芯片键合：连接芯片，连接未来

引线键合 引线键合是芯片与外部封装体之间进行互连时最为常见且有效的连接工艺。

1.1常用的焊线方法

1.1.1热压键合法：热压键合法的原理是低温扩散与塑性流动（Plastic Flow）相结合，促使原子相互接触，进而产生固体扩散键合。在键合时承受压力的部位，经过一定的时间、温度和压力周期后，接触表面会发生塑性变形（Plastic Deformation）和扩散现象。塑性变形是破坏任何接触表面所必需的，这样才能使金属表面融合。在键合过程中，焊丝的变形属于塑性流动。该方法主要应用于金丝键合。

1.1.2超声键合法：焊丝超声键合是塑性流动和摩擦相结合的方式。通过石英晶体或磁力控制，将摩擦动作传送到金属传感器（Metal “HORN”）上。石英晶体通电时，金属传感器会伸展；断电时，传感器则相应收缩。这些动作由超声发生器产生，振幅通常在4 - 5微米。在传感器末端安装焊具，当焊具随着传感器伸缩前后振动时，焊丝就在键合点上产生摩擦，并在自上而下的压力作用下发生塑性变形。大部分塑性变形是在键合点承受超声能之后发生的，压力导致的塑变只占极小部分，这是因为超声波作用于键合点时，键合点的硬度会降低，使得相同压力能产生较大的塑变。这种键合方法可用于金丝或铝丝键合。

1.2引线键合工艺过程 引线键合的工艺过程包含：焊盘和外壳清洁、引线键合机的调整、引线键合以及检查。外壳清洁方法目前普遍采用分子清洁法，即等离子清洁或紫外线臭氧清洁。

（1）等离子清洁——该方法利用大功率RF源将气体转化为等离子体，高速气体离子轰击键合区表面，通过与污染物分子结合或使其物理分裂来溅射除去污染物。所采用的气体一般为O2、Ar、N2、80%Ar + 20%O2，或者80%O2 + 20%Ar。此外，O2/N2等离子体也有应用，它是去除环氧树脂的有效除气材料。

（2）紫外线臭氧清洁是通过发射184.9ｍｍ和253.7ｍｍ波长的辐射线进行清洁。过程如下：184.9nm波长的紫外线能使O2分子链断裂，形成原子态（O + O），原子态氧又与其他氧分子结合形成臭氧O3。在253.7nm波长紫外线的作用下，臭氧可再次分解为原子氧和分子氧。水分子能够被打破形成自由的OH - 根。所有这些物质都能与碳氢化合物反应生成CO2 + H2O，并最终以气体形式离开键合表面。253.7nm波长紫外线还能打破碳氢化合物的分子键以加速氧化过程。尽管这两种方法能够去除焊盘表面的有机物污染，但它们的有效性在很大程度上取决于特定的污染物。例如，氧等离子清洁无法提高Au厚膜的可焊性，其最佳清洁方法是O2 + Ar等离子体或溶液清洗法。另外，某些污染物，如Cl离子和F离子，无法用上述方法去除，因为会形成化学束缚。所以在某些情况下还需要采用溶液清洗，如汽相碳氟化合物、去离子水等。

（3）引线键合工艺有球键合工艺和楔键合工艺两种。 球键合一般采用直径75μm以下的细Au丝。这主要是因为细Au丝在高温受压状态下容易变形、抗氧化性能好且成球性佳。球键合通常用于焊盘间距大于100μm的情况，目前也有用于50μm焊盘间距的实例。 楔键合工艺既适用于Au丝，也适用于Al丝。二者的区别在于，Al丝采用室温下的超声波键合，而Au丝采用150℃下的热超声键合。楔键合的一个主要优点是适用于精细尺寸，如50μm以下的焊盘间距。但由于键合工具的旋转运动，其总体速度低于热超声球键合。最常见的楔键合工艺是Al丝超声波键合，其成本和键合温度较低。而Au丝楔键合的主要优点是键合后不需要密闭封装，因为楔键合形成的焊点小于球键合，特别适用于微波器件。

（4）键合的方式有两种。正焊键合：第一点键合在芯片上，第二点键合在封装外壳上；反焊键合：第一点键合在外壳上，第二点键合在芯片上。采用正焊键合时，芯片上的键合点一般有尾丝；采用反焊键合时，芯片上通常无尾丝。究竟采用哪种键合方式进行电路键合，需要根据具体情况确定。

键合工艺差错造成的失效 2.1焊盘出坑 出坑现象通常出现在超声波键合中，是指对焊盘金属化层下面的半导体材料层造成损伤。这种损伤有时是肉眼可见的凹痕，更多时候是不可见的材料结构损伤。这种损伤会降低器件性能并引发电损伤。其产生原因如下：

（1）超声波能量过高导致Si晶格层错；

（2）楔键合时键合力过高或过低；

 （3）键合工具对基板的冲击速度过大，一般不会使Si器件出坑，但会导致GaAs器件出坑；

（4）球键合时焊球过小，致使坚硬的键合工具接触到焊盘金属化层；

（5）焊盘厚度过薄。1 - 3μm厚的焊盘损伤相对较小，但厚度在0.6μm以下的焊盘可能存在问题；

（6）焊盘金属和引线金属的硬度匹配时，键合质量最佳，也能使出坑现象最小化；

 （7）Al丝超声波键合时，金属丝过硬可能导致Si片出坑。

2.2尾丝不一致 这是楔键合时最容易出现且最难解决的问题。可能的产生原因如下：

 （1）引线表面脏污；

（2）金属丝传送角度不正确；

（3）楔通孔部分堵塞；

 （4）用于夹断引线的工具脏污；

 （5）夹具间隙不正确；

（6）夹具施加的压力不对；

 （7）金属丝拉伸错误。 尾丝过短意味着作用在第一个键合点上的力分布在较小面积上，这将导致过度变形。而尾丝过长可能导致焊盘间短路。

2.3键合剥离 剥离是指拉脱时键合点根部部分或完全脱离键合表面，断口光滑。剥离主要是由工艺参数选择错误或键合工具质量下降引起的。它是键合相关失效的早期信号。

2.4引线弯曲疲劳 这种失效的原因是引线键合点根部出现裂纹。可能是键合操作中的机械疲劳，也可能是温度循环导致的热应力疲劳。已有试验结果表明：

（1）在温度循环条件下，Al丝超声波键合比Al丝热压键合更可靠；

 （2）含0.1%MgcủaAl丝性能优于含1%SicủaAl丝；

（3）引线闭环的高度至少应为键合点间距的25%，以减轻弯曲。 2.5键合点和焊盘腐蚀 腐蚀会导致引线一端或两端完全断开，从而使引线在封装内自由活动并造成短路。潮湿和污物是造成腐蚀的主要原因。例如，键合位置存在Cl或Br会导致形成氯化物或溴化物，腐蚀键合点。腐蚀会使键合点电阻增大，直至器件失效。在大多数情况下，封装材料会对芯片表面和相邻键合点施加压力，只有腐蚀非常严重时才会出现电连接问题。 2.6引线框架腐蚀 起因是残余应力过大，或者在防止引线框架基体金属（42合金或Đồng）腐蚀的表面镀层（如Ni）工艺中引入了过多的表面污染。最敏感的区域是密封化合物材料与引线框架的界面处。 2.7金属迁移 是指从键合焊盘处开始的金属枝晶生长。这是一个金属离子从阳极区向阴极区迁移的电解过程，与金属的可获得性、离子种类、电势差等相关。金属迁移会导致桥连区的泄漏电流增加，如果桥连完全形成则会造成短路。报道最多的是Ag迁移，其他金属如Pb、Sn、Ni、Au和Đồng也存在迁移现象。由于与失效相关，这是一种逐渐失效的现象。 2.8振动疲劳 可能产生谐振并因此损伤键合点的最小频率，对于Au丝为3 - 5kHz，Al丝为10kHz。一般来说，引线键合的振动疲劳失效发生在超声波清洗过程中，因此超声波清洗设备的谐振频率应在20 - 100kHz以内。

内引线断裂和脱键 内引线断裂的方式一般分为三类：引线中间断裂、引线在近键合点的根部断裂、脱键。

（1）引线中间断裂 引线中间断裂不一定在早期失效中出现，因为它与内引线的损伤程度和由损伤诱发的机理有关。键合丝损伤会使引线损伤部位面积变小，从而导致：电流密度增大，使损伤部位易被烧毁；抗机械应力能力降低，造成内引线损伤处断裂。产生损伤的原因：一是键合丝受到机械损伤，二是键合丝受到化学腐蚀的侵蚀。

（2）键合丝在近键合点的根部断裂 这种现象主要是由工艺引起的。存在铊（Tl）污染源，Tl可以与Au形成低熔点的共晶相，并从镀Au的引线框架传输到Au丝中。在键合点形成过程中，Tl可以快速扩散并在球颈以上的晶界处富集形成共晶相。在塑性密封或温度循环时，球颈断裂，器件失效。

（3）键合点脱键隐患 在自动引线键合技术中，半导体器件键合点脱落是最常见的失效模式。这种失效模式很难通过常规筛选和测试剔除，只有在强烈振动下才可能暴露出来，因此对半导体器件的可靠性危害极大。可能影响内引线键合可靠性的因素主要有：

<1>界面上绝缘层的形成：芯片上键合区光刻胶或窗口钝化膜未清除干净，会形成绝缘层。管壳镀金层质量差，会导致表面疏松、发红、鼓泡、起皮等问题。金属间键合接触时，在有氧、氯、硫、水汽的环境下，金属往往会与这些气体反应生成氧化物、硫化物等绝缘夹层，或者受到氯的腐蚀，导致接触电阻增加，从而降低键合可靠性。

 <2>金属化层缺陷：金属化层缺陷主要包括芯片金属化层过薄，使得键合时无缓冲作用，芯片金属化层出现合金点，在键合处形成缺陷；芯片金属化层粘附不牢，最容易掉压点。

 <3>表面沾污，原子不能互扩散：包括芯片、管壳、劈刀、金丝、镊子、钨针等各个环节都可能造成沾污。外界环境净化度不够，会造成灰尘沾污；人体净化不良，会造成有机物沾污和钠沾污等；芯片、管壳等未及时处理干净，残留镀金液，会造成钾沾污和碳沾污等，这种沾污属于批次性问题，可能导致一批管壳报废，或引起键合点腐蚀，造成失效；金丝、管壳存放过久，不仅容易沾污，还容易老化，金丝的硬度和延展率也会发生变化。

<4>材料间的接触应力不当：键合应力包括热应力、机械应力和超声应力。键合应力过小会导致键合不牢，但键合应力过大同样会影响键合点的机械性能。应力过大会造成键合点根部损伤，引起键合点根部断裂失效，还会损伤键合点下的芯片材料，甚至出现裂缝。

金属间化合物使Au - Al系统失效 4.1 Au - Al系统中互扩散及金属间化合物的形成 Au - Al系统中互扩散及金属间化合物的形成过程如下：

（1）在键合的早期阶段，Au - Al之间形成一层很薄的扩散层，其成分为AuAl2（紫斑）；

 （2）进一步受热会使Au - Al扩散继续，随着Au不断向Al薄膜中扩散，纯Al层消失。与此同时，在Au丝球一侧形成Au5Al2化合物层；

（3）扩散层厚度不会无限增加，这是因为Al的来源有限，且二者之间的互扩散速度存在差异。定义D为扩散速度，DAu→Al> DAl→Au。假设初始Al薄膜厚度为1μm，总的扩散层厚度约为4 - 5μm。进一步受热时，Au向扩散层中扩散并在Au丝球一侧形成Au4Al，并向半导体芯片一侧生长；

（4）进一步受热时，Au向扩散层中的扩散继续进行，最终使扩散层成分仅为Au5Al2和Au4Al。同时由于柯肯达尔（kirkendall）效应，扩散层周围会产生空洞；

（5）如果继续受热，无空洞位置的Au扩散会进一步加强，导致在中央部位形成Au4Al层；

（6）对于塑封IC，由于树脂材料中的阻燃剂含溴化物，它将成为Au4Al层中Al氧化的催化剂。溴化物穿过空洞进入键合点并氧化Au4Al层中的Al，从而在Au球中央和化合物层之间的界面处形成一层高电阻层，这将导致一种断开失效。

4.2杂质对Au - Al系统的影响 在引线开发的初期，主要目的是增强机械强度，例如对引线结构和长度的控制，因此没有过多考虑金属间的断裂问题。但是随着焊盘间距不断减小和控制窗口不断变窄，引线键合技术的发展开始受到金属间相问题的限制。到目前为止，引线掺杂效应尚未得到深入研究。通过添加掺杂杂质和减缓金属间相的扩散速度被认为是减少金属间失效的唯一手段。实际上，掺杂浓度为100ppm时，掺杂杂质不能有效阻止金属间相的生长。为此，一些常用引线中掺杂杂质的含量提高到1%，此时掺杂杂质能够阻止Au和Al的扩散。但是其效果不如预期，而且还会降低引线的电导率。因此，我们需要能够更有效地解决这些问题的新方法，且不能影响电导率性能。 4.3改善方法 金属间失效的原因众多，因此很难通过控制一个因素将其降低到最小程度。我们能做的是选择最佳的EMC（环氧模塑料）以减小封装应力、选择最佳的毛细管劈刀类型以形成更致密的金属间相，以及优化工艺参数以尽量减小不规则生长程度并提高初始金属间相覆盖率。研究结果表明，最有效的影响因素是引线类型。毛细管劈刀类型也会影响金属间相的形成。但是，当金属间相覆盖率大于70%时，金属间相覆盖率不再是主要因素。当我们将焊盘间距为70μm的毛细管劈刀和引线类型用于40μm时，会遇到高温超导（HTS）和温度循环失效问题。但是，通过选择最佳的毛细管劈刀类型、引线类型和EMC，我们可以在可靠性性能上取得很好的改善效果。

4.热循环使引线疲劳而失效 5.1热循环峰值温度对金相组织的影响 热循环在不同峰值温度条件下的金相组织。当热循环峰值温度为1350℃时，冷却后转变为粗大的低碳马氏体＋少量的侧板条贝氏体组织。当热循环峰值温度为950℃时，冷却后的组织明显细化。当热循环峰值温度为750℃时，对应于热影响区的部分淬火区，由于高温停留时间短，奥氏体成分均匀化很不充分，使该区组织为铁素体＋粒状贝氏体组织。峰值温度为600℃时，未超过调质处理时的高温回火温度，组织以回火索氏体为主。 5.2热循环峰值温度对冲击功的影响 在不同峰值温度的热循环作用下，随着热循环峰值温度的升高，冲击功下降。当热循环峰值温度超过1100℃后，冲击功已降至较低水平。由此可见，随着热循环峰值温度的增加，晶粒长大倾向增大，当热循环峰值温度为1350℃时，奥氏体晶粒严重长大，导致该区冲击功最低。

5.引线疲劳 在Au纳米引线的热疲劳测试中，将正弦交变电压（Vpp = 10V）输入引线，从而在引线中产生交变热应力。实验中交变电压信号的频率为50Hz - 100Hz。设由于交变电信号在引线中产生的温度变化为ΔT，则引线中产生的热应变为Δε = (αAu - αSi)ΔT，其中(αAu - αSi)为Au和Si的热膨胀系数之差（αAu = 1.42×10 - 5/℃；αSi = 3×10 - 6/℃）。 这一应变将使Au引线经历压 - 压疲劳循环。在实验中，记录每个试件的疲劳失效寿命（指引线开路时的疲劳循环次数），同时通过扫描电子显微镜（SEM）观察引线表面的形貌变化。表中给出了长度为20μm、三种不同宽度的Au引线在相同交变电压信号（Vpp = 10V）、不同电压频率作用下的疲劳失效结果。对于相同的输入电压，随着引线线宽的减小，其失效循环次数明显减少。

**一、内容总结**

1. **引线键合概述**

   - 引线键合是芯片与外部封装体之间常见有效的连接工艺。

   - 常用焊线方法有热压键合法（原理为低温扩散与塑性流动结合，主要用于金丝键合）和超声键合法（是塑性流动和摩擦相结合的方式，可用于金丝或铝丝键合）。

2. **引线键合工艺过程**

   - 包含焊盘和外壳清洁、引线键合机调整、引线键合和检查。

   - 外壳清洁方法有等离子清洁（利用大功率RF源将气体转化为等离子体去除污染物）和紫外线臭氧清洁（通过特定波长紫外线产生的物质去除污染物）。

   - 引线键合工艺有球键合工艺（适用于细Au丝，常用于焊盘间距大于100mm情况）和楔键合工艺（适用于Au丝和Al丝，Al丝采用室温下超声波键合，Au丝采用150℃下热超声键合，适用于精细尺寸）。

   - 键合方式有正焊键合（第一点键合在芯片上）和反焊键合（第一点键合在外壳上）。

3. **键合工艺差错造成的失效**

   - 焊盘出坑：多在超声波键合中，原因包括超声波能量过高、键合力不当等。

   - 尾丝不一致：楔键合时易出现，与引线表面脏污等多种因素有关。

   - 键合剥离：由工艺参数错误或键合工具质量下降引起。

   - 引线弯曲疲劳：原因有机械疲劳或温度循环导致的热应力疲劳。

   - 键合点和焊盘腐蚀：潮湿和污物是主因。

   - 引线框架腐蚀：残余应力过大或表面镀层污染。

   - 金属迁移：是金属离子迁移过程，会导致短路。

   - 振动疲劳：与引线材料有关，最小谐振频率不同。

   - 内引线断裂和脱键：包括引线中间断裂（与键合丝损伤有关）、键合丝在近键合点的根部断裂（由工艺引起）、键合点脱键隐患（受多种因素影响，如界面绝缘层形成等）。

4. **金属间化合物使Au - Al系统失效**

   - Au - Al系统中互扩散及金属间化合物形成过程复杂，受热会使化合物层成分和结构发生变化，溴化物会导致断开失效。

   - 杂质对Au - Al系统影响方面，提高掺杂杂质含量虽能阻止扩散但会降低电导率。

   - 改善方法包括选择最佳EMC、毛细管劈刀类型和优化工艺参数等。

5. **热循环使引线疲劳而失效**

   - 热循环峰值温度对金相组织影响不同，不同峰值温度下金相组织各异。

   - 热循环峰值温度对冲击功影响为随着温度升高冲击功下降。

   - 引线疲劳方面，在Au纳米引线热疲劳测试中，引线中产生热应变使其经历疲劳循环，相同输入电压下，引线线宽减小会使失效循环次数减少。