（材料加工工程专业论文）超声楔焊键合物理过程及其规律研究.pdf

哈尔滨工业火学工学硕士学位论文 摘要 超声引线键合是微电子封装中重要的芯片互连技术，广泛应用于功率器 件、微波器件、光电器件等的集成电路封装。 超声键合是在常温下，超声能量和压力使金属引线发生塑性变形而产生 的变性能的联合作用实现引线与金属化层之间的可靠连接。引线是芯片内部 电路与外部电路实现电、热连接的通道，键合点不断承载着电和热的冲击。 为深入理解超声键合的键合本质和键合机理以及器件在服役过程中键合点界 面的组织演化行为，采用高温老化的可靠性试验方法，对键合点界面进行了 基于金属学理论的研究。 本文应用电子扫描电镜( s e m ) 及x 射线能谱( e d x ) 分析了直径为2 5 1 x m 的a l + 1 s i 引线与a u n i c u 焊盘键合后以及老化过程中界面和键合点上引 线的冶金行为。通过试验发现：接头的形成始于键合点周边，超声引线键合 的连接本质是压力使引线发生塑性流动导致界面处n i 元素与a 1 元素之间的 扩散，而超声一方面使金属引线软化，增强引线塑性流动的能力，另一方面 超声使引线内部产生大量缺陷，成为快速扩散通道，大大加速了扩散的进 行。1 7 0 下，键合点在空气中存储2 天、1 0 天、3 0 天、4 0 天，老化试件 界面x 射线能谱线扫描分析结果表明，老化1 0 天时，有明显的n i 向a l 引 线内扩散现象，但界面及引线内部组织没有明显的变化；老化3 0 天时，界 面处存在云状的组织，引线内部出现孔洞以及裂纹；老化4 0 天时，引线内 部出现大量的孔洞并存在方块状孤岛a 1 - n i 组织，将对键合点的可靠性产生 影响。 关键词微电子封装；超声键合；接合机制；界面扩散 堕竺鎏三些奎兰三兰堡圭兰竺尘兰 a b s t r a c t u l t r a s o n i cw i r eb o n d i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e sf o rd i e i n t e r c o n n e c t i o ni nm i c r o e l e c t r o n i cp a c k a g i n g i ti sw i d e l yu s e df o rp o w e rd e v i c e s ， m i c r o w a v ed e v i c e sa n dp h o t o e l e c t r o nd e v i c e sp a c k a g i n g a tr o o mt e m p e r a t u r e ，u l t r a s o n i ce n e r g ya n dp l a s t i cd e f o r m a t i o ne n e r g y g e n e r a t e db ym e t a lw i r ep l a s t i cd e f o r m a t i o nu n d e rt h ew e d g et o o lp r e s s u r em a k e t h ew i r ea n dm e t a l l i z a t i o nj o i nt o g e t h e r t h ew i r e sa r ec h a n n e l sb yw h i c ht h ed i e i n n e rc i r c u i t st r a n s p o r te l e c t r i c i t ya n dh e a tw i t ho u t s i d ew o r l d ，a n dt h eb o n d s b u r d e nt h e i rs h o c k f o rb e t t e ru n d e r s t a n d i n gt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o c e s so f u l t r a s o n i cb o n d i n ga n di n v e s t i g a t i n gt h ei n t e r f a c i a le v o l v e m e n tb e h a v i o ro ft h e b o n d su n d e ra r m s ，ar e l i a b i l i t ye x p e r i m e n to fh i g ht e m p e r a t u r es t o r a g ew a s c a r r i e do u t ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o n dc r o s s - s e c t i o nb a s e do n m e t a l l u r g i c a lt h e o r yw e r ea n a l y z e df u r t h e r t h eu l t r a s o n i cb o n d s ，a f t e rb o n d i n ga n da g i n g ，o fa i + i s iw i r ew i t h2 5 p m d i a m e t e rb o n d e do nt h ea u n i c up a d ( t h et h i c k n e s si sh u n d r e d so fn a n o m e t e r s ， 1 0 l a ma n d3 0 p mr e s p e c t i v e l y ) a r ea n a l y z e db ys c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p y ( s e m ) w i t he n e r g yd i s p e r s i v ex r a ys p e c t r o m e t e r ( e d x ) i ti sf o u n dt h a tt h e m e c h a n i s mo fu l t r a s o n i cb o n d i n gi st h ep l a s t i cf l o wo fm e t a lw i r eg e n e r a t e db y w e d g et 0 0 1p r e s s u r ew h i c hr e s u l t si nt h ed i f f u s i o no fn ii n t oa lw i r e ，a n dt h e e f f e c to fu l t r a s o u n di st h a t ，o no n eh a n d ，u l t r a s o n i cv i b r a t i o ne n h a n c e st h ep l a s t i c f l o wa b i l i t yo fm e t a lw i r ea n d o nt h eo t h e rh a n d i tg e n e r a t e sm a n yd e f e c t si n s i d e t h em e t a lw i r ew h i c ha r et h ef a s td i f l u s i o nc h a n n e l s t h ei o i n t sb e g i na tt h eb o n d p e r i p h e r yw h e r ei st h el o c a t i o no ft h eg r e a t e s tp l a s t i c f l o w t h ed i f f u s i o nt y p ei s l i k e l yt h es h o r t - c i r c u i td i f f u s i o n ，w h i c hi sm o r ep r o m i n e n tt h a nt h ec r y s t a l d i f f u s i o nw h e nt h et e m p e r a t u r ei sl o w a f t e rh i g ht e m p e r a t u r es t o r a g ea t1 7 0 。c f o r1 0d a y s ，t h e r ei se v i d e n td i f f u s i o no f n ii n t oa 1w i r e ，b u tt h em i c r o s t r u c t u r ei s t h es a m ea st h a to f b o n d sa f t e rb o n d i n g ，t h e r ei sn oo b v i o u sc h a n g e a g e df o r3 0 d a y s ，t h eb o n di n t e r f a c ef o r m sac l o u d l i k es t r u c t u r e ，a n dt h em a j o rc o m p o s i t i o n i sa ia n dn iw i t hw e i g h tp e r c e n to f7 8 8 2 a n d1 5 5 5 r e s p e c t i v e l y h o w e v e r ， t h ed i f l u s i o ni sn o te v e na n ds o m ep a r t so ft h eb o n di n t e r f a c ea r ea b s e n c eo fn i d i f f u s i o n w h e nt h ea g i n gt i m ei s4 0d a y s ，t h ec l o u d l i k es t r u c t u r et r a n s f o r m s 堕尘堡三些奎兰三兰堡圭兰堡鎏圣 i n t oar e c t a n g u l a ri s l a n d l i k es t r u c t u r ea n dt h e r ea r em a n yc a v i t i e si n s i d et h e b o n dw i r e w h i c ha l ed i f f e r e n tf r o mt h ek i r k e n d a l lv o i d sb e c a u s eo ft h es h a p e a n dd i m e n s i o n i ti sp r o b a b l et h a tt h ew i r em i c r o s t r u c t u r ec h a n g e db yu l t r a s o n i c v i b r a t i o no rt h a tt h er e l e a s eo ft h es t r e s sw o r k e db yp r e s sw o r k i n gf o r m st h e c a v i t i e s t h e r e f o r e ，t h el o n g t e r mr e l i a b i l i t y , e s p e c i a l l yt h ee l e c t r i c a la n dt h e r m a l f u n c t i o n s ，w o u l db ea f f e c t e d k e y w o r d s m i c r o e l e c t r o n i cp a c k a g i n g ；u l t r a s o n i cb o n d i n g ；j o i n i n g m e c h a n i s m ；i n t e r f a c ed i f f u s i o n 1 1 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 集成电路封装中实现芯片级互连的技术主要有：引线键合( w i r eb o n d i n g - - w b ) 、载带自动键合( t a p ea u t o m a t i cb o n d i n g - - t a b 】和倒装芯片( f l i pc h i p - - f c ) ，如图1 1 所示。应用较广泛的是引线键合和倒装芯片工艺，其中引线键 合技术占芯片互连工艺的9 6 以上i i 】。引线键台技术起源于2 0 世纪6 0 年代 初，早期采用热压接工艺，为降低键合温度，引入超声，发展为超声键合和热 超声键合。相对于倒装芯片及载带自动键合，引线键合技术应用广泛、操作简 单、可靠性较高、成本低、工艺适应性强，但是，引线键合要求芯片i o 端子 只能为四周阵列，一定程度上限制了封装密度的提高。 图1 1 三种芯片互连工艺 按照能量作用方式，引线键合可以分为热压键合( t h e r m o l c o m p r e s s i o n t c ) 、超声键合( u l t r a s o n i cb o n d i n g - - u s ) 、热超声键合( t h e r m o s o n i cb o n d i n g t s ) 2 1 。目前广泛应用的是热超声键合和超声键合，表1 1 给出了两种键合 形式的对比数据，由于前者形成的第一键合点为球形，故将其常常称为球键合 或丝球焊( b a l lb o n d i n g ) ，而将后者称为楔键合或楔焊( w e d g eb o n d i n g ) 。超声键 合是在常温下，作用键合工具劈刀的压力，并加载超声振动，将引线一端键合 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 到i c fi n t e g r a t e dc i r c u i t ) , 芯, 片的金属化层上，另一端键合到引线框架上或p c b 板的焊盘上，实现芯片内部电路与外围电路的电连接，以其常温连接、低的键 合力、适用性强而得到了极大地发展，尤其适合光电子器件等对键合速度要求 不高而强调低的键合温度、注重产品性能及可靠性的封装领域。 表1 1 热超声键合与超声键合数据对比 键合工艺形式工具超声频率引线材料键合速度 热超声球键合 球形劈刀 1 2 7 k h z a u 、c u1 5 线秒 键台楔键合 超声键台楔键合楔形劈刀 6 0 k h z a l 、a u5 线秒 楔键合的键合速度比球键合的键合速度慢很多，主要原因是键合工艺本身 性质决定的，图1 2 中给出了两种键合的示意图，由于球键合的第一键合点为 球形，呈球对称，在键合第二键合点时，劈刀可以3 6 0 度方向沿任意方向移动 到第二键合点位置，而超声键合的第一键合点为楔形，有方向性，在键合第 一点时，要求第一与第二键合点的轴向必须平行，在实际工艺中，要求工作台 或是劈刀转动，增加了控制难度和键合时间。 图】一2 球键台和楔键合过程对比示意图 尽管引线键合技术诞生已有近五十年的历史，但是，键合的机理和键合的 本质并不完全清楚。随着i c 制造业的不断迅猛发展，按照摩尔定律，器件集 成度越来越高、i d o 引脚数量越来越大，而引线间距越来越小、要求封装生产 效率越来越高，在封装成本不变甚至减少的情况下，保证封装质量和产品的可 靠性，给引线键合技术提出了更高的要求。因此，增加工作台的定位精度、提 高超声键合机的键合速度、优化自动控制系统、扩展引线键合的灵活性，是超 声键合继续得以广泛应用到未来集成度更高的i c 封装中的重点。而这一切的 哈尔滨工业大学t 学硕十学位论文 基础是对超声键合机理的深入理解。 1 ，2 本领域研究综述 在国内，引线键合研究工作丌展较晚，积累的数据不多，主要是部分研究 所进行了基于应用而开展了一些工作，相对来讲，国外在这方面的研究较多， 时间也较早。键合机理的研究，主要基于金属学、焊接工艺进行了分析和讨 论。从固相焊接接合原理分析，超声键合是在压力作用下，引线表面氧化膜破 碎，超声振动使a l 引线与金属化层之间产生摩擦，去除了表面的氧化物及污 物，使引线与金属化层上的纯净金属表面裸露并紧密接触，通过扩散或反应实 现可靠的连接。借助观察键合点的外观形态、接合部特征、截面冶金学特点， 给出超声键合的接头特点及连接机理，发现超声键合的缺陷问题，预测键合点 的可靠性。 1 2 1 超声键合接头外观形态 引线键合接头的形态在一定程度上反映了键合点的质量，主要是观察引线 变形程度、第一键合点的尾丝和跟部裂纹等，在实际生产中，经常采用此种方 法进行质量监控和管理。统计表明，与引线接头有关的失效占到整个电子封装 制造和测试中可靠性问题的2 5 ，而引线下塌和引线断裂占整个失效的2 5 3 。荷兰菲利浦公司的wd v f l nd r i e t 4 1 等人进行了针对键合点形态的模拟，经 过树脂塑封，引线的无弹性变形最终导致引线失效破断。可见，后续的工艺流 程对键合点及引线的质量也产生很大的影响。 从键合点的外观可以得到很多信息，如测量键合点的键合面积、键合点的 横向变形率以及键合点的水平长度，这些数据都可以从一定程度上反映键合点 的质量。通过观察表面形态可以检测键合点的质量，图1 3 给出了a 1 引线第一 键合点的外观s e m 照片，箭头所指为跟部裂纹部位【5 1 。 c ，h x u 6 j 等人通过分析键合点颈部接头断裂形态研究了两种超声换能器 的性能，指出键合点的强度与界面的强度和颈部的强度有关，而并不是仅仅指 界面的强度。随着键合时问的增加，界面的强度会提高，但是颈部的强度会降 低，所以，不能一味追求接合面积。键合过程中，实际存在两个界面：劈刀与 引线之间以及引线与焊盘之间，这两个界面都有助于理解超声键合机理，但 是，还没有发现有学者对键合点上引线表面状态所作研究的报道。 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论文 图1 - 3a 1 引线键合后第一键合点的外观1 5 1 1 2 2 超声键合接头形成过程 尽管超声键合已经广泛应用了多年，对其接合的物理机制人们进行了诸多 分析、研究，付出了许多努力，但是，至今仍然没有广泛接受的键合机制模 型，而多以技术而非科学的角度加以认识。从金属加工理论的观点，有初步被 接受的定性的模型，大致将这一机制分为三个阶段1 7 1 ： 1 接触和预变形：被键合的引线在超声换能器未加载超声时在压力作用 下与焊盘表面接触，产生一些初始变形，但此时由于表面膜或氧化物的存在 引线和焊盘并没有连接上。 2 超声作用： ( 1 ) 清洁阶段：超声能量通过换能器引入，使键合工具和引线相对于焊盘 运动，产生平行于引线一焊盘的摆动力。由于摩擦产热，引线吸收超声能量软 化，在静态的压力作用下流动，破碎表面氧化膜，引线和焊盘露出新的表面。 这些清洁作用使金属表面暴露。 ( 2 ) 键合阶段：由于接触区温度迅速提高，接触区周边区域形成许多微焊 缝严重阻碍了界面的移动。周期性应力的不断作用使丝产生塑性变形，增加接 触面积，最终在静压力的作用下形成键合面。界面温度不断提高，键合强度由 于键合面积和独立的微焊缝数量的增大而提高。 ( 3 ) 回火阶段：没有明显的引线变形和温度的增加( 在这个阶段一般为7 0 - - 8 0 度) 。超声能量通过阻止键合点变脆用来稳定键合点的形成。 3 过键合：这个阶段使已存在的微焊缝疲劳断裂或者加工硬化，如延长 激励过程，产生破碎的键合点。 哈尔滨工业大学工学顿十学位论文 h a r m o n 哺，9 】对键合接头形成过程进行了研究，将2 5 1 t ma l 引线键合到m 金 属化层上，如图1 4 所示，发现：键合点始于接头的周边，随着键合时间的增 加，接合部位逐渐向中心扩展，焊接面积不断增加，直至整个界面，但有时接 头中心会有未焊合的情况。 w i n c h e u i o l 详细研究了键合参数对键合点形成过程的影响并给出了模型， 认为超声振动产生沿引线水平方向的应力，材料流动分为两个阶段：第一个阶 段是在超声振动下使引线软化，破碎表面氧化膜，裸露出纯金属，但这个阶段 并不是形成可靠接头的主要原因；第二阶段是以波形式的超声振动导致的材料 流动，这个过程产生的清洁作用更有效。但作者并没有清楚地给出连接的原 因，而只是基于试验现象给出了解释。 图i _ 4 a 1 a l 超声键合后剥离部分接头后的s e m 照片1 9 】 1 2 _ 3 超声键合接头可靠性问题 很多学者进行了超声键合的可靠性试验，为加速键合点界面的演化进程， 实施高温存储测试方法，针对a l 引线a u 金属化层或相反的a u 引线a l 金属 化层之间形成的金属间化合物进行了大量的研究工作，其中最让人们关心的就 是“紫斑”( a u a l 2 ) 问题，并且因a u 和a 1 两种元素的扩散速度不同导致界面 处形成k i r k e n d a l l 孔洞以及裂纹，降低了键合点力学性能和电学性能”2 1 。薄 a u 的a 1 a u 系统报道较少，而a u n i c u 金属化层的薄a u 结构是板上芯片 ( c h i po nb o a r d - - c o b ) 技术中板上焊盘较常用的一种结构。f r o y d i so l d e r v o l l i 】驯 基于高于2 0 0 的高温存储试验认为a l a 1 l 系统的力学、电学性能不如a j - n i 系统的力学、电学性能。前者随着2 2 5 - - 2 5 0 老化时间的增加，拉伸载荷不断 下降，而后者在2 5 0 或更高的温度下老化4 周后拉伸载荷基本保持不变。导 致这种结果的原因是老化后界面处组织的演变特点，a 1 一a u 系统的界面生成了 很严重的化合物层，并产生大量的孔洞，如图1 5 所示。 哈尔滨工业大学t 学顾十学位论文 对于a u a 1 系统，a u 为引线，一般采用的是丝球焊工艺，主要考虑芯 片侧的第一键合点问题，对界面组织的显微结构及界面演化过程研究较多。 b r e a c h i ”1 研究了a u 引线与a l 焊盘界面金属间化合物形成顺序和生长过程的 问题，确定了界面的相成分及其形成的顺序，能够帮助解释老化后失效模式， 如图1 - 6 所示。一些作者认为键合条件影响老化测试结果 1 5 , 16 】。 ( a ) 2 2 5 老化3 个月( b ) 2 5 & c 老化g 个月 图1 - 52 5 u m a i 引线键合到厚a u 金属化层上老化后的s e m 照片m 1 幽1 - 6 a u 引线键合到a l + 1 s i + o 5 c u 焊盘上 1 7 5 c 下，在空气中老化2 0 0 h 后的s e m 照片【1 4 】 试验结果表明a u 5 a 1 2 是首先形成的相并且迅速长大【1 7 , 1 8 。a u 4 a l 的形成认 为是与熔点相关的动力学判据作用的结果，但成长很慢。a u 4 a l 首先在球中心 形成，消耗a u 5 m 2 。球的周边a u 2 a 1 的形成很可能是由于在周边的部位a u 少，迫使a u 5 a 1 2 向a m 2 a l 转变。m a l l j i 【l9 】等人认为a u 相对于a l 聚集足够 高，那么就可以形成a u s a l 2 和a u 4 a l 。a l 表面的氧化膜使a 1 a u 化合物形成 过程更加复杂1 2 ，图1 7 给出了氧化膜存在时化合物生成过程，氧化膜的存在 阻碍了第二相形成，使化合物的形成温度高出了2 0 0 。 a u - a 1 系统的最大问题就是脆性化合物的形成，并由此带来的k i r k e n d a l l 孔洞问题。a l 引线超声键合常常用于功率器件的封装，由于a l 引线和s i 之间 热膨胀系数不匹配产生拉伸应力，若键合点存在跟部裂纹以及界面处的脆性化 合物会严重影响器件可靠性，a l 引线接头可靠性可以通过增加键合界面处a l 引线晶粒尺寸而得到提高 2 ”。然而对a 1 - n i 系统进行的研究较少。 哈尔滨丁业大学工学硕士学位论立 ( a ) a u a l 2 化合物周围为a i ，a u 被完全消耗( b ) 观察剑a u a i 和a u a l 2 两种化合物 图1 7a u a l 2 晶粒形成t e m 照片【州 1 2 4 超声键合机理研究情况 通过超声能以及压力加载下使引线变形而产生的变形能共同作用实现键 合的本质原因还没有取得共识，早期的文献描述了超声键合的机理，主要有两 种观点： 一种是界面摩擦引起温度升高形成热变形类型的键合接头。例如，由小的 摩擦力形成的超声接头说明，由于界面的滑行产生过多的热在压力或熔化状态 下形成焊缝。通过热电偶法、可熔夹层、液晶等方法对键合过程键合点温度变 化进行测试，但结果显示温度不高于2 0 0 。j o s h i e 2 2 j 进行了a u a u 以及 h a r m a n 和l e e d y l 2 驯进行了a 1 - a t 液氮环境下的超声键合实验，没有观察到液氮 气泡并且获得了可靠的键合点，说明键合点的温升不超过1 0 0 ： 另一种观点是超声对金属的软化作用。l a n g e n e c k e r l 2 4 j 研究了金属的超声 软化，常温下超声和热的作用都能使a l 线产生等量的延长，表明超声和热对会 属的作用具有等效性。应力产生的延长与压力载荷作用下的变形密切相关，如 同发生在超声焊接中，压力载荷越大，产生的延展效应越大。从这项工作中可 看出超声或热( 都在压力载荷下) 能独立地产生等量的变形，然而，两种类型 的激励存在许多差别。例如，通过超声使a 1 引线产生一定的延长所需的能量密 度较热作用产生等量的延长所需的能量密度少约7 个数量级。l a n g e n e c k e r 把这 种现象归因于超声的能力，认为位错优先吸收声能，暂时增加金属的软化和塑 性。这样使位错从钉扎位置得以开动，允许金属在相对较低的压力下变形。 喻尔滨工业大学工学硕士学位论文 j o s h i 的工作与此模型基本一致，超声激励后，a l 加工硬化( a c o u s t i c h a r d e n i n g ) ，而等同的热激励使金属更软。 c o u c o u l a s 【2 5 j 试验证明了a l 中超声键合过程的加工硬化。c h e v a l i e 2 6 】等人 研究表明超声能量的使用能产生新的点缺陷并形成沟道，超声能去除后，这些 新的缺陷使金属变硬。没有证据表明热是超声键合接头形成过程中必不可少的 条件。 j a m e s 1 进行了超声键合的t e m ( t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ) 研究， 对a 1 - a u 或a i c u 超声键合键合点界面t e m 观察结果认为，形成键合点的界 面类似于多晶金属的晶界，没有熔化痕迹，界面处存在污物和氧化物的碎片， 没有发现明显的扩散现象。而k r e y e 2 8 】进行的超声点焊接合界面t e m 分析结 果表明，键合界面存在熔化的薄层。键合偶的尺寸不同，接头的形成机理可能 有很大的区别，j a m e s 采用的引线是直径为7 5 岬a 1 丝，键合到a l 基板上，并 基于热动力学驱动扩散的理论计算结果结合t e m 照片观察到的现象而得出上 述结论的。 1 2 5 扩散连接中的相关理论 超声键合是固相连接的一种，是在超声和压力的作用下实现的。而扩散连 接是在一定的温度下，加载压力，保持一定的时间，完成了可靠的接头， 它们之间有共同之处。 按照扩散焊接的接头形成的机制学说，主要存在以下几种【2 9 ： ( 1 ) 薄膜学说：薄膜学说论者主张对所有的金属与合金，只要两个清洁的 表面相互接近到原子间力的作用半径之内，就具有粘合能力。他们用表面上出 现薄膜的理由来解释在试验中出现的不同金属具有不同的可焊住问题。妨碍金 属和合金连接的氧化膜可能是硬的、脆性的，也可能是韧性的、塑性的。当需 要连接的金属进行冷塑性变形时，硬的和脆性的氧化膜就会破碎，使清洁的会 属裸露出来，当它们相互接近到原子间力的作用距离以内时，就会牢牢连接在 一起。但是，表面薄膜如果是塑性的( 即使其中的一种金属的氧化膜是塑性 的) ，在变形的时候，塑性氧化膜随同金属层一起漫流开来，就可能妨碍接头 的形成。如果使金属的变形按给定的方式进行，则可以使薄膜所起的作用降低 到次要的因素。 ( 2 ) 位错学说：根据这种学说，产生协调一致的塑性交形时，位错都向着 金属的接触表面迁移，从而使氧化膜破除并形成高度只有一个原子间距的小台 阶。一方面可以把金属接触表面上出现位错看作塑性变形的阻力的减小，而有 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 利于金属的连接。但从另一方面来说，根据推测，表面上出现位错，却会增加 表面的起浮不平，这就创造了如下的条件，即接触表面的塑性变形要比金属内 部的塑性变形大得多。由此可知，粘合过程是由于接触区金属的塑性流动的结 果。并认为，在粘合过程中，也可能产生扩散过程。 ( 3 ) 扩散学说：根据扩散学说，接触面之间形成优质的接头是由于存在着 原子向连接体内部相互渗透( 转移) 的过程。在金属块表面上的原子中，有一些 是自由原子，它们的金属键并不饱和( 还有空的配位) ，因此任何原子或分子， 一旦进入了原子间力的作用距离内，就会被这种键抓住。与平衡系统中的原子 相比较，自由原子具有过多的能量，自由原子结合的时候，就释放出能量来。 在均质的液体内部，可以见到这种自行的结合。而固体块的连接却要困难得 多。在固体连接时，为了使连接体的原子相互接近，就需要消耗大量的能量和 采取复杂的工艺措施。 一个物理过程并不是孤立的，薄膜学说、位错学说和扩散学说都有一定的 现象基础，都承认完成连接要使连接偶达到原子间的距离，实际的工艺过程可 能是在不同的阶段不同的机制在起主要作用，达到冶金连接的结果是它们共同 作用的效果。 另外，塑性变形会造成大量的空穴使原子迁移，并由于激活能量的下降而 提高了原子的扩散运动。沿金届自由表面及内界面和缺陷( 晶粒界、相间界及 亚结构界和位错中心) 的扩散是扩散的快速通道( h i g hd i f f u s i v i t yp a t h s ) 或称为短 路扩散( s h o r t - c i r c u i td i f f u s i o n ) 。h a r t l 3 0 l 关于塑性变形对扩散影响的微观机 制，早期用“过剩空位”说加以解释，即实验表明扩散的促进程度同空位过饱 和度有关。 综上所述，超声键合技术诞生已久并广泛应用于工业界实际生产，但是， 目前仍然有很多并不十分清楚的课题急需解决，首先，键合点接头的形成过程 尤其是引线与焊盘界面实现连接的物理本质仍然困扰着本领域的产业界和学术 界，阻碍了引线键合工艺快速向前发展及其未来更广泛的应用。其次，超声在 键合过程中对接头形成的作用、超声对被键合引线性能、内部组织结构的影响 是另一个重要问题，了解超声的上述作用能够对开发下一代设备、更新生产工 艺规范产生方向性的指导作用。 1 3 本文主要研究内容 根据以上的本领域研究综述，本文确定如下几个研究内容： ( 1 ) 采用典型的2 5 岬a l + 1 s i 引线和a 1 金属化层、a u n i c u 焊盘进行超 哈尔滨t 业大学t 学硕十学位论文 声键合工艺参数( 主要参数为超声功率、键合压力、键合时间) 试验，分析工 艺参数与接头变形率之间的关系，对键合参数进一步优化，并进行接头外观形 态及焊点界面形态的观察。 ( 2 ) 运用化学腐蚀的方法，观察键合点形成过程，从形态上理解接头的形 成机制，采用s e m 及e d x 等手段进行焊点界面的显微组织分析，观察界面金 属学行为，从微观元素扩散反应的角度，进一步研究接头形成的本质。 ( 3 ) 进行热老化试验，观察键合点界面的演化过程，对接头的长期可靠性 进行评估，分析并总结超声键合的物理规律。 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章超声键合工艺 超声键合，自2 0 世纪6 0 年代，键合频率固定在6 0 k h z 引入互连工艺开 始，至今仍然是主要的引线键合技术之一。它是一种室温下利用低能量密度 ( l o k w m 2 ) 连接的工艺，是在压力作用下，通过装在引线键合机上的超声换能 器适当传输超声振动能量，使要键合的金属成为塑性状态而形成冶金接头。初 始选择6 0 k h z 的原因并不清楚，但是这个频率可能源于换能器，在大多键合环 境下工作稳定。尽管不同引线材料的连接都能够运用超声键合技术，但是，超 声键合主要应用在将a 1 、a 1 s i 、a 1 m g 丝键台到芯片侧熏镀a l 合金( 如含 1 s i 、1 - 2 c u 、2 m g 等合金元素) 焊盘上，另一侧键合到镀金引线框架上或 p c b 板的焊盘上。 超声键合主要有手动、半自动和全自动键合三种设备，全自动的键合机可 以实现每秒5 线以上的键合速度，即每秒键合1 0 个点以上。键合过程中主要 的参数有超声功率、键合时间和键合压力，超声键合的最佳键合状态通过调节 上述三个工艺参数相互匹配来决定，不能单一强调某个参数的作用。工艺参数 的优化可以选择通过固定其中两个参数，改变另一个参数进行，例如使压力和 时间维持在某一最佳条件下，通过改变超声功率进行键合，然后对键合丝进行 强度试验，测试键合强度，同时对键合失效模式进行分析，如此反复进行试 验，最终确定最佳工艺参数；也可以通过测量键合点上引线的变 形率进行优化。键合工艺参数的选择对键合点的质量影响很大，通过键合点的 强度或变形率与相关标准进行比较，就可以试验出最佳的键合工艺窗口。 2 2 超声键合设备 超声波在引线键合机应用中的一个关键问题是确保声源、能量转换系统、 材料接触吻合度三者之问的耦合性，也就是说要保证超声波发生器、换能器及 其连接机构、劈刀与待键合器件表面的接触情况三者之间的匹配性 3 1 , 3 2 】。这是 提高超声波能量转换效率、速度的前提。超声波系统由超声波发生器和换能器 两部分组成，其中换能器的材料及结构对键合的质量影响很大。图2 1 给出了 换能器结构示意图。压电陶瓷或者磁致伸缩材料在激励作用下产生超声波，经 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 过聚能器将超声信号放大，使键合工具劈刀振动，通过整体结构设计，保证这 种振动在劈刀的尖端产生最大的振幅，并且振动的方向是沿换能器的轴向，其 他方向的振动严格受到抑制。这种控制作用通过图2 2 的锁相环电路完成， v c o 为压电控制振荡器。通过反馈控制使超声波频率稳定。 带锁相环的电信号发生器聚能器( 变幅杆)振动方向 图2 1 超声键合系统结构图 换能器的性能要求为： 图2 _ 2 锁相法原理图 1 谐振频率包括其数值及精度。超声键合过程中由于声阻抗的变化， 要求其工作时在一定频带内变化，由上面的锁相装置跟踪； 2 振幅根据实际要求，由聚能器设计解决，保证振动的振幅在安装环 处为零，在钢嘴( 即键合工具一劈刀) 奠b 最大： 3 振动模式适当的选择压电晶片和聚能器的外形尺寸，使其远离径向 振动的谐振频率，消除或抑制耦合的径向振动，保持单一的轴向振动，使声能 大部分用来键合，提高能量的利用率； 4 换能器的安装在波节面处使用其它装置用适当的力矩固定整个换能 器，从而减少能量损耗。 哈尔滨工业人学工学硕十学位论文 2 3 超声键合过程 引线在超声和压力作用下，借助钢嘴和线央通过压线、送线、引线、扯 线，完成一条引线的键合过程，示意图见2 3 ，主要有以下几个步骤： a 当线夹闭合时，要键合的引线从超声换能器上的孔穿过，再从钢嘴尖穿 过且伸出钢嘴一点。换能器调整到第一键合位置的正上方，如图2 3 ( a ) 。 b 换能器随着键合头线性向下移动，钢嘴以一个规定静态压力( 称为键合 力) 将引线压在键合表面。通过换能器迅速施加一定时间( 称为键合时间) 超 声能量形成第一个键合点，如图2 3 ( b ) 。 c 线夹打开，换能器升高到预定的线弧高度，同时，引线从线轴中抽出， 如图2 - 3 ( c ) 。 d 工作台移动到第二键合点位置，如图2 3 ( d ) 。 e 。线夹闭合，换能器重新下降，将线压在键合表面，形成线弧，使用超声 能量完成第二个点的键合，如图2 3 ( e ) 。 f 剪切力作用，线夹向线后拉，在第二键合点的跟部剪切并切断引线，如 图2 3 ( f ) 。 g 换能器提升。在进给力的作用下引线央向前推夹紧线，使线尾进给到换 能器的下方直到有超出钢嘴前端露出部分引线的位置。重复此循环进行下一根 线的键合。 在全自动超声键合机上，上述过程是通过程序控制完成的，在预先设置的 动作下，实现快速的键合。注意的问题有：鉴于焊盘问距越来越小，速度要求 越来越高，要求键合设备工作台转动和平动精度要高、定位精度好，以便保证 键合位置在焊盘的正中；要求线夹的送线、扯线动作协调，均匀一致。送线过 长，会形成过长的尾丝，容易造成短路，而送线过短，不能形成足够长度的键 合点，影响键合点的力学性能；线弧高度要适中，过高的线弧容易使引线经过 后续的塑封工艺时，形成引线下塌，而过低的线弧，给键合点的内部造成了很 大的应力，降低可靠性。 2 4 试验设备、材料及方案 键合设备采用s u ne a s t 生产的a w l 2 1 z 自动a u a i 弓i 线键合机，如图2 4 所 示，有手动和自动两种键合模式，超声频率为6 0 k h z ，劈刀的材料为碳化 硅。引线为超声键合中使用最广泛的a 1 + 1 s i 丝，直径为2 5 儿m ，制造工艺为拉 拔成型。试验电路板为c o b 专用线路板，芯片已粘接在板上，焊盘会属 堕竺堡三些尘兰三兰堡圭兰丝丝兰 _ - 击u 靠 ( a ) l ：；鬻拳 1 l f ( b ) ( c ) 喘篇留 嶙1 b 幻_ _ 可 ：- - - 一 ( d ) 一惫臆 斋蜊亲糕 ( e ) 图2 3 超声键合过程示意图 图2 4 超声键合设备 1 4 ， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 化层分别采用a l 金属化层( 芯片侧，厚度为2 1 a m ，间距为1 2 0 , n ) 和a u n i c u 焊盘( p c b 板侧，厚度分别为5 0 n m 、1 0 1 m a 、3 0 9 m ) 。电路板及焊盘结构如图2 - 5 所示，薄a u 层是为了提高可键合性而设计的。除特别说明外，以下研究的 键合点指的是p c b 侧的键合点。 ( a ) p c b 上焊盘( b ) 芯片上金属化层 图2 5 试验电路板上焊盘截面结构 采用预设程序全自动键合方式进行试验，利用键合点变形率的标准优化了 键合参数( 主要为超声功率、键合时间以及键合压力三个参数) 。试验中主要 针对p c b 板焊盘上的键合点进行了重点探讨。 键合点的横截面( 轴向的横截面和径向的横截面) 按照标准的制样过程进 行制备，但由于键合点的尺寸原因需特别精心。经过切割的试样在塑封时应保 持预观察键合点界面水平，并采用透明度好的树脂进行密封。首先用丹麦 s t r u e r sl a b o p 0 1 5 金相研磨抛光机在水砂纸上研磨到1 2 0 0 号粒度，保证横截 面在键合点的正中，再分别采用1 0 9 m 、o 2 5 9 i n 粒度的金刚石研磨剂在金丝绒 专用抛光布上抛光，最后于o 5 氢氟酸中腐蚀1 0 s 。采用连续变焦的u n i o n d z 3 体式显微镜观察键合点的金相组织，更精细的微观组织是在h i t a c h is 一 4 7 0 0 扫描电镜( 配备有e d x 能谱分析仪) 上进行的，分别抓取了试样的二次 电子像和背散射电子像。 为加速键合点界面的演化过程，在1 7 0 下采用热风恒温老化炉进行了老 化试验，分别进行了2 天、1 0 天、3 0 天、4 0 天的老化。然后分析界面组织的 演化规律。 2 5 键合参数对键合点形貌及变形率的影响 键合工艺参数主要有超声功率( p ) 、键合时间( t ) 和键合压力( f ) ，分别进 行了工艺参数对键合点外观及变形率的影响。按照键合点的长度和宽度国军标 g j b 5 4 8 a 方法2 0 1 0 中规定：1 2d w 3 0 d ；1 5d l 5 0 d ，其中，w 为键合点的宽度，l 为键合点的长度，d 为键台丝的直径。一般来讲，当键 合点的厚度及宽度w 满足下面的要求时，键合结果最佳： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a 。( 6 5 7 5 ) d w 2 n 2 1 5 ) d 所谓键合结果最佳是指当键合点脱落数为零时，键合强度最大。而不是单 纯地指键合强度最大，而不考虑键合点的失效模式。 2 5 1 超声功率与键合点形貌关系 超声波由超声发生器产生，经过换能器将其放大，在键合工具劈刀的尖端 具有最大的振幅，超声功率越大，振动的振幅越大，对键合点的作用也就越 大，可见超声功率对键合点的形成及其质量有重要的影响。超声振动的振幅在 1 5 岬左右，可以采用激光干涉仪( l a s e ri n t e r f e r o m e t e r s ) 或是电容扩音器 ( c a p a c i t o rm i c r o p h o n e ) 等方法测量。表2 1 为不同超声功率下键合点外观。可 见，随着超声功率的增加，焊点外观形状由长方形向圆形变化，长宽比趋向 1 ，且焊点由于超声作用而出现越来越大的塑性变形，从第二键合点上可以看 到明显的引线被扯断的痕迹。定义：键合点的横向变形率为 d r = ( 一d ) d ，其中w 为键合点的宽度，d 为引线的直径。图片经过数字 图像处理后进行键合点参数w 的测量，如图2 - 6 所示。每组数据采样1 0 个键 合点的宽度w 并取平均值。 表2 - 1 不同超声功率f 键合点的外观( f = 6 0t = 2 0 m s ) ( 其中功率p 和压力f