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[轉貼] 銅線(Copper Wire)的一些特性 - Wire Bonding Process
! k& N9 U. W( O+ @) d" n, E- vApril 9, 2008 ' }1 d# } j; m" j( ?' h& M, |3 ^4 E' s
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9 A' v# z! [* Q* l- w5 a! w2 t' D" Q$ F銅線在Wire Bonding中已經出現許久了, 由於同時具有優勢與缺點, 目前尚未被善加利用, 但是未來必然會大規模的改成銅線Bonding.
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1 `1 W4 Q6 ?! gWire Bonding分為Wedge Bonding和Ball Bonding, 由於Wedge Bonding具有方向性, 且最低的DA Bondhead最多只能達到89度, 在速度上無法和Ball Bonding來比擬. 之所以能生存下來, 由於其Fine Pitch的能力還是較Ball Bonding高, 原因是因為不需生成銲球, 不會需要這麼大的pad面積. 但是速度上的需求, 使Ball Bonding是不可能被忽略, 也因此佔了市場的93%. 目前球銲最大的缺點, 在於使用的材料需要能夠被加熱, 產生銲球. 而鋁線非常不容易生成銲球, 因此長久以來都是使用”比較貴”的金線, ”比較貴”目前已經成長到”無法負擔的貴”了. (金價最高曾到1032 USD/oz, 今天也有912 USD/oz), 因此很多廠商都退而其次, 選用Wedge Bonding來用鋁線打線, 或者死撐著用金線, 但是最理想的還是換個較便宜的材料, 眾多學術研究(沒有出處, 因為是從大陸網站看到的)指出, 銅的工藝性能好, 價格便宜, 非常符合需求.
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好, 那好處在哪裡? 原因有五個, 以下將一一說明: A! E! E8 U8 H2 c6 y
O( b" V7 Q4 _* C8 f第一. 價格. 銅價目前58 USD/oz左右, 和金價差了十多倍, 就算做成Spool也要差上將近十倍價格, 雖然鋁的價格更為便宜(約20 USD/oz), 但是各種特性遠不及金和銅, 因此銅仍有其利基點.
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) E/ _% C& N, T( M& e7 {0 z+ R! H第二. 電學性能, 導電性來說, 銅在20度時為5.88 ohm^-1, 而金為4.55, 鋁為3.65, 銅的導電性較高, 表是相同直徑下的線可以運送更多電流. 電阻則是相反, 銅具有最低電阻. 銅的介電常數也比較低, 對於電流的遲滯效應較不顯著, 例於電荷輸送.- x! g* N; [, _/ |* [
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第三. 熱學性能, 也就是熱傳導係數比較下, 銅最高(39.4 kW/m2k), 由於復力葉定律, 熱通量等於熱傳導係數成上溫度梯度, 在溫度梯度相同下, 因為銅的熱傳導係數較高, 單位時間單位面積輸送的熱較大, 在電子產品越做越小, 越細微的情況下, 散熱是不可避免的一環, 銅在這塊就表現得很突出. (其實現在的散熱元件都很多都是是用銅作的), 另外, 銅的熱膨脹係數(CTE)也算低, 為16.5, 而金為14.2, 鋁為23.1, 受熱之後, 鋁的膨脹將最明顯.
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# [4 F" [. `* ~/ | j第四. 機械性能, 機械性能在材料中是很重要需要考慮的參數. 舉例而言, TS(Tensile Strength, 抗張強度)來說, 銅在每單位平方公厘可以抗張210~370N的強度, 而金最多為220, 鋁最多只到200, 在打線時, 因為打線機(Wire Bonder)會對線材做出拉動, 或looping的動作, 如果抗張強度不夠, 線材很可能會損壞. 另外, 銅的硬度(Vickers hardness)最高, 對於線材越細之表現良好, 壞處當然也有, 留在後面再提. 另外, 在Wire Bonding有一重要參數, 稱為Break Load(BL), 代表斷裂前的最大荷重, 銅的斷裂荷重在shear Test中, 一開始比金高出許多, 但是時間一久, 金反而比銅高了, 研究人員分析之後發現, 金的內部其實出現很多Kirkendall Void, 這種孔洞非常容易造成導電度下降, 因此在Shear Test還是銅較為良好. 另外一種BL的測試為Pull Test, 測試結果發現, 銅與金的差別不大, 但是在相同半徑情況下, 銅的BL還是較金為高.
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第五. 金屬間化合物之生成, 以往金材最為人詬病的是金屬間化合物的生成, 由於Bond Pad材質通常為鋁, 打金線後, 若是生成金屬間化合物, 將會減弱金鋁的鍵結. 實驗結果證明, 金於打線後一天, 就生成Au4Cl和Au2Cl, 厚達8um, 打線後4天更是生成Kirkendall Void. 而相同實驗條件下, 銅線於一天候沒有生成任何化合物, 16天後才生成非常薄的Cu/Al層, 128天之後, 僅生成約1um的金屬間化合物, 且完全沒有Kirkendall Void生成. 原因在於, 銅(1.9)的電負度和鋁(1.6)的差別比較小, 而金(2.5)和鋁的差別比較大, 電負度差大反應力越大, 且就原子半徑來看, 銅和鋁的差別較大, 較不易結合. 在比較不易生成金屬間化合物的情況下, 銅線的可信賴度比金線高的多.6 r7 {: v5 V/ b& `3 j5 q$ A
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但是缺點有兩點非常致命, 從1991年開始有人研發銅線的使用, 數十年來一直在對這兩點特性思考解決方法.
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9 S) @2 h' y# G9 K k" A+ [- H# y& p第一. 銅線在室溫下非常容易氧化, 生成CuO或Cu2O3, 除了考慮電負度的影響( Q1 i& D i; u: m' w$ @. E, P! u8 N
之外, 氧化還原電位(ORP)的比較下, 銅的氧化力比金大的多, 而金則是還原力大, 容易得電子, 不容易和氧作用提高氧化數. 一旦容易氧化, 產生的氧化層對於Bond的可信賴度就大大下降. 也因此銅線的(Shelf Life)存放時間也很短., s( f) y h& [2 {
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第二. 銅的硬度, 剛剛提到銅的機械性質非常良好, 由其是硬度為三種材料最高的, 但是硬度越大, 須要將銅型變(Deform)產生Bond的作用力相對需要提高, 這對於Pad的損害也很大. 而且作用力越大, 對於2nd bond的可靠性也下降, 因此銅線的2nd bond通常良率不是很好.
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這兩種缺點使銅無法像金鋁一樣壟斷這市場, 但是幾十年來, 有許多解決方法因應而生. 最主要的有二
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第一. 使用鈍性氣體(Inert Gas), 例如Ar, 或者氮氣, 利用鈍性氣體降低銅可能和氧氣接觸的可能性, 但是成本較高, 須加裝Purge或鋼瓶等設備, }$ d; O+ m! \* }
' x$ u1 s. t. s4 y& y( W) Q第二. 合金製作, 將銅鍍上其他金屬, 如Ag, Ti, Pd金屬等, 降低銅與氧接觸的機會, 並改變其機械特性. 之前還有一日本研究人員提出用一特殊溶液在銅表面形成亞銅(Cuprous), 這樣在存放時就不需太考慮氧化問題, 而打線時加以超音波, 即可移除亞銅, 不過可能是因為成本原因無法大量使用.
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4 m9 W7 u5 }6 t6 B2 ~; S對於銅線在打線這產業, 各家公司還是非常看好的, 除了是高死人不償命的金價, 還有銅的五大優點, 這樣看來五項優點對兩項缺點, 應該還是瑕不掩瑜, 我個人是認為, 安裝整套鈍性氣體設備真的是不符成本. 所以只能在看待大廠能不能研發出成本更低的Alloy或者electroplating, 來降低銅這高氧化性與高硬度.8 ?7 E" u' G! ]& H; Q
/ Y( @' J' L0 ?以上文章應該沒有所謂機密問題, 因為我寫的實在太模糊了. 來看看的人就看個概念就好. |
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發表於 2010-1-12 17:16:37
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