芯片键合：微观世界里的“焊接艺术””？

在微电子组装领域，引线键合作为一种复杂的组装与制造工艺技术，是提升通用微电子器件、专用集成电路、薄厚膜混合集成电路、多芯片组装、系统集成电路等微电子电路性能的关键技术，也是实现微电子互连的核心技术。不管是在传统封装还是先进封装范畴内，芯片引线键合技术都处于核心地位。CMOS芯片引线键合在微电子互连中是较为普遍的主要形式。关于引线键合工艺的研究有很多，但大多集中在键合工艺方法研究与工艺参数优化方面，对键合过程中失效情况的研究较少。在键合过程里，键合焊盘受不同因素影响会出现不同程度的机械损伤，呈现出不同的故障现象，常见的有键合焊盘剥落和“弹坑”这两种现象，此问题在生产过程中较为普遍，会致使产品系列返工，对生产稳定性和产品可靠性都有很大影响。

本文基于故障现象本身，对造成键合焊盘剥落和“弹坑”这两种故障现象的影响因素展开分析，确定各因素对故障现象的影响机制。有针对性地解决CMOS芯片在键合过程中的失效问题，并给出有效措施，为CMOS芯片引线键合技术提供技术支持与可靠性保障。

1.故障现象分析 CMOS芯片在引线键合过程中受到不同程度的机械损伤，出现键合焊盘剥落和“弹坑”现象。下面针对这两种现象的焊盘损伤程度和残留形貌逐一进行分析。

1.1键合焊盘剥落 键合焊盘剥落是指在引线键合过程中，焊盘表层金属层出现局部撕裂进而剥落，键合点随之抬起，剥落的金属与引线端相结合，在光学显微镜下的失效形貌如图1（a）、（b）所示。 进一步对焊盘失效点进行SEM分析，发现失效点边缘有明显的撕裂痕迹，局部剥落露出绝缘材料（BPSG）层，如图1（c）所示。这种类型的失效是表层金属化层和下层绝缘材料之间受机械作用而分离，随后在持续的机械作用下发生焊盘局部撕裂剥落。

1.2键合焊盘出现“弹坑” 键合焊盘出现“弹坑”是指在引线键合过程中，焊盘局部出现形状不固定的凹坑，凹坑中有少量硅被挖出，键合点随之抬起，凹坑中被挖出的硅与引线端相结合，这是在光学显微镜下看到的失效形貌。 进一步对焊盘失效点进行SEM分析，焊盘局部出现一个凹坑，其中的硅材料被挖出，如图2（c）所示。这种类型的失效是键合焊盘和下层材料受机械作用产生微裂纹，之后在持续的机械作用下不断扩展，致使局部晶体解离，凹坑中的硅材料被挖出，从而形成一个“弹坑”。 通过以上分析可知，这两类故障现象都是在引线键合过程中焊盘受机械作用而产生的不同程度损伤。虽然这类损伤的直接原因是机械作用，但芯片自身缺陷、键合工艺参数、键合材料因素、键合操作过程中的不确定因素等都是导致其最终发生的因素。

1.故障定位和机理分析 目前，COMS芯片引线键合常用的方式有铝丝超声键合和金丝热超声键合两种。超声键合是一种固态金属结合方式，当超声能量和力施加到连接对象时，超声波能量作用产生的刮擦动作会破坏键合焊盘上的氧化物，在铝引线和铝焊盘接触面处产生微塑性变形，从而通过接触面机械互锁实现键合。热超声键合则是金原子和铝原子相互扩散及电子共享形成的一种冶金学结合。在热超声键合中，除了压力和温度之外，利用超声波能量能使固定位置的断层被激活和驱动，引起金属软化且相互滑移并发生低应力变形，增强扩散和反应从而实现键合。超声键合和热超声键合都需要使用键合工具（劈刀）来固定引线，并通过劈刀传递一定的热能、力和超声能量，以实现金属引线和金属焊盘之间的有效键合。 CMOS芯片在引线键合过程中出现失效，可能与芯片自身因素、键合相关工具材料、键合过程中引入的能量以及操作等因素有关。根据上述推论，并结合故障形貌分析得出，在引线键合过程中可能造成键合焊盘剥落和出现“弹坑”的因素包括：硅节瘤的存在、键合焊盘下层材料及金属层厚度、键合力、键合超声波能量、键合工具的类型、引线硬度、工具的冲击速度和冲击力、与操作者相关的不确定因素等。这些因素相互关联，通常是几个因素共同作用的结果。下面对可能造成这类故障现象的上述因素进行分析。

2.1芯片问题 目前使用的CMOS芯片是采用CMOS工艺制作而成，即将NMOS器件和PMOS器件同时制作在一个硅衬底上。CMOS芯片是多层布线，层间采用金属通孔互连，如图3所示。从芯片自身角度分析，导致键合焊盘露底的相关因素有：硅节瘤、键合焊盘附着力差和键合焊盘镀金层薄。 芯片在制片工艺过程中如果控制不当，会有微米尺寸的硅节瘤沉淀在铝键合焊盘上，当有机械外力施加时，这些硅节瘤可充当应力集中源，使下面的硅破裂。如果芯片键合焊盘存在硅节瘤，在引线键合过程中的机械作用下，很容易引起露底，呈现“弹坑”现象。所以，硅节瘤是诱发键合焊盘露底的一个因素。 CMOS工艺芯片采用多层布线，通常会有7 - 8层布线结构，层与层之间通过金属通孔互连。考虑到基底硅材料会存在硅钉穿孔现象，所以一般通孔尺寸小于1μm（通常为0.6μm或者0.8μm）。由于通孔尺寸极小，所以金属焊盘（以100μm尺寸焊盘为例）主要和硅磷玻璃层相结合。相比之下，GaAs材料的MMIC芯片其布线一般只有2 - 3层，层间互连的金属化通孔尺寸一般达到70μm左右，所以金属焊盘（以100μm焊盘为例）主要和通孔金属相结合，如图4所示。由于金属与金属的结合力相对金属和硅磷玻璃的结合力要强很多，所以CMOS芯片的焊盘附着力相对较弱。在引线键合过程中的机械作用下，其焊盘更容易出现撕裂剥离，呈现焊盘剥落现象。所以，键合焊盘附着力差是诱发键合焊盘剥落的一个因素。 键合焊盘金属化层厚度对露底发生的影响主要是“缓冲效应”。如果焊盘金属化层较厚，对外力有一定的缓冲作用，同时由于金属的塑性变形也会使机械作用衰减；如果焊盘金属化层较薄，在键合机械作用下出现露底的概率就较大。所以，键合焊盘金属化层薄是诱发焊盘露底的一个因素。

2.2键合材料问题 在引线键合过程中，对焊盘有直接机械作用的材料主要是劈刀和引线。 劈刀长度属于振动系统的一部分，劈刀越长，其尖端摆幅越大，传递到焊盘的超声能量就越多。如果键合劈刀的结构设计没有充分考虑这一点，劈刀杆长过长，在产生同样形变的情况下，键合焊盘所承受的机械外力就更大，焊盘受损的概率也就更大。所以，键合劈刀不匹配是诱发焊盘露底的一个因素。 键合引线的硬度与所需超声能量相关，即超声能量E = K(HT)³/²，其中K为常数，H为线硬度（维氏），T为金属厚度。引线越硬，产生一定形变所需的键合超声波能量就越大，过大的超声波能量会增加键合焊盘发生露底的概率。所以，键合引线过硬是诱发焊盘露底的一个因素。

2.3键合参数问题 键合焊盘露底的直接原因是受到机械外力作用，所以与其直接相关的键合力和键合超声波能量是非常重要的因素。 键合力过大或过小都容易导致露底，键合力大比较容易理解，而键合力小导致露底是因为劈刀与键合面未紧密接合，产生尖端效应导致的。在相关研究中，键合力与露底发生率之间存在对应关系。随着键合力的增加，露底发生率先减小后增大，在某个值达到最低点。所以，键合力不匹配是诱发焊盘露底的一个因素。 键合超声波能量不匹配，会诱发硅中的叠层错位并引起其他材料损伤。当键合工具在键合焊盘上压紧引线时，二者局部的点在实际物理接触中。这时，如果焊盘下面有一个微小的缺陷，超声波能量和局部的高压力将通过微裂纹传播，如图5所示。如果键合超声波能量不匹配，就会诱发硅中的叠层错位或者引起其他材料损伤，从而诱发露底。所以，键合超声波能量不匹配是诱发焊盘露底的一个因素。

2.4键合操作问题 键合操作问题一般是指键合过程中工具的冲击力和冲击速度过大，从而引入非正常的机械外力，造成键合焊盘损伤。除此之外，还有一些人为不确定因素带来的干扰。所以，操作问题是诱发露底的一个因素。 综上分析，部分芯片由于自身存在结构薄弱或原始缺陷等问题，导致其后续引线键合的工艺窗口变窄，并且在其键合过程中，如果工艺材料、工艺参数和工艺操作不够优化，就会出现焊盘剥落或焊盘“弹坑”的失效情况。所以，需要对CMOS芯片引线键合工艺进行优化，为其引线键合技术提供技术支持和可靠性保障。

1.键合工艺优化和可靠性评价 本研究针对上述问题，对引线键合方式、原材料和工艺参数进行优化，并给出相应的解决措施。

3.1键合材料和方式优化 通过上述分析可知，键合引线过硬是诱发焊盘露底的一个因素，所以针对这个问题选择硬度较小的引线。按照American Fine Wire的产品目录提供的键合引线材料物理性质中的数据，Au引线硬度为220 N/mm（2布氏），Al引线的硬度为200 - 500N/mm（2布氏）。从引线硬度这一因素来看，就露底发生率而言金引线相对更具优势。本实验研究采用25μm金引线键合，同时匹配选择杆长12mm、FA（端面角度）8°、OR（外半径）值25.4mm的劈刀。 金球热超声键合由于其第一焊后可360°自由移动，第二键在任何方向均不损伤球颈，效率高。综合上述分析结果，本实验研究选择自动金球热超声键合。

3.2键合参数的优化 根据上述研究，选用25μm金丝在CMOS芯上进行自动键合，第二键选定陶瓷基板且参数设置为定值。采用单一变量法研究其主要工艺参数（超声功率、超声时间、键合压力）对键合质量的影响。根据单一变量法研究的结果，选取参数进行三因素三水平的正交优化试验，给出最优参数选择。

3.2.1键合参数对键合质量的影响 通过控制单一变量法分别对超声功率、超声时间、键合压力进行研究。结合经验值，每个变量选取10个参数值，每个参数值对应键合200根丝。对键合金丝的形貌、键合强度（100根）和球剪切强度（100根）进行测试。通过以上研究得出，在CMOS芯上进行25μm金丝键合的优选参数范围如表1所示。

3.2.2键合参数的优化 通过3.2.1的研究结果，选取参数进行三因素三水平的正交优化试验，给出CMOS芯金丝键合的最优参数选择。试验设计如表2所示。 按照表2中的参数进行三因素三水平的正交优化，共计27组参数组合。每组参数对应键合200根丝。对键合金丝的形貌、键合强度（100根）和球剪切强度（100根）进行测试。在键合和测试过程中均未发生露底现象。根据测试结果得到最优参数组合为（60 mW、30ms、25 g）。

3.3键合可靠性的评价 按照上述正交试验优化的参数组（60 mW、30ms、25 g）进行键合。键合400根金丝，分为2组用于环境试验前后的对比分析。结合产品筛选考核的要求以及实际条件，适当加严确定环境试验条件为： 高温储存：125℃，168 h 温度循环：-55 ~ +125℃，变温率10℃/min，保温15 min，循环20次 恒定加速度Y1方向，保持1 min，20 000 g 对环境试验前后的键合金丝的形貌、键合强度（100根）和球剪切强度（100根）进行测试分析。 键合过程中没有出现焊盘露底等现象，且键合的可靠性满足了GJB548和产品的筛选要求。该键合工艺过程稳定、可靠性高，可以满足产品批量化生产的需求。

通过对CMOS芯片引线键合过程中键合焊盘剥落和“弹坑”两种故障现象的深入研究，从故障现象分析、故障定位和机理分析、键合工艺优化到可靠性评价等多方面进行了全面探讨。

在故障现象分析中，详细描述了键合焊盘剥落和“弹坑”现象在光学显微镜和SEM下的失效形貌，明确这两类故障都是在引线键合过程中焊盘受机械作用产生的不同程度损伤，且多种因素共同作用导致故障发生。

故障定位和机理分析部分，阐述了超声键合和热超声键合的原理，指出CMOS芯片在引线键合过程中失效可能与芯片自身、键合相关工具材料、键合过程中引入的能量以及操作等因素有关，并对可能造成故障的多种因素，如芯片问题（硅节瘤、键合焊盘附着力差和键合焊盘镀金层薄）、键合材料问题（劈刀不匹配、键合引线过硬）、键合参数问题（键合力不匹配、键合超声波能量不匹配）、键合操作问题（工具的冲击力和冲击速度过大以及人为不确定因素）等进行了逐一分析。

键合工艺优化方面，针对上述问题从键合材料和方式、键合参数进行优化。选择硬度较小的金引线、特定的劈刀，并采用自动金球热超声键合方式；通过单一变量法研究键合参数对键合质量的影响，再进行正交优化试验得出最优参数组合（60 mW、30ms、25 g）。

最后在键合可靠性评价中，按照优化参数进行键合并分组进行环境试验，对环境试验前后的键合金丝的形貌、键合强度和球剪切强度进行测试分析，结果表明键合过程无焊盘露底现象，键合可靠性满足相关要求，工艺稳定可靠，可满足产品批量化生产需求。这一研究为CMOS芯片引线键合技术提供了有效的技术支持和可靠性保障。