引線鍵合是芯片和外部封裝體之間互連最常見(jiàn)和有效的連接工藝。

我們來(lái)講講鍵合工藝中會(huì)遇到的問(wèn)題：

一．鍵合工藝差錯(cuò)造成的失效

1.焊盤(pán)出坑

出坑通常出現(xiàn)于超聲波鍵合中,是指對(duì)焊盤(pán)金屬化層下面半導(dǎo)體材料層的損傷。這種損傷有時(shí)是肉眼可見(jiàn)的凹痕,更多是不可見(jiàn)的材料結(jié)構(gòu)損傷。這種損傷將降低器件性能并

引發(fā)電損傷。其產(chǎn)生原因如下:

(1)超聲波能量過(guò)高導(dǎo)致Si 晶格層錯(cuò);

(2)楔鍵合時(shí)鍵合力過(guò)高或過(guò)低:

(3)鍵合工具對(duì)基板的沖擊速度過(guò)大,一般不會(huì)導(dǎo)致Si器件出坑,但會(huì)導(dǎo)致(3)GaAs 器件出坑;

(4)球鍵合時(shí)焊球太小致使堅(jiān)硬的鍵合工具接觸到了焊盤(pán)金屬化層;

(5)焊盤(pán)厚度太薄。1~3m厚的焊盤(pán)損傷比較小,但0.6μm以下厚度的焊盤(pán)可能存在問(wèn)題；

(6)焊盤(pán)金屬和引線金屬的硬度匹配時(shí)鍵合質(zhì)量好,也可以最小化出坑現(xiàn)象;

(7)A1絲超聲波鍵合時(shí)金屬絲太硬可能導(dǎo)致Si片出坑。

2.尾絲不一致

這是楔鍵合時(shí)最容易發(fā)生的問(wèn)題,而且也是最難克服的?？赡艿漠a(chǎn)生原因如下:

(1)引線表面骯臟;

(2)金屬絲傳送角度不對(duì);

(3)楔通孔中部分堵塞;

(4)用于夾斷引線的工具骯臟;

(5)夾具間隙不正確;

(6)夾具所施加的壓力不對(duì);

(7)金屬絲拉伸錯(cuò)誤。

尾絲太短意味著作用在第1個(gè)鍵合點(diǎn)上的力分布在一個(gè)很小的面積上,這將導(dǎo)致過(guò)量變形。而尾絲太長(zhǎng)可能導(dǎo)致焊盤(pán)間短路。

3.鍵合剝離

剝離是指拉脫時(shí)鍵合點(diǎn)跟部部分或脫離鍵合表面,斷口光滑。剝離主要是由工藝參數(shù)選擇錯(cuò)誤或鍵合工具質(zhì)量下降引起。它是鍵合相關(guān)失效的一個(gè)很好的早期信號(hào)。

4.引線彎曲疲勞

這種失效的起因在于引線鍵合點(diǎn)跟部出現(xiàn)裂紋。原因可能是鍵合操作中機(jī)械疲勞,也可能是溫度循環(huán)導(dǎo)致熱應(yīng)力疲勞。已有的試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)溫度循環(huán)條件下,A1絲超聲波鍵合比A1 絲熱壓鍵合更為可靠;

(2)含0.1%Mg的AI絲要好于含1%Si的AI絲;(3)引線閉環(huán)的高度至少應(yīng)該是鍵合點(diǎn)間距的25%以減輕彎曲。

5.鍵合點(diǎn)和焊盤(pán)腐蝕

腐蝕可導(dǎo)致引線一端或兩端完斷開(kāi),從而使引線在封裝內(nèi)自由活動(dòng)并造成短路。潮濕和污物是造成腐蝕的主要原因。例如,鍵合位置上存在C1或Br將導(dǎo)致形成氯化物或溴化物,腐蝕鍵合點(diǎn)。腐蝕將導(dǎo)致鍵合點(diǎn)電阻增加直至器件失效。絕大多數(shù)情況下,封裝材料在芯片表面和相鄰鍵合點(diǎn)施加了一個(gè)壓力,只有腐蝕非常嚴(yán)重才會(huì)出現(xiàn)電連接問(wèn)題。

6.引線框架腐蝕

起因是殘余應(yīng)力過(guò)大,或者在為防止引線框架基體金屬(42合金或Cu)腐蝕而進(jìn)行的表面鍍層(如Ni)工藝中引入了過(guò)多的表面污染。最敏感的區(qū)域是密封化合物材料與引線框架的界面處。

7.金屬遷移

是指從鍵合焊盤(pán)處開(kāi)始的金屬枝晶生長(zhǎng)。這是一個(gè)金屬離子從陽(yáng)極區(qū)向陰極區(qū)遷移的電解過(guò)程,與金屬的可獲得性、離子種類(lèi)、電勢(shì)差等相關(guān)。金屬遷移將導(dǎo)致橋連區(qū)的泄露電流增加,如果橋連形成則造成短路。最為廣泛報(bào)道的是Ag遷移。其它金屬,如 Pb、Sn、Ni、Au和Cu也存在遷移現(xiàn)象。因?yàn)榕c失效相關(guān),這是一種逐漸失效現(xiàn)象。

8.振動(dòng)疲勞

可能產(chǎn)生諧振并因此損傷鍵合點(diǎn)的最小頻率，對(duì)于Au絲為3~5kHz,A1絲為10kHz。一般而言,引線鍵合的振動(dòng)疲勞失效發(fā)生于超聲波清洗過(guò)程,因此超聲波清洗設(shè)備的諧振頻率應(yīng)在20~100kHz以?xún)?nèi)。

1. 內(nèi)引線斷裂和脫鍵

   內(nèi)引線斷裂的方式一般分為三類(lèi):引線中間斷裂;引線在近鍵合點(diǎn)的根部裂;脫鍵。

   (1)引線中間斷裂

   引線中間斷裂不一定在早期失效中出現(xiàn)，因?yàn)樗蛢?nèi)引線存在損傷的程度和由損傷誘發(fā)的機(jī)理有關(guān)。鍵合絲的損傷使引線損傷部位面積變小，將導(dǎo)致:電流密度加大，使損傷部位易被燒毀;抗機(jī)械應(yīng)力的能力降低，會(huì)造成內(nèi)引線損傷處斷裂。產(chǎn)生損傷的原因:一是鍵合絲受到機(jī)械損傷，二是鍵合絲受到了化學(xué)腐蝕的侵蝕

2. 鍵合絲在近鍵合點(diǎn)的根部斷裂

   這種現(xiàn)象的發(fā)生主要是由工藝所引入的。存在Thallium(Tl)污染源,T1可以與Au形成低熔點(diǎn)的共晶相并從鍍Au的引線框架傳輸?shù)?/span>Au絲中。鍵合點(diǎn)形成過(guò)程中,Tl可以快速擴(kuò)散并在球頸以上的品界處富集形成共品相。在塑性密封或溫度循環(huán)時(shí),球頸斷裂,器件失效。

   (3)鍵合點(diǎn)脫鍵隱患

   自動(dòng)引線鍵合技術(shù)中，半導(dǎo)體器件鍵合點(diǎn)脫落是最常見(jiàn)的失效模式。這種失效模式用常規(guī)篩選和測(cè)試很難剔除，只有在強(qiáng)烈振動(dòng)下才可能暴露出來(lái)，因此對(duì)半導(dǎo)體器件的可靠性危害極大?？赡苡绊憙?nèi)引線鍵合可靠性的因素主要有:

   <1>界面上絕緣層的形成在芯片上鍵合區(qū)光刻膠或窗口鈍化膜未去除干凈，可形成絕緣層。管殼鍍金層質(zhì)量低劣，會(huì)造成表面疏松、發(fā)紅、鼓泡、起皮等。金屬間鍵合接觸時(shí)，在有氧、氯、硫、水汽的環(huán)境下，金屬往往與這些氣體反應(yīng)生成氧化物、硫化物等絕緣夾層，或受氯的腐蝕，導(dǎo)致接觸電阻增加,從而使鍵合可靠性降低。

   <2>金屬化層缺陷，金屬化層缺陷主要有:芯片金屬化層過(guò)薄，使得鍵合時(shí)無(wú)緩沖作用，芯片金屬化層出現(xiàn)合金點(diǎn)，在鍵合處形成缺陷;芯片金屬化層粘附不牢，最易掉壓點(diǎn)。

   <3>表面沾污，原子不能互擴(kuò)散包括芯片、管殼、劈刀、金絲、鑷子、鎢針，各個(gè)環(huán)節(jié)均可能造成沾污。外界環(huán)境凈化度不夠，可造成灰塵沾污;人體凈化不良，可造成有機(jī)物沾污及鈉沾污等:芯片、管殼等未及時(shí)處理干凈，殘留鍍金液，可造成鉀沾污及碳沾污等，這種沾污屬于批次性問(wèn)題，可造成一批管殼報(bào)廢，或引起鍵合點(diǎn)腐蝕，造成失效;金絲、管殼存放過(guò)久，不但易沾污，而且易老化，金絲硬度和延展率也會(huì)發(fā)生變化。

   <4>材料間的接觸應(yīng)力不當(dāng)，鍵合應(yīng)力包括熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和超聲應(yīng)力。鍵合應(yīng)力過(guò)小會(huì)造成鍵合不牢，但鍵合應(yīng)力過(guò)大同樣會(huì)影響鍵合點(diǎn)的機(jī)械性能。應(yīng)力大不僅會(huì)造成鍵合點(diǎn)根部損傷，引起鍵合點(diǎn)根部斷裂失效，而且還會(huì)損傷鍵合點(diǎn)下的芯片材料，甚至出現(xiàn)裂縫。

    

3. 金屬間化合物使Au-Al系統(tǒng)失效

   1.Au-Al 系統(tǒng)中互擴(kuò)散及金屬間化合物的形成

   Au-Al系統(tǒng)中互擴(kuò)散及金屬間化合物的形成過(guò)程如下:

   (1)在鍵合的早期階段,Au-Al之間形成一很薄的擴(kuò)散層,其成分為AuA12(紫斑)進(jìn)一步受熱導(dǎo)致 Au- Al擴(kuò)散繼續(xù),隨著Au 不斷向 Al薄膜中擴(kuò)散,純Al層消失。

   (2)與此同時(shí),在Au絲球一側(cè)形成Au5A12化合物層;

   (3)擴(kuò)散層厚度不會(huì)無(wú)限增加,這是因?yàn)?/span>A1的來(lái)源有限而且二者之間互擴(kuò)散速度存在差別。定義D為擴(kuò)散速度，Du→A1>DA1Au。假設(shè)初始A1薄膜厚度為1μm，總的擴(kuò)散層厚度約為4~5um。進(jìn)一步受熱則Au向擴(kuò)散層中擴(kuò)散并在Au絲球一側(cè)形成Au4A1,并向半導(dǎo)體芯片一側(cè)生長(zhǎng);

   (4)進(jìn)一步受熱則Au 向擴(kuò)散層中的擴(kuò)散繼續(xù),并最終使擴(kuò)散層成分僅為Au5A12和Au4A1 。同時(shí)由于kirkenda11 效應(yīng),擴(kuò)散層周?chē)鷮⒂锌斩串a(chǎn)生;

   (5)如果繼續(xù)受熱,無(wú)空洞位置的Au的擴(kuò)散進(jìn)一步加強(qiáng),導(dǎo)致在中央部位形成 Au4A1層:

   (6)對(duì)于塑封IC,由于樹(shù)脂材料中的阻燃劑含溴化物,它將成為Au4A1層中A1 氧化的催化劑。澳化物穿過(guò)空洞進(jìn)入鍵合點(diǎn)并氧化Au4A1層中的A1，從而在Au 球中央和化合物層之間的界面處形成一高電阻層,這將導(dǎo)致一種斷開(kāi)失效。

   2.雜質(zhì)對(duì)Au-A1系統(tǒng)的影響

   在引線開(kāi)發(fā)的最初階段，其主要目的是為了增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度例如引線結(jié)構(gòu)和引線長(zhǎng)度的控制，因此沒(méi)有太多考慮金屬間的斷裂問(wèn)題。但是隨著焊盤(pán)間距的不斷減小和控制窗口的不斷變窄，引線鍵合技術(shù)的發(fā)展開(kāi)始受到金屬間相問(wèn)題的束縛。迄今為止，引線雜效應(yīng)還沒(méi)有得到深入的研究。通過(guò)添加摻雜雜質(zhì)和減緩金屬間相的擴(kuò)散速度被認(rèn)為是減少金屬間失效的手段。實(shí)際上，摻雜濃度為100ppm時(shí)摻雜雜質(zhì)并不能有效地阻止金屬間相的生長(zhǎng)。為此，一些常用引線中摻雜雜質(zhì)的含量被提高到1%，此時(shí)摻雜雜質(zhì)能夠阻止Au和A1的擴(kuò)散。但是其效果沒(méi)有我們預(yù)期的那么好,而且還會(huì)降低引線的電導(dǎo)率。因此，我們需要能夠更加有效地解決這些問(wèn)題的新方法，而且不能影響電導(dǎo)率性能。

   3.改善方法

   金屬間失效的主要原因有很多，因此很難通過(guò)控制一個(gè)因素將其降低到最小程度。我們能做的是選擇最佳EMC以減小封裝應(yīng)力、選擇最佳毛細(xì)管劈刀類(lèi)型以形成更致密的金屬間相，以及優(yōu)化工藝參數(shù)以盡量減小不規(guī)則生長(zhǎng)程度和提高初始金屬間相覆蓋率。研究結(jié)果顯示有效的影響因素是引線類(lèi)型。毛細(xì)管劈刀類(lèi)型也會(huì)影響金屬間相的形成。但是，當(dāng)金屬間相覆蓋率大于70%時(shí)，金屬間相覆蓋率不再是主要因素。當(dāng)我們將焊盤(pán)間距為 70um 的毛細(xì)管劈刀和引線類(lèi)型用于 40um 時(shí),我們將遇到 HTS 和溫度循環(huán)失效問(wèn)題但是，通過(guò)選擇最佳毛細(xì)管劈刀類(lèi)型、引線類(lèi)型和ENC，我們可以在可靠性性能上取得很好的改善效果。

    

4. 熱循環(huán)使引線疲勞而失效

   1.熱循環(huán)峰值溫度對(duì)金相組織的影響熱循環(huán)不同峰值溫度條件下的金相組織如圖1所示。由圖1可看出，當(dāng)熱循環(huán)峰值溫度為1350℃時(shí)，冷卻后轉(zhuǎn)變成粗大的低碳馬氏體十少量的側(cè)板條貝氏體組織。當(dāng)熱循環(huán)峰值溫度為 950℃時(shí)，冷卻后組織明顯細(xì)化。當(dāng)熱循環(huán)峰值溫度為750℃時(shí)，對(duì)應(yīng)于熱影響區(qū)的部分淬火區(qū)，因高溫停留時(shí)間短，奧氏體成分均勻化很不充分，使該區(qū)組織為鐵素體+粒狀貝氏體組織。峰值溫度為600℃時(shí)，未超過(guò)調(diào)質(zhì)處理時(shí)的高溫回火溫度，組織以回火索氏體為主。

   2.熱循環(huán)峰值溫度對(duì)沖擊功的影響經(jīng)不同峰值溫度熱循環(huán)作用下，隨著熱循環(huán)峰值溫度的提高，沖擊功下降。當(dāng)熱循環(huán)峰值溫度超過(guò) 1100℃后，沖擊功已降低到較低水平。由此可以看出，隨著熱循環(huán)峰值溫度的增加，品粒長(zhǎng)大傾向增大，當(dāng)熱循環(huán)峰值溫度為1350℃時(shí)，奧氏體品粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，致使該區(qū)沖擊功低。

   3.引線疲勞

   在Au納米引線的熱疲勞測(cè)試中，將正弦交變電壓(Vpp=10V)輸入引線，從而在引線中產(chǎn)生交變熱應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)中交變電壓信號(hào)的頻率為50Hz-100Hz。如設(shè)由于交變電信號(hào)在引線中產(chǎn)生的溫度變化為T,則引線中產(chǎn)生的熱應(yīng)變?yōu)?/span>ε=(aAu-aSi)AT,其中(aAu-aSi)為 Au 和 Si 的熱膨脹系數(shù)之

   (aAu=1.42x10-5/oC; aSi =3x10-6/oC)。

   這一應(yīng)變將導(dǎo)致Au引線經(jīng)歷壓一壓疲勞循環(huán)。在實(shí)驗(yàn)中，記錄每一試件的疲勞失效壽命(指引線開(kāi)路時(shí)的疲勞循環(huán)次數(shù))，并同時(shí)通過(guò)SEM觀察引線表面的形貌變化。表給出了長(zhǎng)度為20um，三種不同寬度Au引線在相同交變電壓信號(hào)(Vpp=10V)，不同電壓頻率作用下的疲勞失效結(jié)果。對(duì)于同樣的輸入電壓隨著引線線寬的減小，其失效循環(huán)次數(shù)明顯減少。產(chǎn)生這一結(jié)果有兩個(gè)原因，其一是由于引線寬度的減少，導(dǎo)致其橫截面積相應(yīng)地減少，這樣在相同的電壓作用下，較窄的引線中將形成較大的電流，而隨著電流的增加，將在導(dǎo)線中引起較高的溫度及較大的熱應(yīng)力，從而加速了引線的疲勞失效;其二是由于本文的納米引線厚度僅35nm，寬度從500nm到150nm，引線材料中品粒在厚度方向?qū)⑿∮?/span>35nm，在寬度方向小于100nm。和以往研究者所利用的微米到亞微米晶粒相比，細(xì)化后的品粒能夠擬制位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，因而導(dǎo)致引線失效的原因可能是由局部界面損傷引起引線在寬度方向的破壞所控制。因此較寬和較薄的引線將具有更長(zhǎng)的疲勞壽命。結(jié)合中引線失效時(shí)的顯微圖片可以看到，在納米引線的表面并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)類(lèi)似于體材料疲勞時(shí)由于往復(fù)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的滑移在薄膜表面形成平行的起皺圖案(體材料在機(jī)械疲勞載荷作用下的擠出和擠入機(jī)制，在這些起皺位置由于引線橫截面積的突然減少將會(huì)導(dǎo)致局部電流過(guò)載引起焦耳熱而導(dǎo)致引線熔斷失效)。顯然，較大尺寸的引線(含有較大的晶粒)破壞過(guò)程由位錯(cuò)作用控制。而在本文的實(shí)驗(yàn)中由于引線細(xì)而薄，使得引線結(jié)構(gòu)中晶粒尺度減小，其疲勞行為受擴(kuò)散機(jī)制以及界面特性控制，而不是位錯(cuò)滑移機(jī)制控制。即損傷可能在膜基界面形核(由于納米晶粒的高強(qiáng)度很難在納米品薄膜上形成裂紋，且金薄膜和Si02界面為弱結(jié)合界面)，一旦局部界面脫粘，由電流誘導(dǎo)的邊界或界面擴(kuò)散將進(jìn)一步加速界面脫粘，最終將在壓-壓疲勞驅(qū)動(dòng)下形成局部跨線寬損傷區(qū)域，導(dǎo)致焦耳熱熔斷引線形成開(kāi)路失效。另外從引線失效顯微圖看到，三個(gè)線寬的引線疲勞損傷失效機(jī)制一致。在焦耳熱導(dǎo)致的高溫區(qū)品界消失成流動(dòng)狀態(tài)。由于失效過(guò)程為瞬態(tài)行為，失效區(qū)域由于高溫熔融，實(shí)驗(yàn)還無(wú)法觀察損傷前該區(qū)域的形貌特性。

    

5. 鍵合應(yīng)力過(guò)大造成的失效

   鍵合應(yīng)力過(guò)小會(huì)造成鍵合不牢，鍵合應(yīng)力過(guò)大會(huì)影響鍵合點(diǎn)的機(jī)械性能。應(yīng)力大不僅會(huì)造成鍵合點(diǎn)根部損傷，引起鍵合點(diǎn)根部斷裂失效，而且還會(huì)損傷鍵合點(diǎn)下的芯片材料，甚至出現(xiàn)裂縫等情況。這種損傷有時(shí)是肉眼可見(jiàn)的凹痕，更多是不可見(jiàn)的材料結(jié)構(gòu)損傷，這種損傷將降低器件性能并引發(fā)電損傷。其產(chǎn)生原因如下:

   (1)聲波能量過(guò)高導(dǎo)致Si晶格層錯(cuò);

   (2)楔鍵合時(shí)鍵合力過(guò)高或過(guò)低;

   (3)球鍵合時(shí)焊球太小致使堅(jiān)硬的鍵合工具接觸到了焊盤(pán)金屬化層:

   (4)焊盤(pán)厚度太薄;

   (5)AI絲超聲波鍵合時(shí)金屬絲太硬可能導(dǎo)致Si片出坑。