（材料加工工程专业论文）单晶铜丝在半导体器件封装中的打线键合性能研究.pdfVIP

兰州理工大学硕士学位论文 摘要 摘要 铜线引线互连技术的应用已经成为微电子封装业的趋势。一些研究表明，铜线具 有比金线更好的机械性能和电学性能，且价格比金线便宜。这些优势使铜线可代替金 线用于一些高引出端、细间距的球焊和楔型焊的半导体器件中。 本研究的目的在于评价单晶铜丝在引线键合过程中的可键合性和键合的可靠性。 本文测试了单晶铜丝的机械性能，如破断力和延伸率。将退火后的铜丝分别球键合和 楔键合在金衬底( 印刷电路板上蒸镀有一层1 - 2 微米厚的金) 和铝衬底( 硅片上溅射 有一层2 微米厚的铝) 上。进而测试了焊点的线拉断力和球剪切力并分析了样品的失 效模式。在焊点的剪切面上做e d a x ，识别了铜一金和铜铝之间的金属间化台物相。焊 点横截面的光学照片和扫描电镜照片反映了金属间化合物的显微形貌。另外，为了研 究热老化对焊点可靠性的影响，一些样品被放置在恒温炉中储存5 0 0 小时。对热老化 前后焊点拉断力和剪切力的变化做了比较。焊点横截面的光学照片和扫描电镜照片揭 示了热老化前后金属问化合物的变化。 研究结果表明，在没有保护气氛的环境下，单晶铜丝可以热超声球键台和楔键合 在金衬底和铝衬底上。在铜金界面发现了c u 3 a u 和a u c u 的金属间化合物，而在铜 铝界面发现了c u a l 2 的金属间化合物。焊点线拉断力和球剪切力的值呈正态分布且可 以满足工业上的要求。5 0 0 小时的热老化对焊点的可靠性有一定的影响。热老化后，在 铜一金的界面发现了柯肯得尔孔洞，而对于铜铝界面而言，熟老化前后均未发现柯肯得 尔孔洞。 关键词：单晶铜丝引线键合 微电子封装金属间化合物热老化可靠性 兰捌矍三查堂堕主兰垒堡苎 塑薹 e v a l u a t i o no f b o n d a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f s i n g l ec r y s t a lc o p p e r w i r e b o n d i n g i ns e m i c o n d u c t o r p a c k a g i n g a b s t r a c t c o p p e r - b a s e di n t e r c o n n e c t i sa i le m e r g i n gs e n di nm i c r o e l e e t r o n i c sp a c k a g i n g s o m es t u d i e s h a v es h o w nt h a tc o p p e rw i r e sm a ys e r v ea sav i a b l e ，c o s t e f f e c t i v ea l t e r n a t i v et og o l di n s o m eh i 吐一e n d ，b a l la n dw e d g eb o n d i n ga p p l i c a t i o n s t h i ss t u d yi si n t e n d e dt oe v a l u a t et h e b o n d a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fs i n g l ec r y s t a lc o p p e r w i r eb o n d i n g m e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss u c h a sb r e a kl o a da n de l o n g a t i o n0 fs i n g l ec r y s t a lc o p p e rw i r e sa r ec h a r a c t e r i z e d a f t e ra n n e a l i n g , t h ec o p p e rw i r e sa r eb o n d e do ng o l d ( 1 - 2m i c r o nt h i c k ) a n da l u m i n u m ( 2m i c r o n ) s u r f a c e , s w i t h o u tg a sp r o t e c t i o n b o t hb a l lb o n d i n ga n dw e d g eb o n d i n ga r ep e r f o r m e d w i r ep u l la n d b a l ls h e a rs t r e n g t ha r em e a s u r e d f a i l u r em o d e so ft h ef a i l e ds a m p l e sa r ed i s c u s s e d t h e i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s ( i m c s ) b e t w e e nc o p p e ra n d g o l d a n db e t w e e n c o p p e r a n d a l u m i n u ma r ei d e n t i f i e do nt h ef r a c t u r e ds u r f a c e sb ye d a x o p t i c a la n ds e mm i c r o s c o p y o nc r o s s s e c t i o n sa r ec o n d u c t e dt oi n s p e c tt h em o r p h o l o g yo fi m c s i na d d i t i o n ，s o m e s p e c i m e n s a r ea n n e a l e da ta h i g ht e m p e r a t u r ef o r5 0 0 h r si no r d e rt oi n v e s t i g a t ec h ee f f e c to f t h e r m a la g i n go nw i r eb o n dr e l i a b i l i t y a f t e rt h e r m a la g i n g , w i r ep u l la n db a l ls h e a rt e s t sa r e p e r f o r m e da n dt h et e s tr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h o s ew i t h o u tt h e r m a la 西n g o p t i c a la n d s e m m i c r o s c o p yo n c r o s s s e c t i o n sa r ea l s oc o n d u c t e dt oi n s p e c tt h ec h a n g e so f1 m c sd u e t o t h e r m a la g i n g f r o mt h ep r e s e n ts t u d y i ti sf o u n dt h a ts i n g l ec r y s t a lc o p p e rw i r e sc a nb eb o n d e do nt h eg o l d p a da n dt h e a l u m i n u mp a db yt h e r m o s o n i cb a l lb o n d i n ga n dw e d g eb o n d i n gw i t h o u tg a s p r o t e c t i o n c u 3 a ua n da u c u i m c sa r ef o u n da tt h ec o p p e r g o l di n t e r f a c ew h i l ec u a l 2i s l i 兰型堡三查堂堡主堂堡丝塞里 f o u n da tt h ec o p p e r a l u m i n u mi n t e r f a c e t h ew i r ep u l ls t r e n g t h a n db a l ls h e a rs t r e n g t h a p p e a r t ob en o r m a l a f t e rt h e r m a la g i n g ，s o m ee f f e c t so n w i r eb o n dr e l i a b i l i t ya r eo b s e r v e d f u r t h e r m o r e ，k i r k e n d a l lv o i d sa r ed i s c o v e r e d a tt h ec u a ui n t e r f a c ea f t e rt h e r m a la g i n g - t h e e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e ，t e s t r e s u l t sa n d c o m p a r i s o n s w i l lb e r e p o r t e d i nd e t a i l si nt h i st h e s i s k e y w o r d s ： s i n g l ec r y s t a lc o p p e r w i r ew i r eb o n d i n g e l e c t r o n i cp a c k a g i n g i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d ( i m q t h e r m a la g i a g r e l i a b i l i t y i i i 原创性声明 y 7 2 0 9 9 2 本人声明，所呈的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了论文中特射加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得兰州理工大学或其他单位的学位或 证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了 明确的说明。 作者签名： 他华 日期：力心年f 月；f 臼 关于学位论文使用授权说明 本人了解兰州理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或甘肃省有关部门 规定送学位论文。毕业后发表与论文内容有关的文章时，单位要署名兰州理工大学。 作者签名： 傅华 ， 导师签名 期：肋修年 月专f 日 兰州理工大学硕士学位论文第一章 1 1 键合线 第一章绪论 键合线作为半导体器件( i c ) ，大规模集成电路( l s i c ) 封装业的四大重要结 构材料之一，起联结硅片铝膜蒸镀电极与引线框架的外部引出端子的作用，并传递 芯片的电信号、散发芯片内产生的热量，是集成电路封装的关键材料1 1 1 。键台丝的 封装方式如图1 1 所示。 金丝芯片引出端子 图1 1 键合丝的封装方式 随着集成电路及半导体器件向封装多引线化、高集成度和小型化发展，要求更 细的键合丝进行窄间距、长距离的键合。因此对键合丝的技术指标提出了越来越高 的要求，高纯度、高温、超细超长键合丝需求量迅速增长，普通键合丝都将向高密 度低弧度键合丝发展，发展潜力巨大，前景广阔。以键合金丝为例，据资料显示， 从1 9 9 5 年到2 0 0 2 年，中国键合金丝市场直保持着高速发展的势头，年均增长率 达到了3 8 3 3 。2 0 0 2 年中国键合金丝需求量为3 5 0 0 千克，销售额为1 6 1 3 0 万元， 比2 0 0 1 年的1 1 2 9 0 万元增长了4 5 8 。其中集成电路用键合金丝市场需求量为5 0 0 千克，比2 0 0 1 年增长了6 0 ；半导体分立器件用键合金丝需求量为3 0 0 0 千克，同 比增长4 3 6 i2 1 。 研究表明，键合线材料质量的好坏直接影响焊接质量，从而对器件的可靠性和 稳定性产生很大影响【3 。理想的引线材料应具备以下特点： 能与半导体材料形成低电阻欧姆接触，与电流方向无关； 化学性能稳定，不会形成有害的金属间化合物； 与半导体材料结合力强； 可塑性好，容易实现键合； 弹性好，在键合过程中能保持一定的几何形状。 总之，键合线除了要求具有电子级纯度外，需满足集成电路键合过程中稳定的 引线弧度，短的尾丝，高的键合牢度和高温条件下力学性能稳定的要求。 1 2 引线键合的主要材料 不同的焊接方法，所选用的引线材料也不同。如热压焊、金丝球焊主要选用 a u 丝，超声焊主要用舢丝和s i m 丝，还有少量的c u 一丝和c u s i 舢丝 兰州理工大学硕士学位论文第一章 等。这些金属材料都具有作为键合丝的大部分优良性能，如能与半导体材料形成低 电阻的欧姆接触：a u 的化学性能稳定，a u _ a u 和舢同种金属间不会形成有 害的金属间化合物；与半导体材料的结合力强；电导率高，导电能力强；可塑性好， 易于焊接，并能保持一定的形状等。需要注意的是，为减少金属丝的硬度，改善其 延展性，并净化表面，用作键合的金属丝一般要经过退火处理，对所压焊的底层金 属( 如镀n i 外壳、镀a u 外引线等) 也应做相应的退火处理。a u 丝可在高纯n ： 或真空中退火，而舢丝和c u 丝需在有还原作用的h 2 中进行退火，也可在真空中 退火。退火温度为4 0 0 5 0 0 ，恒温1 5 2 0 分钟，然后自然冷却。 以下将分述a u 丝、a i 1 s i 丝和c u 丝三种键合丝。 1 2 1 金( “) 丝 由于金具有抗腐蚀性、抗氧化性和优良的延展性、导电性能，且用其作为引线， 键合的自动化程度高，技术性能稳定，因此是目前电子工业中普遍采用的连接引线 材料【4 , 5 , 6 1 。然而，在大量使用金丝的同时，人们也发现了它的种种缺点： ( 1 ) a u 舢金属学系统易产生有害的金属间化合物i 1 半导体器件在树脂封装中采用高纯a u 丝作引线时，a u 压焊在s i 芯片表面蒸 镀的铝膜上。当a l u 舢接触加热到3 0 0 0 c 会生成紫色的金属间化合物a u a l 2 ，俗 称“紫斑”，长期以来一直认为这种现象是引起器件焊接失效的主要原因。后来发 现，除“紫斑”外，a u a j 界面生成的a u z a i 的接触电阻更大，更具脆性，俗称 “自斑”。此外，还生成a u a l 、a u s a l 2 和a u 4 a 1 等化合物。由于这些化合物的晶格 常数不同，机械性能和热性能也不同，反应时会产生物质迁移，从而在交界层形成 可见的柯肯德尔空洞( k i r k e n d a l l d ) ，使键合处产生空腔，电阻急剧增大，从而 破坏了集成电路的欧姆联结，导电性严重破坏或产生裂缝，从而易在此引起器件焊 点脱开而失效。 ( 2 ) a u 丝的耐热性差 a u 的再结晶温度低( 1 5 0 ) ，高温强度低。球焊时，焊球附近的a u 丝由于 受热而形成再结晶组织，若金丝过硬会造成球颈部折曲；焊球加热时，a u 丝晶粒 粗大化会造成球颈部断裂；另外，金丝还易造成塌丝现象和拖尾现象，如图1 2 所 示【8 】o s i 片引线电极 图1 2 键合时易出现的三种主要缺陷 ( 3 ) 金丝的价格昂贵，封装成本高 1 2 2h - i s i 丝 ( 1 ) 引言 铝丝和铝合金丝引线键合和金丝_ 样，也是晶体管、集成电路和超大规模电路 2 兰州理工人学硕士学位论文第一章 组装中广泛使用的连接方法之一。高纯铝丝导电性好，耐蚀性优，但强度较差且再 结晶温度低，很难加工成f 8 蛳m 以下的细丝，因此通常添加1w t s i 提高强度。 从一s i 二元合金相图可看出，在5 7 7 的共晶温度下，s i 溶于铝中的量为1 6 5 w t ， 在2 5 0 时，降到0 5 w t ，因此添加1 s i 将导致形成s i 的沉淀，再退火、冷加工 产生分散s i 粒子强化、固溶强化、微晶强化提高强度。 表1 1 列出铝一硅合金丝和高纯铝丝的机械性能【9 , 1 0 。 表1 1 铝一硅台金丝和高纯铝丝的机械性能 种类规格，舢n态别破断力1 0 2 n延伸率， h 11 5 5 1 6 51 3 5 h 21 3 5 1 4 _ 51 3 5 f 2 5 h 。31 1 5 1 2 51 3 5 h 一12 1 2 31 3 5 h 一21 8 2 01 3 5 f 3 0 h 一31 5 1 71 3 5 铝硅丝h 一13 7 4 11 d h 一23 2 3 61 d f 4 0 h 一32 6 3 01 4 h 15 6 6 01 d h 。24 6 5 0l 4 f 5 0 h 一34 0 4 41 4 s1 4 0 2 0 0 f 2 0 01 0 3 0 h3 5 0 4 7 0 高纯铝丝 s3 7 0 5 3 0 f 3 0 01 5 3 5 h7 9 0 1 0 3 0 ( 2 ) 球焊铝合会丝的开发 引线键合方法一般分为超声波焊和球焊，前者主要使用纯铝丝和铝合金丝，后 者则主要使用金丝。由于球焊键合法作业效率高，因此许多公司积极开发球焊铝台 会丝【1 1 , 1 2 , 1 3 1 。 同本住友电气公司、闩本古河电气公司、同本富士通等公司相继丌发出可与盒 丝相媲荚的球焊铝台会丝。1 9 8 9 年同本住友电气公司( s u m i t o m om e t a l m i n i n g ) 丌 发的键合铝丝是在铝中添加0 0 0 3 0 0 5 t i 和0 8 1 7 m g ，该合金强度高，耐腐性 好，由于成球时抑制铝氧化膜的形成，所以可以形成良好的球形，提高键合强度。 德国h e r a e u s 公司开发了系列球焊键合铝丝，其一是在a l 基体中含有 o 0 5 2 0 n i 、0 2 4 o m g 、0 0 2 以下s i 、0 0 2 以下f e 、0 0 3 以下的c u ，或者 再含有0 5 以下t i 、b 等；其二是在舢基体中合有0 5 3 ，0 m n 、0 0 1 1 o 稀 土、0 0 2 以下s i 、0 0 2 以下f e 、0 0 3 以下的c u 。a b l s c h o f f 研究了a i 1 s i 、 a i 1 m g 、a i _ 4 c u 、a 1 - 1 m g 1 b 和其它合金( a i b b 、低合会组元的c u 合金 线( c u - a 和c u b ) ) 等机械性能及与a u 线相比的焊接强度，如表1 2 所示。 3 兰卅理工大学硕士学位论文第一章 表l ，2 微细丝的性能及焊接参数 机械性能最佳焊接参数 ( 巾2 5 n m ) 材料延伸率基片焊接力( 克)基片温度 每米电阻( q )破断力( 克) ( )材料 球焊压合 ( ) a l2 04 0 c u4 08 01 4 0 a 1 1 s j6 21 81 - 2 n g 3 06 0 a u2 06 0 a l2 04 0 c u4 08 01 4 0 a 1 1 c u7 31 65 - 6 a g 3 06 0 a u2 06 0 a i2 02 0 c u4 04 01 4 0 a i 1 m g 6 995 6 a g 3 03 0 a u3 03 0 a l2 04 0 a i 一1 m g - 5 91 43 c u4 08 01 4 0 1 s i a g 3 06 0 a u3 06 0 a l2 04 0 c u4 08 01 4 0 a l b b6 6l l5 a g 3 06 0 a u3 06 0 a l2 08 0 幽6 01 0 08 0 1 4 0 c u a7 31 95 7 n g 4 08 0 a 4 08 0 越2 01 5 0 c u6 0 1 8 08 0 - 1 4 0 c u b7 11 46 a g 6 01 0 0 a n4 08 0 a i2 08 0 c u6 0 1 2 01 5 0 a u l5 01 15 。6 n g 4 08 0 a u3 06 0 ( 3 ) a 1 1 s i 丝的优缺点 同金丝相比，a 1 一1 s i 丝具有明显的优点： a 经济性。金丝价格高且波动范围大。各种金属微细丝的价格比见图1 3 ，由 图可见直径f 2 5 p m n l 1 s i 丝的有效价格约为金丝的四分之一； 4 兰州理工大学硕士学位论文第一章 霉一洲 州 舡一。每晷罾罾 图1 3 不同金属及合金的不同微细丝的材料比价 b 如前所述，金丝与铝膜接触生成a 1 一a u 金属化合物，硬而脆，降低了焊接强 度，而a i 1 s i 丝避免了这种危害； c 球焊接后采用树脂封装，a i 1 s i 丝比金丝更为可靠。 目前通过改变生产工艺来生产各种替代金丝的a l 一1 s i 丝，但仍存在一些问题： 普通铝硅丝在球焊时加热易氧化，生成一层硬的氧化膜，此膜阻碍球的形成， 而球形的稳定性是铝硅丝键合强度的主要特性。实验证明，金丝球焊在空气中焊点 圆度高，铝丝、铜丝球焊，由于表面氧化的影响，空气中焊点圆度低。 铝合金丝的拉伸强度和耐热性不如金丝，容易发生引线下垂和塌丝。 同轴铝硅丝的性能不稳定，特别是延伸率波动大，同批次产品的性能相差大； 产品的成材率低，表面清洁度差； 对不同焊机的适应性差； 键合处经常产生疲劳断裂。 1 2 3 铜丝 ( 1 ) 引言 目前，有3 大因素推动着半导体i c 互连技术的发展。第一是成本，也是主要 因素，目前金丝键合长度超过5 m m ，引线数达到4 0 0 以上，封装成本超过0 2 0 美 元。而采用铜丝键合新工艺不但能降低器件制造成本，而且其互连强度比金丝还要 好。它推动了低成本、细间距、高引出端数器件封装的发展。第二是晶片线条的尺 寸在不断缩小，器件的密度增大、功能增强。这就需要焊区焊点极小的细间距、高 引出端数的封装来满足上述要求。第三是器件的工作速度，出现了晶片铝金属化向 铜金属化的转变。因为晶片的铜金属化可以使电路密度更高、线条更细。对于高速 器件的新型封装设计来说，在封装市场上选择短铜丝键合并且间距小于5 0 * m 的铜 焊区将成为倒装焊接工艺强有力的竞争对手1 1 4 , 1 5 】。表1 3 列出铜作为键合材料用于 i c 封装中的发展趋势。 表1 3 铜作为键合材料用于l c 封装中的发展趋势 细引线晶片上的焊区金属化应用时间 铜( c u )a 11 9 8 9 矩 金( a u )c u + 溅射铝( a 1 ) 的焊区2 0 0 0 伍 a u c u + 镀镍金( n i k u ) 焊区2 0 0 0 生 a u c u + 0 p 2 ( 抗氧化工艺)2 0 0 1 年 c uc u 2 0 0 2 年将来 *、峡谳v杂鑫牮蛸 兰州理工大学硕士学位论文 第一章 ( 2 ) 铜丝键合工艺的发展 早在1 0 年前，铜丝球焊工艺就作为一种降低成本的方法应用于晶片上的铝焊 区金属化。但在当时行业的标准封装形式下，丝焊的长度很难超过3 m m 。所以在大 批量、高可靠的产品中，金丝球焊工艺要比铜丝球焊工艺更稳定更可靠。然而，随 着微电子行业新工艺和新技术的出现及应用，当今对封装尺寸和型式都有更高、更 新的要求。首先是要求键合丝更细，封装密度更高而成本更低。由此，专家们又看 中了铜丝，在经过新工艺如新型e f o ( 电子灭火1 、o p 2 ( 抗氧化工艺) 及m r p ( 降低模 量工艺) 的改进后，使铜丝键合比金丝键合更牢固、更稳定。尤其是在大批量的高引 出数、细间距、小焊区的i c 封装工艺中，成为替代金丝的最佳键合材料。因而， 在今后的微电子封装发展中，铜丝焊将成为主流技术，铜丝与晶片上铜金属化焊区 的键合工艺技术是未来发展的方向【1 6 1 。 ( 3 ) 铜丝用于键合丝的优势 a 经济性 目前，半导体塑料封装互连线的主要材料是黄金。黄金的价格是按每盎司3 3 0 美元计算。今后六年内所耗费的黄金将超过1 0 8 7 亿美元，若采用铜丝键合，则可 省8 7 9 亿美元。表1 4 列出铜和金的封装成本比较。 表1 4 长5 r a m 、直径为l u m 的金丝和铜丝封装成本比较 材料引线数丝焊成本( 封装美元) a u2 5 6o 1 2 c u2 5 6 o 0 6 a u4 0 0 0 1 9 c u4 0 0 o 0 9 b 铜丝可直接键合在铜引线框架上，由于这是同种金属的焊接，所以无金相的 差异，并可减少潜在的电蚀偶发生，因此优于金，银或金，铜焊接。在1 0 0o c 时，同 种金属焊接每条互连线的失效率比异种金属焊接低4 9 8 。 c 相同规格的铜丝比金丝和铝丝有更好的机械性能。如图1 4 所示： d 框架的刚度( 抗弯能力) 与杨氏模量成正比，铜的杨氏模量比金大4 0 ，这 就使其能更好地控制引线长度，减少下垂和框架变形。使用铜线，线长度可超过2 0 0 密耳，在一块混合电路样品中，键合线长达2 5 0 密耳而直线度总偏差仅为1 5 密耳。 由于铜的刚度好，线长在1 0 0 密耳以上时比金线更容易控制。 e 铜球键合的抗拉强度优于金和铝，铜线额外的破坏强度产生更大的抗拉强 度，这是因为焊接线可能的抗拉强度不会超过其破坏强度。 f 铜的电导率和热导率都比金高出3 0 ，比铝高出近两倍，额外的散热能力对 引线很多的电路也很有益处。铜的更高的电导率使得引线能以较少的能量耗损输送 较大的电流，把金引线改为铜引线所受到的影响，就传输延迟和电路速度而言，是 微不足道的。 兰州理工大学硕士学位论文第一章 直径vm 图1 4 a u 、a i 、c u 的机械性能比较 1 3 引线键合( w b ) 技术简介n 7 】 径v “ w b 是将半导体芯片焊区与微电子封装的i o 引线或基板上的金属布线焊区用 金属细丝连接起来的工艺技术。焊区金属半为a l 或a u ，金属丝多是数十微米至 数百微米直径的a u 丝、舢丝和s j 舢丝。焊接方式主要有热压焊、超声键合( 压) 焊和金丝球焊三种。 1 3 1 热压焊 热压焊是利用加热和加压力，使金属丝与a u 或舢的金属焊区压焊在一起。 其原理是通过加热和加压力，使焊区金属( 如a 1 ) 发生塑性形变，同时破坏压焊界 面上的氧化层，使压焊的金属丝与焊区金属接触面的原子问达到原子的引力范围， 从而使原予间产生吸引力，达到“键合”的目的。此外，两金属界面不平整，加热 加压时，可使上、下的金属相互镶嵌。 热压焊的焊头一般有楔形、针形和锥形几种。焊接压力一般为o 5 1 5 n 点。 压焊时，芯片与焊头均要加热，焊头加热到1 5 0 左右，而芯片通常加热到2 0 0 以上，容易使焊丝和焊区形成氧化层。同时，由于芯片加热温度高，压焊时间一长， 容易损害芯片，也容易在高温( 2 0 0 ) 下形成异质金属( a 1 卜a 1 ) 间化合物一“紫 斑”和“白斑”，使压焊点接触电阻增大，影响器件的可靠性和使用寿命。 由于这种焊头焊按时使金属丝因变形过大而受损，焊点键合拉力小( o 0 5 n 点) ，故这类热压焊使用得已越来越少。 1 3 2 超声焊 超声焊又称超声键合，它是利用超声波发生器的能量，通过磁致伸缩换能器， 在超高频磁场感应下，迅速伸缩而产生弹性振动，经变幅杆传给劈刀，使劈刀相应 振动；同时在劈刀上施加一定的压力。于是，劈刀就在这两种力的共同作用下，带 动趾丝在被焊焊区的金属化层表面迅速摩擦，使灿丝和膜表面形成塑性形变。 这种形变也破坏了a l 层界面的氧化层，使两个纯净的金属面紧密接触，达到原子 间的“键合”，从而形成牢固的焊接。 超声键合与热压键合相比，由于能充分去除焊接界面的金属氧化层，可提高焊 接质量，焊接强度高于热压焊( 直径为4 毗m 的a l 丝的焊接强度可达0 1 n 点以上) 。 超声焊不需要加热，可在常温下进行，因此对芯片性能无损害。可根据不同的需要 7 兰州理工大学碗j ：学位论文笫一章 随时调节超声键合能量，改变键台条件，来焊接粗细不等的灿丝或宽的a l 带，而 热压焊较难实现这一点。舢超声键合不产生任何化合物，这对器件的可靠性和 长期使用寿命都是十分有利的。 目前工业上最常见的键合方法是将热压和超声波结合起来的热超声键台法。一 般用于金丝和铝硅丝的楔型焊。图1 5 为a u 丝或越丝楔型焊的操作过程图。 1 3 3 金丝球焊 球焊在引线键合中是晟具代表性的焊接技术。这是由于它操作方便、灵活、而 且焊点牢固( 直径为2 跏m 的a u 丝的焊接强度一般为0 0 - o 0 9n 点) ，压点面积 大( 为a u 丝童径的2 5 3 倍) ，又无方向性，故可实现微机控制下的高速自动化 焊接( 焊接速度可高达1 4 点秒以上) 。而且，现代的金丝球焊机往往还带有超声功 能，从而又具有超声焊的优点，有的也叫做热压超声焊。因此，这种球焊广泛地用 于各类i c 和中、小功率晶体管的焊接。 球焊时，衬底( 承片台) 仍需加热，压焊时加超声，因此其加热温度远比普通 的热压焊低( 一般加热到1 0 0 即可) 。所加压力一般为o 5n 点，与热压焊相同。 由于是a u 舢接触热声焊，尽管加热温度低，仍有a u 烈中间化合物生成。因 此，球焊只适用于使用温度较低、功率较小的i c 和中、小功率晶体管的焊接。图 1 6 为金丝球焊的过程示意图。图1 7 展示了球焊和楔型焊的不同。图1 8 ( a ) 、分 别为金丝球焊点和舢丝楔型焊点的s e m 照片。 砣蛳量 篡：厂7l 步 毯蛳裁 一黼一。黜鬻 幽w r 。e ，。l 裂咖 r 1 芦叶 孵之澎嵫。磁矿弋谶勘纭巍。 图1 5 a u a i 楔型焊的操作过程示意图 8 兰州理工大学硕士学位论文 第一章 o o 图1 6 金丝球焊的操作过程示意图 q n0 r 7 a 糍芝鞠 p h m d 芷! l 2 “b o 刚 r b a l lb o n d i n g 暖目 c ￥酬o t s 蜘甘i l a o t 证 图1 7 球焊和楔型焊的对比图 9 2 扣圳 w e d g eb o n d i n g 粼洲 兰州理工大学预士学位论文 第一章 图1 8 ( a ) 金丝球焊点和铝丝楔型焊点的s e m 照片 1 4 内引线键合可靠性 随着半导体器件在工程和商业上的广泛应用，对器件键合系统的可靠性要求越 来越高。键合系统失效对器件长期使用的可靠性影响很大，在半导体器件的失效模 式分布中，健合系统失效约占1 4 l 3 。内引线键合的最关键问题是可键合性和可 靠性。可靠性指引线连接应具低的接触电阻、合适的机械强度、长期的金相稳定性 和小的寄生参量。引线键合可能在一定的环境( 温度、湿度、气氛) 下在结合处因产 生界面层或空洞、裂纹而导致连接失效1 1 8 , 1 9 , 2 0 。 1 4 1 影响内引线键合可靠性的因素 在自动引线键合技术中，键合丝长尾、键合变形不当、键合位置不当等现象均可 经调整温度、压力、超声功率和时间等参数、换焊具等办法进行纠正，而半导体器件 键合点脱落是最常见的失效模式。这种失效模式用常规筛选和测试很难剔除，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 2 1 , 2 2 j 。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 在芯片上键合区光刻胶或窗口钝化膜未去除干净，可形成绝缘层。管壳镀金层质 量低劣，会造成表面疏松、发红、鼓泡、起皮等。金属间键合接触时，在有氧、氯、 硫、水汽的环境下，金属往往与这些气体反应生成氧化物、硫化物等绝缘夹层咸受 氯的腐蚀，导致接触电阻增加，从而使键合可靠性降低。 ( 2 ) 金属化层缺陷 金属化层缺陷主要有：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，在键合处形成缺陷使得键合时无缓冲作用；芯片金属化层粘附不 牢，最易掉压点。 ( 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，各个环节均可能造成沾污。外界 环境净化度不够，可造成灰尘沾污；人体净化不良，可造成有机物沾污及钠沾污等； 1 0 兰州理工大学硕士学位论文第一章 芯片、管壳等未及时处理干净，残留镀金液，可造成钾沾污及碳沾污等，这种沾污 可引起键合点腐蚀，造成失效；键合丝存放过久，不但易沾污，而且易老化，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。键合应力过小会造成键合不牢， 但键合应力过大同样会影响键合点的机械性能。应力大不仅会造成键合点根部损 伤，引起键合点根部断裂失效，而且还会损伤键舍点下的芯片材料，甚至出现裂缝。 ( 5 ) 环境不良 超声键合时外界振动、机件振动或管座固定松动，或位于通风口，均可造成键 合缺陷。 ( 6 ) 键合引线与电源金属条之间放电引起失效( 静电损伤) 当键合引线与芯片水平面夹角太小时，在e s d ( 静电放电1 应力作用下，键合引 线与环绕芯片的电源线( 或地线) 之间因距离太近易发生电弧放电而造成失效。 1 4 2 失效分析 所谓失效分析是研究器件潜在的或者显露的失效机构、发生率和失效的影响， 直到确定对策的全部工作。是指导以上全过程的质量保证体系的重要部分。 ( 1 ) 失效分析的目的 可靠性试验的目的不仅在于确定现有产品的可靠性，更重要的是在于进一步改 进和提高将来生产产品的可靠性。为此必须对产品进行失效分析，确定失效是属于 哪一种性质，有何特征，特别是找出引起失效的主要原因，提出器件设计和制造的 改进措施，以消除或削弱引起器件失效的内在因索，从而不断地提高器件的可靠性。 图1 9 示出了失效分析在可靠性工作中的作用。 失。 图1 9 失效分析在可靠性工作中的作用 ( 2 ) 常见的失效模式 失效模式是指失效的形式( 或失效状态的分类) 。失效模式一般分三大类： 突然失效突然失效将造成器件永久性的全部故障。 断续失效断续失效将造成一时性的器件故障，或造成任何存储信息的损 退化失效退化失效将引起全部器件故障或在某些工作条件下的故障。 兰州理工大学硕士学位论文第一章 表1 5 引线键合突然失效和断续失效的失效机理 失效标志有关失效机理 ( 1 ) 低质量的引线键合( 脆弱、 键合点断开) ； 开路 ( 2 ) 有压点间化合物； ( 3 ) 引线损坏； 突然失效 ( 4 ) 机械性的过荷( 剧烈冲击等) 短路键合引线相碰 开路金属丝松动 断续失效 短路金属丝彼此互相相碰或与管芯相碰 表1 5 仅列出了引线键合突然失效和断续失效的常见现象。 根据以上失效机理的分析，键合失效的原因可归纳为： ( 1 ) 引线键合缺陷引起的失效 引线键合存在的问题大致有：键合处断开、引线颈部断开、键合位鬣不当、形 成有害的金属间化合物( 如紫斑) 、内引线与管腿焊接不良、内引线与芯片压点接 触不良或脱开、接触不充分、键合“空白点”和裂纹、键台处硅片表面有损伤等。 ( 2 ) 内引线缺陷引起的失效 内引线缺陷主要有：内引线下弯、内引线过长、内引线走丝不当、引线质量不 合格( 有缺陷或折断等) 、引线断裂等。 国际上，英国的r n b a t e s 和m d c o l e m a n 等人已研究出了引线键合的一个重 要失效机理一断裂。他们发现，断裂最终会引起焊点破碎，它可发生在压焊区的不 同位置。如果有一个力加在引线上，则裂纹往往出现在键合引线周围的焊区边缘， 并且渗透到延性材料之中，如图1 1 0 所示。零小时( z e r o h o u r ) 毁坏常常由致使断 裂的塑性形变引起。机械负荷可使焊接寿命缩短。在薄膜层上焊接的预期寿命值随 负荷变化的示意图如图1 1 1 所示。 有三种机理影响焊接的长期稳定性： 扩散引起的界面反应： 通过晶粒间界的扩散； 在裂纹末端附近由应力加强的扩散。 ( 3 ) 键合相关失效【冽 a 焊盘出坑 出坑通常出现于超声波键合中，是指对焊盘金属化层下面半导体材料层的损 伤。这种损伤有时是肉眼可见的凹痕，更多是不可见的材料结构损伤。这种损伤将 降低器件性能并引发电损伤。其产生原因有：超声波能量过高导致s i 晶格层 兰州理工大学硕士学位论文第一章 拉仲力 峨裂发生点 图1 1 0 断裂发生并蔓延到( 1 ) 变形的引线或粱材料； ( 2 ) 焊接界面；( 3 ) 衬底，金属化系统 嘞叶 黼 蠕变、k、 ? 蚀一 - 4 l o g t g 图1 1 1 在恒温、恒定负载的蠕变试验中， 接点应力与破裂时间关系的示意图 错；a i 丝超声波键合时金属丝太硬可能导致s i 片出坑等。 b 键合点断裂和脱落在超声波键合时键合点的跟部已经被弱化，前后的柔性摆 动已足以形成裂纹。形成金属学裂纹是引线键合中的一个重要问题。裂纹通常在 舢丝楔键合第1 个焊点和a u 丝球键合第2 个焊点的跟部形成。裂纹的可能形成原 因如下： 键合工具的跟部过于尖锐； 键合工具抬离第1 个键合点之前或过程之中，键合设备发生振动： 键合中变形过大； - 闭环引线的上升坡度过陡； 第1 次键合后工具移动过快。 引线闭环的高度过大将需要更大的工具移动从而增加出现跟部裂纹的可能性。 当第2 个键合点明显低于第1 个时，也会增加出现裂纹的可能性。跟部裂纹将导致 键合点拉脱力降低5 0 ，同时引发早期循环失效。 盯l 兰州理工大学硕士学位论文第一章 c 尾丝不一致 这是楔键合时最容易发生的问题，而且也是最难克服的。可能的产生原因如下： 引线表面肮脏： 金属丝传送角度不对； 楔通孔中部分堵塞； 用于夹断引线的工具肮脏； 夹具间隙不正确； 夹具所施加的压力不对； 金属丝拉伸错误。 尾丝太短意味着作用在第1 个键合点上的力分布在一个很小的面积上，这将导 致过量变形。而尾丝太长可能导致焊盘问短路。 d 键合剥离 剥离是指拉脱时键合点跟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。它是键合相关失效的一个很好的早 期信号。 1 5 应用前景 消费类电子的兴起以及i c 卡和汽车等新兴领域的迅猛发展，这些都将成为未 来几年国内集成电路市场需求增长的重要因素。2 0 0 2 年中国集成电路市场总销售量 为3 6 6 9 亿块，总销售额为1 4 7 1 亿元。2 0 1 0 年，中国市场需求数量将达到5 0 0 亿 块。需求额超过2 0 0 0 亿元人民币。同时，我国半导体分立器件制造业已成为电子 基础产业的一个重要组成部分，半导体分立器件的生产规模近几年直保持平稳增 长趋势。 可以预计，由于国内集成电路企业迅速发展，加之国外著名半导体企业纷纷来 华投资，中国对键合丝的需求量将迅速上升，到2 0 0 7 年将达到1 3 0 0 0 千克，同时 中国将成为生产和应用键合丝的大国。但是，目前国内键合丝无论从质量和数量上 都不能满足国内市场的需求，因此必须加强技术研发。 铝基键台丝的密度小、导电性和导热性良好。因此发展密度更小、线径更细和 线长更长的铝基键合丝不仅有利于资源的合理利用，同时还可以满足相关领域对轻 量化的要求。而随着微电子封装技术的发展，芯片制造商拟将晶片上的铝金属化层 更换为铜，这样不但能提高器件特性，还能降低成本。因为在晶片的铜金属化层上 可以直接焊接，而不需要像铝金属化层那样加一层金属焊接层。同时，在工艺上， 逐渐将传统的金丝换为铜丝，解决细间距的器件封装。对器件超细间距的要求成为 降低焊丝直径的主要驱动力。因而，在今后的微电子封装发展中，铜丝焊将会成为 主流技术。铜丝与传统的晶片上铝金属化焊区的键合，可降低成本，使高产、细间 距的封装的焊丝更牢固和坚硬。金丝与晶片上铜金属化焊区的键合，需要附加o p 2 和m r p 工艺。铜丝与晶片上铜金属化焊区的键合是解决最细间距封装的最佳方案， 该工艺技术是未来的发展方向。 综上，集成电路的高集成度化、多功能化不断对封装技术提出新的要求，封装 技术正朝着多引线化、高密度化、薄型化、多功能化和高散热性化方向发展，要求 更细的键合丝进行窄间距、长距离的键合。而如前所述，铝硅丝和铜丝不仅大大降 1 4 兰州理工大学硕士学位论文第一章 低了用金丝键合的封装成本，而且具有比金丝更优越的键合可靠性，能满足更高的 封装要求。 因而，在今后的微电子封装中，铝硅丝和铜丝将逐渐代替金丝而成为主流技术。 它们的发展潜力巨大，前景广阔。 1 6 本课题来源及研究目的 课题来源：本课题是在本实验室用自行研发的热型连铸设备成功研制出单晶铜 丝的基础上，对该丝用于集成电路封装键合线新材料的打线键合性能做进一步的测 试和研究，为该成果最终的产业化做检测研究工作。 研究目的： ( 1 ) 对单晶铜丝打线键台的机械强度进行评估，对其可靠性进行了评价，对其失 效的机理、原因进行了分析研究，并由此找出影响键合可靠性的决定性因素，进而 提出键合材料设计和制造的工艺改进措施，从而不断提高键合线键合可靠性。 ( 2 ) 一系列的试验数据可为实际工程需要提供一个可借鉴的理论依据。 ( 3 ) 为该产品的产业化进行初步鉴定。 兰州理工大学硕士学问论文第二章 第二章单晶铜丝的制备和机械性能测试 2 1 前言 随着电子工业和通讯技术的迅猛发展，超细、高保真传输导线的用量不断增 加，对导体金属的性能提出了越来越高的要求。普通多晶铜材已经难于满足这种 要求，单晶铜材由于消除了横向晶界，使其具有良好的保真性能，因而具有广阔 的前景。单晶铜材以其良好的塑性，在超微细线