是銅球鍵合的大致發展歷程，當前，雖然專用設備已為其規模化生產提供穩定保障，但在汽車電子、航空航天等高可靠性領域的全面應用，仍需提高對Al-Cu界面反應更深刻的理解與更精準的調控。科準測控Alpha-W260 半導體全自動推拉力測試機通過精準測量鍵合點老化前后的力學性能衰減，將Al-Cu界面金屬間化合物生長等微觀風險轉化為可量化的工程數據，為高可靠性應用提供關鍵的質量驗證手段。