電子封裝課件：元器件的互連封裝技術(shù)

第三講元器件的互連封裝技術(shù)—引線鍵合（WireBonding）技術(shù)Review

電子封裝始于IC晶片制成之后，包括IC晶片的粘結(jié)固定、電路連線、密封保護(hù)、與電路板之接合、模組組裝到產(chǎn)品完成之間的所有過(guò)程。

電子封裝常見(jiàn)的連接方法有引線鍵合(wirebonding，WB)、載帶自動(dòng)焊（tapeautomatedbonding,TAB）與倒裝芯片(flipchip,FC)等三種，倒裝芯片也稱(chēng)為反轉(zhuǎn)式晶片接合或可控制塌陷晶片互連(controlledcollapsechipconnection,C4)

。什么是引線鍵合用金屬絲將芯片的I/O端（innerleadbondingpad:內(nèi)側(cè)引線端子）與對(duì)應(yīng)的封裝引腳或者基板上布線焊區(qū)（outerleadbondingpad:外側(cè)引線端子）互連，實(shí)現(xiàn)固相焊接過(guò)程，采用加熱、加壓和超聲能，破壞表面氧化層和污染，產(chǎn)生塑性變形，界面親密接觸產(chǎn)生電子共享和原子擴(kuò)散形成焊點(diǎn)，鍵合區(qū)的焊盤(pán)金屬一般為Al或者Au等，金屬細(xì)絲是直徑通常為20～50微米的Au、Al或者Si－Al絲。歷史和特點(diǎn)1957年Bell實(shí)驗(yàn)室采用的器件封裝技術(shù)，目前特點(diǎn)如下：

已有適合批量生產(chǎn)的自動(dòng)化機(jī)器；鍵合參數(shù)可精密控制，導(dǎo)線機(jī)械性能重復(fù)性高；速度可達(dá)100ms互連（兩個(gè)焊接和一個(gè)導(dǎo)線循環(huán)過(guò)程）；

焊點(diǎn)直徑：100

μm↘

50μm，↘

30

μm；

節(jié)距：100

μm↘

55μm，↘

35μm；

劈刀(Wedge,楔頭)的改進(jìn)解決了大多數(shù)的可靠性問(wèn)題；根據(jù)特定的要求，出現(xiàn)了各種工具和材料可供選擇；已經(jīng)形成非常成熟的體系。應(yīng)用范圍

低成本、高可靠、高產(chǎn)量等特點(diǎn)使得它成為芯片互連的主要工藝方法，用于下列封裝：

·

陶瓷和塑料BGA、單芯片或者多芯片

·

陶瓷和塑料(CerQuadsandPQFPs)

·

芯片尺寸封裝(CSPs)

·

板上芯片(COB)芯片互連例子采用引線鍵合的芯片互連球形鍵合兩種鍵合焊盤(pán)楔形鍵合三種鍵合（焊接、接合）方法

引線鍵合為IC晶片與封裝結(jié)構(gòu)之間的電路連線中最常使用的方法。主要的引線鍵合技術(shù)有超音波接合（UltrasonicBonding,U/SBonding）、熱壓接合(ThermocompressionBonding,T/CBonding)、與熱超音波接合(ThermosonicBonding,T/SBonding)等三種。機(jī)理及特點(diǎn)超聲焊接：超音波接合以接合楔頭(Wedge)引導(dǎo)金屬線使其壓緊于金屬焊盤(pán)上，再由楔頭輸入頻率20至60KHZ，振幅20至200μm，平行于接墊平面之超音波脈沖，使楔頭發(fā)生水平彈性振動(dòng)，同時(shí)施加向下的壓力。使得劈刀在這兩種力作用下帶動(dòng)引線在焊區(qū)金屬表面迅速摩擦，引線受能量作用發(fā)生塑性變形，在25ms內(nèi)與鍵合區(qū)緊密接觸而完成焊接。常用于Al絲的鍵合。鍵合點(diǎn)兩端都是楔形。鋁合金線為超音波最常見(jiàn)的線材；金線亦可用于超音波接合，它的應(yīng)用可以在微波元件的封裝中見(jiàn)到。

楔形鍵合

其穿絲是通過(guò)楔形劈刀背面的一個(gè)小孔來(lái)實(shí)現(xiàn)的，金屬絲與晶片鍵合區(qū)平面呈30～60°的角度，當(dāng)楔形劈刀下降到焊盤(pán)鍵合區(qū)時(shí)，楔頭將金屬絲按在其表面，采用超聲或者熱聲焊而完成鍵合。

超音波接合只能產(chǎn)生楔形接點(diǎn)(WedgeBond)。它所能形成的形成的連線弧度(稱(chēng)為Profile)與接點(diǎn)形狀均小于其他引線鍵合方法所能完成者。因此適用于焊盤(pán)較小、密度較高的IC晶片的電路連線；但超音波接合的連線必須沿著金屬迴繞的方向排列，不能以第一接點(diǎn)為中心改變方向，因此在連線過(guò)程中必須不斷地調(diào)整IC晶片與封裝基板的位置以配合導(dǎo)線的迴繞，不僅其因此限制了鍵合的速度，亦較不利于大面積晶片的電路連線。

熱壓焊：金屬線過(guò)預(yù)熱至約300至400℃的氧化鋁(Al2O3)或碳化鎢（WC）等耐火材料所制成的毛細(xì)管狀鍵合頭（BondingTool/Capillary,也稱(chēng)為瓷嘴或焊針），再以電火花或氫焰將金屬線燒斷并利用熔融金屬的表面張力效應(yīng)使線之末端成球狀（其直徑約金屬線直徑之2倍），鍵合頭再將金屬球下壓至已預(yù)熱至約150至250℃的第一金屬焊盤(pán)上進(jìn)行球形結(jié)合（BallBond）。在結(jié)合時(shí)，球點(diǎn)將因受壓力而略為變形，此一壓力變形之目的在于增加結(jié)合面積、減低結(jié)合面粗糙度對(duì)結(jié)合的影響、穿破表面氧化層及其他可能阻礙結(jié)合之因素，以形成緊密之結(jié)合。

球形鍵合過(guò)程1、毛細(xì)管(capillary)與焊盤(pán)(bondpad)對(duì)準(zhǔn)，把金線末端生成半徑為1.5～2倍金線半徑的球狀突起和毛細(xì)管口貼緊。2、毛細(xì)管降下，球狀突起與焊盤(pán)接觸，綜合壓力、加熱能量等使球狀突起變形成為焊點(diǎn)形狀。3、單點(diǎn)鍵合完成后，毛細(xì)管升起，金線從毛細(xì)管中抽出，隨毛細(xì)管移動(dòng)到第二個(gè)焊盤(pán)上方。4、當(dāng)毛細(xì)管移到位后，用與焊第一點(diǎn)類(lèi)似的技術(shù)，在襯底上形成楔形壓痕。5、毛細(xì)管上升，離開(kāi)襯底。到某一預(yù)定高度，金線被夾緊，毛細(xì)管繼續(xù)上升。金線在最細(xì)處被拉斷。6、新的球狀突起在金線末端形成。一般使用電火花技術(shù)。鍵合過(guò)程結(jié)束。準(zhǔn)備下一鍵合過(guò)程。

球形結(jié)合完成后，結(jié)合工具升起并引導(dǎo)金屬線至第二個(gè)金屬焊盤(pán)上進(jìn)行楔形結(jié)合，由于結(jié)合工具頂端為一圓錐形，所得之第二接點(diǎn)通常呈新月?tīng)睿–rescentBond）熱壓結(jié)合屬于高溫結(jié)合過(guò)程，金線因具有高導(dǎo)電性與良好的抗氧化特性而成為最常被使用的導(dǎo)線材料；鋁線也可被用于熱壓結(jié)合，但因鋁線不易在線之末端成球，故一般仍以楔形接點(diǎn)的形態(tài)完成連線結(jié)合。

熱聲焊：為熱壓結(jié)合與超音波結(jié)合的混合方法。熱超音波結(jié)合也先在金屬線末端成球，再使用超聲波脈沖進(jìn)行導(dǎo)線材與金屬接點(diǎn)間之結(jié)合。熱超音波結(jié)合的過(guò)程中結(jié)合工具不被加熱而僅僅是結(jié)合之基板維持在100至150℃的溫度，此一方法除了能抑制結(jié)合界面介金屬化合物(IntermetallicCompounds)之成長(zhǎng)之外，并可降低基板的高分子材料因溫度過(guò)高而產(chǎn)生劣化變形的機(jī)會(huì)，因此熱超音波結(jié)合通常應(yīng)用于結(jié)合困難度較高的封裝連線。金線為熱超音波結(jié)合最常被使用的材料。鍵合接頭形貌球形鍵合第一鍵合點(diǎn)第二鍵合點(diǎn)楔形鍵合第一鍵合點(diǎn)第二鍵合點(diǎn)比較WB壓力溫度(OC)超聲能量導(dǎo)線焊盤(pán)熱壓型高300-500不需要金(Au)金，鋁超聲型低25需要金(Au)，鋁(Al)金，鋁熱超聲型低100-150需要金(Au)金，鋁WB鍵合工具導(dǎo)線焊盤(pán)速度球形毛細(xì)管金(Au)金，鋁10線/s楔形楔金(Au)，鋁(Al)金，鋁4線/s比較比較鍵合設(shè)備

鍵合速度不斷提高、間距不斷減小，操作穩(wěn)定性提高。楔形和球形鍵合速度分別可達(dá)4

wires/sec和10wires/second

很多分析設(shè)備用于優(yōu)化鍵合劈刀的性能，精密圖象處理系統(tǒng)使其能夠進(jìn)行精確定位已經(jīng)出現(xiàn)了全自動(dòng)化的設(shè)備。在20分鐘內(nèi)就可以完成少量的工具和軟件的調(diào)整以適應(yīng)不同的產(chǎn)品。楔形鍵合楔形,手工鍵合機(jī)

楔形劈刀和毛細(xì)管劈刀劈刀常常是通過(guò)氧化鋁或者碳化鎢進(jìn)行粉末燒結(jié)而成。對(duì)于一些單一用途的工具，也可以用玻璃、紅寶石和碳化鈦來(lái)代替。用于球形鍵合的毛細(xì)管劈刀用于Al絲鍵合的楔形劈刀毛細(xì)管劈刀描述

主要任務(wù):具備一個(gè)內(nèi)斜面以形成第一個(gè)鍵合點(diǎn)，一個(gè)合理設(shè)計(jì)而又光滑的孔適合弧度的形成，具有一個(gè)尖的外圓面以便于第二鍵合點(diǎn)的截?cái)唷Ｅ短攸c(diǎn)----I.C.(內(nèi)斜面)非常重要的參數(shù)影響自由空氣聚集和第一鍵合點(diǎn)的壓制半徑。同時(shí)也影響弧度的形成，以保證光滑的絲線傳送。在應(yīng)用時(shí)候要考慮一下特點(diǎn)內(nèi)斜面角度90degree

和底面角度為0或者4度時(shí)配合可以?xún)?yōu)化第二鍵合點(diǎn)的截?cái)?，適合于非常小底第一鍵合點(diǎn)要求。120degree

提高對(duì)第一鍵合點(diǎn)的黏附作用解決彎曲翹起，和底面角8度配合可以?xún)?yōu)化鍵合點(diǎn)形狀。

內(nèi)斜面形狀低拖動(dòng)面（L.D.）適合

較長(zhǎng)的弧度軌跡較低而精確的弧度軌跡

雙內(nèi)斜面最標(biāo)準(zhǔn)最常用的劈刀斜面

F.A.(底面角)

底面角度影響:

第二鍵合點(diǎn)的形狀和強(qiáng)度第二鍵合點(diǎn)的截?cái)?/p>

0degree

配合90度的內(nèi)斜面角度具有很好的導(dǎo)線截?cái)嗄芰?，一般不用于柔軟的材料如陶瓷或者電路板上的薄膜。不宜采用大的鍵合頭。

底面角

4degree專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于解決8度或者0度的問(wèn)題，建議使用小的鍵合頭8degree

一般用途，很好的第二鍵合點(diǎn)絲線截?cái)嗄芰?5degree

僅僅用于熱壓焊，使用較少

鍵合頭直徑（T）主要影響第二鍵合點(diǎn)的強(qiáng)度，在允許的范圍內(nèi)應(yīng)該盡可能大，小鍵合頭適合于較密（細(xì)間距）鍵合，小鍵合頭適合于手工操作。鍵合頭鍍層光滑涂層較長(zhǎng)的使用壽命，要進(jìn)行拋光，使得第二鍵合點(diǎn)光亮，減少金屬的殘留和聚集粗糙的涂層

僅僅內(nèi)斜面拋光，第二鍵合點(diǎn)強(qiáng)度高，第一鍵合點(diǎn)光亮提高超聲能作用錐體角度(C.A.)

主要影響到達(dá)鍵合位置的能力，尤其是細(xì)間距情況下以及到達(dá)第二點(diǎn)的距離。30/20degreeC.A.平頸劈刀長(zhǎng)度

標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為0.375"和0.437"，后者允許更深的接觸，較小的長(zhǎng)度公差可保證較好的超聲反應(yīng)。鍵合材料引線－金絲

廣泛用于熱壓和熱聲焊，絲線表面要光滑和清潔以保證強(qiáng)度和防止絲線堵塞，純金具有很好的抗拉強(qiáng)度和延展率，高純金太軟，一般加入約

5-10ppm

重量的Be或者30-100ppm的Cu，摻Be的引線強(qiáng)度一般要比摻Cu的高10-20%。鋁絲

純鋁太軟而難拉成絲，一般加入

1%Si

或者1%Mg以提高強(qiáng)度。室溫下1%的Si

超過(guò)了在鋁中的溶解度，導(dǎo)致Si的偏析，偏析的尺寸和數(shù)量取決于冷卻數(shù)度，冷卻太慢導(dǎo)致更多的Si顆粒結(jié)集。Si顆粒尺寸影響絲線的塑性，第二相是疲勞開(kāi)裂的萌生潛在位置。摻1%鎂的鋁絲強(qiáng)度和摻1%硅的強(qiáng)度相當(dāng)。抗疲勞強(qiáng)度更好，因?yàn)殒V在鋁中的均衡溶解度為2%,于是沒(méi)有第二相析出。銅絲

最近人們開(kāi)始注意銅絲在IC鍵合中的應(yīng)用；便宜，資源充足；在塑封中抗波動(dòng)（在垂直長(zhǎng)度方向平面內(nèi)晃動(dòng)）能力強(qiáng)；主要問(wèn)題是鍵合性問(wèn)題；比金和鋁硬導(dǎo)致出現(xiàn)彈坑和將金屬焊區(qū)破壞；由于易氧化，要在保護(hù)氣氛下鍵合。金屬冶金系：Au-Au系

不同的金屬焊區(qū)和絲線導(dǎo)致不同的金屬冶金系，便具有不同的可靠性行為。典型的合金系有：Au-Au系金絲線與金焊盤(pán)鍵合最可靠，沒(méi)有界面腐蝕和金屬間化合物形成，即使進(jìn)行冷超聲也能形成鍵合，熱壓和熱聲焊很容易進(jìn)行，表面污染嚴(yán)重影響熱壓焊的可鍵合性Au-Al系是最常見(jiàn)的鍵合搭配，

容易形成AuAl金屬間化合物，如Au5Al2(棕褐色),Au4Al(棕褐色),Au2Al(灰色),AuAl(白色),AuAl2(深紫色)，

AuAl2

即使在室溫下也能在接觸界面下形成，然后轉(zhuǎn)變成其他IMC，帶來(lái)可靠性問(wèn)題，這些IMC晶格常數(shù)、機(jī)械、熱性能不同，反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生物質(zhì)移動(dòng)，從而在交界層形成可見(jiàn)的柯肯達(dá)爾效應(yīng)，或者產(chǎn)生裂紋。Au-Cu系金絲鍵合到銅引腳上情形，三種柔軟的IMC相

(Cu3Au,AuCu,和Au3Cu)活化能在0.8到1電子伏特之間，它們?cè)诟邷?200-325oC)時(shí)候由于柯肯達(dá)爾效應(yīng)容易降低強(qiáng)度，強(qiáng)度的降低明顯取決于微觀結(jié)構(gòu)、焊接質(zhì)量和銅的雜質(zhì)含量，表面清潔度對(duì)于可鍵合性以及可靠性至關(guān)重要，另外如果有機(jī)聚合材料用于晶片的連接，那么聚合材料要在保護(hù)氣氛下固化以防止氧化。Au-Ag系A(chǔ)u-Ag鍵合系的高溫長(zhǎng)時(shí)間可靠性很好，無(wú)IMC形成且無(wú)腐蝕金絲鍵合到鍍銀的引腳上已經(jīng)使用多年硫的污染會(huì)影響可鍵合性常在高溫下(約250oC)進(jìn)行熱聲鍵合，以分離硫化銀膜而提高可鍵合性。Al-Al系極其可靠，無(wú)IMC，無(wú)腐蝕，超聲鍵合更好Al-Ag系A(chǔ)g-Al相圖非常復(fù)雜，有很多IMC，柯肯達(dá)爾效應(yīng)容易發(fā)生，但是在工作溫度以上，實(shí)際很少使用這種搭配，因?yàn)橄嗷U(kuò)散和濕度條件下的氧化，氯是主要的腐蝕元素，鍵合表面必須要用溶劑清洗.然后用硅膠防護(hù)。Al-Ni系A(chǔ)l-Ni鍵合使用直徑大于75

m的Al線,以避免發(fā)生柯肯達(dá)爾空洞效應(yīng)。應(yīng)用于高溫功率器件，如航行器的葉片。對(duì)于鍵合區(qū)，多數(shù)情況下Ni是通過(guò)硼化物或者磺胺溶液化學(xué)鍍沉積的，而化學(xué)鎳磷鍍會(huì)引入6至8%的磷而影響可靠性，但是Ni的氧化也會(huì)產(chǎn)生可鍵合性的問(wèn)題。鍍Ni的鍵合應(yīng)該進(jìn)行化學(xué)清洗。Cu-Al系在富銅的一邊，會(huì)有5種IMC形成，于是失效和Au－Al系相似。但是IMC的生長(zhǎng)較慢，無(wú)柯肯達(dá)爾效應(yīng)。但是由于脆性相CuAl2

生長(zhǎng)，剪切強(qiáng)度在150-200oC

會(huì)降低。在300-500oC,鍵合強(qiáng)度顯著降低，由于總的IMC厚度增加。銅氧化物層的存在會(huì)提高可靠性。氯的污染會(huì)導(dǎo)致腐蝕應(yīng)用－1應(yīng)用－2低弧度鍵合超細(xì)間距（60μm）QFP封裝的鍵合

25μm接地鍵合：球/楔疊層鍵合應(yīng)用－3超細(xì)間距楔形鍵合40μm

間距的第一和第二鍵合點(diǎn)40μm鍵合弧度.短線接地，長(zhǎng)線接引腳.復(fù)合多次鍵合常常用于3D/疊裝的晶片鍵合引線鍵合指南球形鍵合接頭第二鍵合接頭比較細(xì)間距能力比較40-μm焊盤(pán)間距時(shí)球形和楔形鍵合第一鍵合點(diǎn)比較弧度走線方向(A)第一點(diǎn)為球形，絲線走向無(wú)限制。(B)第一點(diǎn)為楔形，絲線走向只能按一定角度平行于焊盤(pán)。(C)旋轉(zhuǎn)的鍵合頭可使得第一點(diǎn)為楔形，而走線可在一段長(zhǎng)度后改變方向。引線鍵合設(shè)計(jì)

引線彎曲疲勞、鍵合點(diǎn)剪切疲勞、相互擴(kuò)散、柯肯達(dá)爾效應(yīng)、腐蝕、枝晶生長(zhǎng)、電氣噪聲、振動(dòng)疲勞、電阻改變、焊盤(pán)開(kāi)裂是要考慮的方面。其輸入因素有：

芯片技術(shù)、材料和厚度，鍵合焊盤(pán)材料、間距、尺寸，時(shí)鐘頻率、輸出高或者低電壓，每單位長(zhǎng)度的最大允許互連電阻，最大的輸出電容負(fù)載，晶體管導(dǎo)電電阻，最大的互連電感。鍵合材料選擇引線材料、絲線直徑、電導(dǎo)率、剪切強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、柏松比、,硬度、熱膨脹系數(shù)等是關(guān)鍵因素。焊盤(pán)材料電導(dǎo)率、可鍵合性、形成IMC和柯肯達(dá)爾效應(yīng)傾向、硬度、抗腐蝕能力、熱膨脹系數(shù)

包括引線、IC金屬焊區(qū)和引腳的焊盤(pán)。材料選擇

一系列的要求使得以下要點(diǎn)很重要：

絲線材料必須是高導(dǎo)電的，以確保信號(hào)完整性不被破壞。

球形鍵合的絲線直徑不要超過(guò)焊盤(pán)尺寸的1/4，楔形則是1/3，鍵合頭不要超過(guò)焊盤(pán)尺寸的3/4。焊盤(pán)和鍵合材料的剪切強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度很重要，屈服強(qiáng)度要大于鍵合中產(chǎn)生的應(yīng)力。材料選擇鍵合材料要有一定的擴(kuò)散常數(shù)，以形成一定的IMC，達(dá)到一定的焊接強(qiáng)度，但是不要在工作壽命內(nèi)生長(zhǎng)太多：Gold-copper鍵合不要用于高溫應(yīng)用場(chǎng)合。Gold－Gold鍵合非常可靠。Gold－Ag鍵合的長(zhǎng)期高溫可靠性好。Silver-Al的應(yīng)用要小心。Aluminum－nickel鍵合在各種環(huán)境下都比較可靠。Aluminum—aluminum鍵合非?？煽?。銅絲具有經(jīng)濟(jì)和在塑封過(guò)程中抗晃動(dòng)的能力等優(yōu)點(diǎn)。鍵合表面的Ni、Cu和Cr的使用要小心。材料選擇

鍵合焊盤(pán)要控制雜質(zhì)，以提高可鍵合性，鍵合表面的金屬沉積參數(shù)要嚴(yán)格控制,并防止氣體的進(jìn)入。絲線和焊盤(pán)硬度要匹配：如果絲線硬度大于焊盤(pán)，會(huì)產(chǎn)生彈坑；若小于焊盤(pán)，則容易將能量傳給基板。鍵合點(diǎn)設(shè)計(jì)-球形鍵合

球尺寸一般是絲線直徑的

2到3倍，細(xì)間距約1.5倍，大間距為3到4倍。

鍵合頭尺寸不要超過(guò)焊盤(pán)尺寸的3/4。一般是絲線直徑的2.5到5倍，取決于劈刀幾何現(xiàn)狀和運(yùn)動(dòng)方向。

一般弧度高度是150

m。

弧度長(zhǎng)度要小于100倍的絲線直徑。鍵合點(diǎn)設(shè)計(jì)-楔形鍵合

即使鍵合點(diǎn)只大于絲線2-3

m也可形成牢固的鍵合。焊盤(pán)尺寸必須支持長(zhǎng)的鍵合點(diǎn)和尾端。焊盤(pán)長(zhǎng)軸必須在絲線的走向方向。焊盤(pán)間距因該適合于固定的鍵合間距。清洗

為了保證很好的鍵合性和可靠性，材料的表面污染是個(gè)極其重要的問(wèn)題，則清洗至關(guān)重要：常用的清洗方法有：分子清洗、等離子體清洗和紫外－臭氧清洗。Cl-和F-很難被這些方法清洗，因?yàn)槭腔瘜W(xué)結(jié)合，于是各種溶劑清洗技術(shù)如氣相氟碳化合物、去離子水等可選用。等離子體清洗使用高射頻（IR）功率將氣體轉(zhuǎn)換為等離子體，高速的氣體離子沖擊鍵合表面，要么和污染物結(jié)合，要么破壞其物理形態(tài),從而使其濺射掉。一般被離化的氣體有氧、氬和氮如：80%Ar+20%O2或者80%O2+20%Ar.O2/N2

等離子體也用于清洗焊盤(pán)上的環(huán)氧有機(jī)物。紫外－臭氧清洗器發(fā)射1849?和2537?的波長(zhǎng)。The1849?UV能量破壞O2

分子結(jié)構(gòu)形成離子氧(O+O)，與O2

結(jié)合成為臭氧O3。臭氧在2537?UV能量下分解為O2和離子氧。任何水分都可破壞為自由的OH基，這些活潑的基團(tuán)(OH,O3,andO)可和碳?xì)浠衔锓磻?yīng)生成CO2+H2O氣體。

2537?UV的高能量也有助于破壞化學(xué)鍵。b)紫外－臭氧清洗鍵合參數(shù)

鍵合力和壓力的一致性。鍵合溫度。鍵合時(shí)間。超聲能的功率和頻率。鍵合抗拉強(qiáng)度與形變寬度以及超聲能功率的關(guān)系鍵合評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)方法列于標(biāo)準(zhǔn)

MIL-STD-833.

內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況的檢測(cè)(Method2010;測(cè)試條件A和B)

信號(hào)延遲測(cè)試(Method3003)

鍵合點(diǎn)破壞拉力測(cè)試(Method2011)

鍵合點(diǎn)非破壞拉力測(cè)試(Method2023)

鍵合球的剪切測(cè)試加速測(cè)試(Method2001;）

自由振動(dòng)測(cè)試(Method2026)

機(jī)械沖擊(Method2002)

恒溫烘烤(Method1008)

潮氣吸附測(cè)試(Method1004)

鹵化物：等離子刻蝕、等粒子清洗、環(huán)氧物、刻蝕掩膜的殘留、溶劑（TCA,TCE,以及四氯化碳等）。鍍層層涂覆時(shí)的污染:鉈,光亮劑、鉛、鐵、鉻、銅、鎳、氫等。硫:包裝容器、周?chē)鷼夥铡⒓埌?、橡膠。多種有機(jī)污染:環(huán)氧污物、刻蝕掩膜等。其他導(dǎo)致腐蝕或者破壞可鍵合性的物質(zhì):鈉、鉻、磷、鉍、鎘、潮氣、玻璃、氮、碳、銀、錫等很多人為因素：身體上的小顆粒。焊盤(pán)清潔度鍵合失效–焊盤(pán)產(chǎn)生彈坑

這是一種超聲鍵合中常見(jiàn)的一種缺陷，指焊盤(pán)金屬化下面的半導(dǎo)體玻璃或者其他層的破壞。像一塊草皮形狀，更一般的是難以肉眼看得見(jiàn)。它會(huì)影響電性能。原因有多種：過(guò)高的超聲能導(dǎo)致Si晶格點(diǎn)陣的破壞積累。太高或者太低的鍵合壓力。鍵合頭運(yùn)動(dòng)到焊盤(pán)的速度太大。球太小導(dǎo)致堅(jiān)硬的鍵合頭接觸了焊盤(pán)

1-3微米厚的焊盤(pán)發(fā)生破壞的可能性小，小于0.6微米厚的焊盤(pán)容易破壞。絲線和焊盤(pán)硬度匹配可達(dá)到最優(yōu)的效果。在Al的超聲鍵合中，絲線太硬容易導(dǎo)致彈坑的產(chǎn)生鍵合失效-鍵合點(diǎn)開(kāi)裂和翹起

鍵合點(diǎn)的后部過(guò)分地被削弱，而前部過(guò)于柔軟會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂。在弧度循環(huán)中絲線太柔軟也是一個(gè)導(dǎo)致這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。這種開(kāi)裂常常發(fā)生在Al楔形鍵合第一點(diǎn)和球形鍵合的第二點(diǎn)。Al楔形鍵合第一點(diǎn)尾部的開(kāi)裂

開(kāi)裂原因

使用的截?cái)喙ぞ咛?。?duì)位工具的移動(dòng)。當(dāng)鍵合頭提起時(shí)候機(jī)器的振動(dòng)。過(guò)度的變形。第一鍵合點(diǎn)完成后工具移動(dòng)太快。鍵合的弧度太高，如果第二鍵合點(diǎn)低于第一點(diǎn)，開(kāi)裂現(xiàn)象會(huì)加劇。鍵合失效-鍵合點(diǎn)尾部不一致楔形鍵合容易發(fā)生這種問(wèn)題，又極其不容易解決。原因有：

絲線的通道不干凈。絲線的進(jìn)料角度不對(duì)。劈刀有部分堵塞。絲線夾太臟。不正確地絲線夾距或者夾力。絲線張力不對(duì)。尾部太短會(huì)導(dǎo)致鍵合力加在過(guò)小的面積上，產(chǎn)生較大的變形；太長(zhǎng)又會(huì)導(dǎo)致焊盤(pán)間的短路。鍵合點(diǎn)剝離

當(dāng)鍵合頭將絲線部分拖斷而不是截?cái)嗟臅r(shí)候會(huì)發(fā)生這種情況。常常由于工藝參數(shù)選擇不對(duì)或者是工具已經(jīng)老化失效的原因?？煽啃允А狪MC的形成

金屬間化合物一般包含2種以上的金屬元素。它隨著時(shí)間和溫度的增加而長(zhǎng)大，容易導(dǎo)致機(jī)械和電性能的破壞。主要原因是柯肯達(dá)爾空洞和IMC的生長(zhǎng)密切相關(guān)?？斩丛阪I合點(diǎn)下面會(huì)導(dǎo)致電阻的升高和弱化機(jī)械強(qiáng)度。Al-Au金屬間

化合物形貌可靠性失效-IMC的形成IMC在室溫下就能形成，柯肯達(dá)爾效應(yīng)一般要高溫例如Au－Al系在300-400oC下1小時(shí)。如果鍵合效果較好就很難在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)生這種效應(yīng)而破壞性能。這種空洞是鍵合中空位的聚集、濃縮而成的?？瘴挥?個(gè)來(lái)源，一是原來(lái)金屬得晶格點(diǎn)陣本身就帶有空位，二是某一固定區(qū)域擴(kuò)散的不平衡（原子進(jìn)入和逸出數(shù)目不等）。雜質(zhì)和不同的熱膨脹會(huì)加劇空洞的形成：高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生,在后續(xù)的時(shí)效過(guò)程中，微裂紋成為空位的集聚地，從而加大空洞的形成。由于雜質(zhì)的溶解度小，便在擴(kuò)散的前端聚集，成為空位的形核位置。可靠性失效-絲線彎曲疲勞

鍵合點(diǎn)根部容易發(fā)生

微裂紋。器件在使用中，這種微裂紋在絲線的膨脹和收縮下會(huì)沿絲線擴(kuò)展。絲線的彎曲會(huì)導(dǎo)致鍵合點(diǎn)根部應(yīng)力的反轉(zhuǎn)，最后導(dǎo)致疲勞失效。而且這種彎曲會(huì)在器件使用的熱循環(huán)中反復(fù)發(fā)生。Al的熱聲焊比熱壓焊在這方面更可靠。含0.1%鎂的鋁比含1％硅的Al絲在這方面效果好的多。弧度的高度最好小于兩個(gè)鍵合點(diǎn)距離的25%

以減少絲線的彎曲。可靠性失效-

鍵合點(diǎn)翹起

鍵合過(guò)程中，鍵合點(diǎn)的頸部容易發(fā)生斷裂，導(dǎo)致電氣失效。金屬鉈（TI）是主要原因，它與金形成低熔點(diǎn)共晶，并向絲線傳遞。鉈很容易擴(kuò)散到晶界而聚集.在塑封溫度循環(huán)中，頸部斷裂。球形的破裂也會(huì)導(dǎo)致鍵合點(diǎn)翹起?？煽啃允ВI合點(diǎn)腐蝕腐蝕容易導(dǎo)致電氣短路和斷路。腐蝕是在潮氣和污染條件下發(fā)生的。

例如鹵素的存在會(huì)導(dǎo)致金屬鹽的形成而發(fā)生腐蝕。腐蝕會(huì)增加結(jié)合點(diǎn)的電阻。鍵合失效－引線框架腐蝕鍍層污染過(guò)多和較高的殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致這種腐蝕。例如42號(hào)合金或者銅上鍍Ni就會(huì)發(fā)生中問(wèn)題。

在組裝過(guò)程中，引腳彎曲會(huì)產(chǎn)生裂紋，并暴露在外部腐蝕條件下，同時(shí)應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的裂紋也會(huì)萌生，尤其是對(duì)42號(hào)合金。在一定的溫度、濕度、和偏壓下，腐蝕就會(huì)因污染、鍍層中的孔隙等而發(fā)生。電流腐蝕會(huì)很厲害，因?yàn)橐€鍍層對(duì)于基體金屬而言是陰極。最敏感的地方是引腳和模壓化合物的界面。可靠性失效－金屬遷移從鍵合焊盤(pán)處的枝晶生長(zhǎng)是IC的一種失效機(jī)制。本質(zhì)上這是一種電解過(guò)程：在金屬、聚集的水、離子群以及偏壓的存在下，金屬離子從陽(yáng)極區(qū)遷移到陰極區(qū)。這種遷移現(xiàn)象導(dǎo)致臨近區(qū)域的電流泄漏以及短路。

Ag的遷移最常見(jiàn)，但在一定條件下，Pb,Sn,Ni,Au和Cu也可能發(fā)生。可靠性失效—振動(dòng)疲勞振動(dòng)力一般不足以產(chǎn)生失效破壞，但大元件有時(shí)會(huì)發(fā)生。對(duì)于Au鍵合，能導(dǎo)致失效反應(yīng)的最小頻率為3到5kHz。對(duì)于Al鍵合，能導(dǎo)致失效反應(yīng)的最小頻率為10kHz。一般地，振動(dòng)疲勞導(dǎo)致的失效發(fā)生在超聲清洗中，建議頻率為20到100kHz。未來(lái)的鍵合技術(shù)鍵合間距進(jìn)一步減小，未來(lái)10年內(nèi)，40微米的高可靠性鍵合。鍵合弧度低于150mm以適應(yīng)微型化的發(fā)展。高可靠的Cu鍵合?？焖俚逆I合周期和低溫鍵合技術(shù)以適應(yīng)BGA的嚴(yán)格要求。高精度的攝像和位置反饋系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)。多旋轉(zhuǎn)頭的鍵合設(shè)備。面臨極大的鍵合數(shù)量將導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備的大量占地面積。晶片粘結(jié)

晶片粘結(jié)（DieAttach或DieMount）也稱(chēng)為粘晶，是將IC晶片固定于封裝基板或引腳架晶片座上的步驟。晶片粘結(jié)可以利用金硅共晶反應(yīng)、玻璃膠、高分子膠或焊接等方法來(lái)完成。使用的方法及材料依據(jù)封裝密封的技術(shù)而有所不同。共晶粘結(jié)法與玻璃膠粘結(jié)法為陶瓷與金屬氣密性封裝（HermeticPackages）常用的晶片粘結(jié)方法，塑膠封裝則多使用高分子膠粘結(jié)法。

利用金硅的共晶（Eutectic）反應(yīng)以進(jìn)行IC晶片與封裝基板之間的粘結(jié)在陶瓷封裝中有廣泛的應(yīng)用，在塑膠封裝中因?yàn)榇朔椒y以消除IC晶片與銅引腳架間的應(yīng)力，故使用較少。共晶粘結(jié)法是利用金硅合金在含3wt%硅，363℃時(shí)之共晶熔合反應(yīng)而產(chǎn)生接合。一般的制程方法是將硅晶片置于陶瓷基板的鍍金孔洞中，再加熱到約425℃借助金硅共晶反應(yīng)液面的移動(dòng)使硅逐漸擴(kuò)散至金中而形成緊密接合。在共晶反應(yīng)之前，封裝基板與晶片通常有一交互磨擦的動(dòng)作以除去晶片背面的硅氧化層，以使共晶溶液獲得最佳潤(rùn)濕；反應(yīng)必須在熱氮?dú)庹诒蔚沫h(huán)境中進(jìn)行，以防止