[发明专利]基于BGA封装的铜线焊接装置及铜线焊接实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体封装测试领域，尤其涉及一种用于球栅阵列结构(Ball Grid Array，简称BGA)封装中的铜线焊接装置及铜线焊接实现方法。

背景技术

在半导体封装测试领域，球栅阵列结构的封装一般采用引线键合工艺，其将芯片上的终端与半导体器件外部引线进行连接。封装后的半导体集成块具有封装面积减少、引脚数目增多、在印刷电路板(Printed Circuit Board，简称PCB)板溶焊时能自我居中、易上锡、可靠性高、电性能好以及整体成本低等特点。

本领域技术人员均知，引线键合所使用的连接线一般由金制成。贵金属金不仅具有抗氧化侵蚀能力和高导电性，且很容易通过热压缩法和超声波焊接技术键合到指定位置。金线焊接器包括金线劈刀、外置电火花发生器以及其生成的打火花和EFO箱。由于金的性能很稳定，不易被氧化，因此，在焊接时，先在劈刀的尖端将金属焊丝用放电打火的方式烧熔成球的形状，然后由焊接劈刀将金属球焊接到被焊物上，金线焊接器很容易得到表面颜色和形状均合格的高压电流打火烧球。

然而，使用金连接线的成本很高。最近，铜作为金线键合的替代材料已经快速取得稳固地位。请参阅表1所示的金和铜的性能对比：

表1金和铜的性能对比

从表1可以看出，铜的导电和散热性能都好于金，硬度则略强于金，以铜线替代金线具备了一定的物理基础和可能性。与金相比，铜的优势体现在以下几个方面：①、较高的导电性(电导率提高25～30％)和导热性(提高25％)；②、形成金属互化物速率慢；③、更好的机械稳定性；例如，韩国生产的直径为的铜线，铜纯度大于99.99％，其拉断力最小7.8CN，延伸率为11％～15％，机械性能基本达到了直径为金线的水平；④、低成本(减少75～99％的成本)。

然而，铜线键合在BGA生产工艺中还面临以下问题，一方面，铜比金的化学特性更活泼，易被空气的组分气体氧气和卤族元素单质等污染和腐蚀，从而使保护不充分，高压电流打火烧球(Fire Air Ball，简称FAB)被氧化，即在40～80倍的显微镜下观察，线尾烧球之后形成的FAB表面颜色变成紫色或者发黑；另一方面，铜线比金线硬度高50％，在FAB与焊盘焊接时，高压电流打火烧球硬度大，因此，在焊接过程中，需要较大的焊接压力，而过大的焊接压力易引发晶圆破裂、劈刀磨损以及基板上焊接强度降低等问题。这些问题为铜线键合的应用带来了诸多障碍。

因此，进一步改进铜线键合工艺，以提高铜线键合强度，避免短路、晶圆破裂以及劈刀破损，是目前研发中迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在BGA封装中的铜线焊接装置，能有效地提高铜线键合强度，避免短路、晶圆破裂以及劈刀破损。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于BGA封装的铜线焊接装置，用于产生焊球将键合基板上的芯片引脚与半导体器件外部进行铜线键合连接，其中，铜线的纯度大于等于99.99％，铜线焊接装置包括下列组件：真空加热块，用于放置键合基板，包括多个均匀分布的真空吸孔，真空吸孔的形状为十字星状；劈刀，其在铜线直径为0.7mil时，倒角直径CD为28～30um，内倒角孔角CA为48～52°，端面角FA为7～9°，孔径H为22～23um，头部直径T为60～63um，主锥角MTA为28～32um，内主锥角ITA为28～32um，劈刀颈高BNH为130～145um，颈角BNA为9～11°；内置电火花发生器，用于产生电打火花，设置于临近键合基板的焊盘且将形成焊球的位置；合成气体喷嘴，用于提供焊接时的混合保护气，设置于临近电火花发生器的位置；数字流量计和流量调节装置，用于控制合成气体喷嘴喷出的混合保护气流流速，混合保护气流的成分为95％氮气和5％氢气，流速为0.4～0.6L/min。

优选地：劈刀表面经表面粗糙化处理。

优选地：劈刀的材料为红宝石。