引線鍵合的失效機理

1、引線鍵合的失效機理小組成員：08521201樊量 ：什么是引線鍵合，常用的焊線方法 08023205高樂 ：鍵合工藝差錯造成的失效 08023207王全 ：熱循環(huán)使引線疲勞而失效08023208高燦 ：金屬間化合物使AuAl系統(tǒng)失效08023214徐國旺 ：內(nèi)引線斷裂和脫鍵產(chǎn)生的原因及其影響08023215馮超 ：內(nèi)引線斷裂和脫鍵產(chǎn)生的原因及其影響08023130黃宏耀 ：鍵合應(yīng)力過大造成的失效 目錄1、 引線鍵合-31.1常用的焊線方法-3熱壓鍵合法-3超聲鍵合法-3熱超聲鍵合法-3三種各種引線鍵合工藝優(yōu)缺點比較-41.2引線鍵合工藝過程-42、鍵合工藝差錯造成的失-62.1焊盤出坑-7 2

2、.2尾絲不一致-72.3鍵合剝離-72.4引線彎曲疲勞-72.5鍵合點和焊盤腐蝕-72.6引線框架腐蝕-82.7金屬遷移-82.8振動疲勞-83、內(nèi)引線斷裂和脫鍵-84、金屬間化合物使AuAl系統(tǒng)失效-9 4.1 AuAl 系統(tǒng)中互擴散及金屬間化合物的形成-9 4.2雜質(zhì)對AuAl系統(tǒng)的影響-9 4.3改善方法-105、熱循環(huán)使引線疲勞而失效-10 5.1熱循環(huán)峰值溫度對金相組織的影響-10 5.2熱循環(huán)峰值溫度對沖擊功的影響-10 5.3引線疲勞-116、鍵合應(yīng)力過大造成的失效-11參考文獻-121、 引線鍵合引線鍵合是芯片和外部封裝體之間互連最常見和最有效的連接工藝。1、1常用的焊線方法1

3、、1、1熱壓鍵合法：熱壓鍵合法的機制是低溫擴散和塑性流動(Plastic Flow)的結(jié)合,使原子發(fā)生接觸,導(dǎo)致固體擴散鍵合。鍵合時承受壓力的部位，在一定的時間、溫度和壓力的周期中，接觸的表面就會發(fā)生塑性變形(Plastic Deformation)和擴散。塑性變形是破壞任何接觸表面所必需的,這樣才能使金屬的表面之間融合。在鍵合中,焊絲的變形就是塑性流動。該方法主要用于金絲鍵合。 壓頭下降，焊球被鎖定在端部中央 在壓力、溫度的作用下形成連接壓頭上升 壓頭高速運動到第二鍵合點形成弧形在壓力、溫度作用下形成第二點連接 壓頭上升至一定位置，送出尾絲夾住引線，拉斷尾絲 引燃電弧，形成焊球進入下一鍵合循

4、環(huán)1、1、2超聲鍵合法：焊絲超聲鍵合是塑性流動與摩擦的結(jié)合。通過石英晶體或磁力控制，把摩擦的動作傳送到一個金屬傳感器(Metal“HORN”)上。當石英晶體上通電時，金屬傳感器就會伸延；當斷開電壓時，傳感器就會相應(yīng)收縮。這些動作通過超聲發(fā)生器發(fā)生，振幅一般在4-5個微米。在傳感器的末端裝上焊具，當焊具隨著傳感器伸縮前后振動時，焊絲就在鍵合點上摩擦，通過由上而下的壓力發(fā)生塑性變形。大部分塑性變形在鍵合點承受超聲能后發(fā)生，壓力所致的塑變只是極小的一部分，這是因為超聲波在鍵合點上產(chǎn)生作用時，鍵合點的硬度就會變?nèi)?，使同樣的壓力產(chǎn)生較大的塑變。該鍵合方法可用金絲或鋁絲鍵合。定位（第一次鍵合） 鍵合 定位

5、（第二次鍵合） 鍵合切斷1、1、3熱超聲鍵合法：這是同時利用高溫和超聲能進行鍵合的方法，用于金絲鍵合。1、1、4三種各種引線鍵合工藝優(yōu)缺點比較：特性熱壓鍵合法超聲鍵合法熱超聲鍵合法可用的絲質(zhì)及直徑Au絲15100umAu絲，Al絲10500umAu絲15100um鍵合絲的切斷方法高電壓（電?。├瓟嗬瓟?超聲壓頭)拉斷(送絲壓頭)高電壓(電弧)高電壓（電?。├瓟鄡?yōu)點鍵合牢固，強度高；在略粗糙的表面上也能鍵合；鍵合工藝簡單無需加熱；對表面潔凈度不十分敏感；與熱壓鍵合法相比，可以在較低溫度、較低壓力下實現(xiàn)鍵合缺點對表面清潔度很敏感；應(yīng)注意溫度對元件的影響對表面粗糙度敏感；工藝控制復(fù)雜需要加熱；與熱壓

6、法相比工藝控制要復(fù)雜些其他適用于單片式LSI最適合采用Al絲適用于多芯片LSI的內(nèi)部布線連接1、2引線鍵合工藝過程引線鍵合的工藝過程包括：焊盤和外殼清潔、引線鍵合機的調(diào)整、引線鍵合、檢查。外殼清潔方法現(xiàn)在普遍采用分子清潔方法即等離子清潔或紫外線臭氧清潔。（1）等離子清潔該方法采用大功率RF源將氣體轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體，高速氣體離子轟擊鍵合區(qū)表面，通過與污染物分子結(jié)合或使其物理分裂而將污染物濺射除去。所采用的氣體一般為O2、Ar、N2、80%Ar+20%O2，或80%O2+20%Ar。另外O2/N2等離子也有應(yīng)用，它是有效去除環(huán)氧樹脂的除氣材料。2分子鏈使之成原子態(tài)(O+O)，原子態(tài)氧又與其它氧分子結(jié)

7、合形成臭氧O3。在253.7n波長紫外線作用下臭氧可以再次分解為原子氧和分子氧。水分子可以被打破形成自由的OH-根。所有這些均可以與碳氫化合物反應(yīng)以生成CO2+H2O，并最終以氣體形式離開鍵合表面。253.7n波長紫外線還能夠打破碳氫化合物的分子鍵以加速氧化過程。盡管上述兩種方法可以去除焊盤表面的有機物污染，但其有效性強烈取決于特定的污染物。例如，氧等離子清潔不能提高Au厚膜的可焊性，其最好的清潔方法是O2+Ar 等離子或溶液清洗方法。另外某些污染物，如Cl離子和F離子不能用上述方法去除，因為可形成化學束縛。因此在某些情況還需要采用溶液清洗，如汽相碳氟化合物、去離子水等。（3）引線鍵合工藝有球

8、鍵合工藝和楔鍵合工藝兩種。球鍵合一般采用D75以下的細Au絲。主要是因為其在高溫受壓狀態(tài)下容易變形、抗氧化性能好、成球性好。球鍵合一般用于焊盤間距大于100的情況下。目前也有用于50焊盤間距的例子。楔鍵合工藝既適用于Au絲，也適用于Al絲。二者的區(qū)別在于Al絲采用室溫下的超聲波鍵合，而Au絲采用150下的熱超聲鍵合。楔鍵合的一個主要優(yōu)點是適用于精細尺寸，如50um以下的焊盤間距。但由于鍵合工具的旋轉(zhuǎn)運動，其總體速度低于熱超聲球鍵合。最常見的楔鍵合工藝是Al絲超聲波鍵合，其成本和鍵合溫度較低。而Au絲楔鍵合的主要優(yōu)點是鍵合后不需要密閉封裝，由于楔鍵合形成的焊點小于球鍵合，特別適用于微波器件。（6

9、）鍵合的方式有兩種。正焊鍵合：第一點鍵合在芯片上，第二點鍵合在封裝外殼上；反焊鍵合：第一點鍵合在外殼上，第二點鍵合在芯片上。采用正焊鍵合時，芯片上鍵合點一般有尾絲；采用反焊鍵合時，芯片上一般是無尾絲的。究竟采用何種鍵合方式鍵合電路，要根據(jù)具體情況確定。2、 鍵合工藝差錯造成的失效2、1焊盤出坑出坑通常出現(xiàn)于超聲波鍵合中,是指對焊盤金屬化層下面半導(dǎo)體材料層的損傷。這種損傷有時是肉眼可見的凹痕,更多是不可見的材料結(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) 超聲波能量過高導(dǎo)致Si 晶格層錯;(2) 楔鍵合時鍵合力過高或過低:(3) 鍵合工具對基板的沖擊速度過大,一般不會導(dǎo)致

10、Si 器件出坑,但會導(dǎo)致、GaAs 器件出坑;(4) 球鍵合時焊球太小致使堅硬的鍵合工具接觸到了焊盤金屬化層;(5) 焊盤厚度太薄。13 m 厚的焊盤損傷比較小,但0. 6m 以下厚度的焊盤可能存在問題;(6) 焊盤金屬和引線金屬的硬度匹配時鍵合質(zhì)量最好,也可以最小化出坑現(xiàn)象;(7)Al 絲超聲波鍵合時金屬絲太硬可能導(dǎo)致Si片出坑。2、2尾絲不一致這是楔鍵合時最容易發(fā)生的問題,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;(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;(7) 金屬絲拉伸

11、錯誤。尾絲太短意味著作用在第1 個鍵合點上的力分布在一個很小的面積上,這將導(dǎo)致過量變形。而尾絲太長可能導(dǎo)致焊盤間短路。2、3鍵合剝離剝離是指拉脫時鍵合點跟部部分或完全脫離鍵合表面,斷口光滑。剝離主要是由工藝參數(shù)選擇錯誤或鍵合工具質(zhì)量下降引起。它是鍵合相關(guān)失效的一個很好的早期信號。2、4引線彎曲疲勞這種失效的起因在于引線鍵合點跟部出現(xiàn)裂紋。原因可能是鍵合操作中機械疲勞,也可能是溫度循環(huán)導(dǎo)致熱應(yīng)力疲勞。已有的試驗結(jié)果表明:(1) 溫度循環(huán)條件下,Al 絲超聲波鍵合比Al 絲熱壓鍵合更為可靠;(2) 含0. 1 %Mg 的Al 絲要好于含1 %Si 的Al絲;(3) 引線閉環(huán)的高度至少應(yīng)該是鍵合點間

12、距的25 %以減輕彎曲。2、5鍵合點和焊盤腐蝕腐蝕可導(dǎo)致引線一端或兩端完全斷開,從而使引線在封裝內(nèi)自由活動并造成短路。潮濕和污物是造成腐蝕的主要原因。例如,鍵合位置上存在Cl 或Br 將導(dǎo)致形成氯化物或溴化物,腐蝕鍵合點。腐蝕將導(dǎo)致鍵合點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施加了一個壓力,只有腐蝕非常嚴重才會出現(xiàn)電連接問題。2、6引線框架腐蝕起因是殘余應(yīng)力過大,或者在為防止引線框架基體金屬(42 合金或Cu) 腐蝕而進行的表面鍍層(如Ni) 工藝中引入了過多的表面污染。最敏感的區(qū)域是密封化合物材料與引線框架的界面處。2、7金屬遷移是指從鍵合焊盤處開始的金屬枝晶生

13、長。這是一個金屬離子從陽極區(qū)向陰極區(qū)遷移的電解過程,與金屬的可獲得性、離子種類、電勢差等相關(guān)。金屬遷移將導(dǎo)致橋連區(qū)的泄露電流增加,如果橋連完全形成則造成短路。最為廣泛報道的是Ag 遷移。其它金屬,如Pb、Sn、Ni 、Au 和Cu 也存在遷移現(xiàn)象。因為與失效相關(guān),這是一種逐漸失效現(xiàn)象。2、8振動疲勞可能產(chǎn)生諧振并因此損傷鍵合點的最小頻率,對于Au 絲為35 kHz ,Al 絲為10 kHz。一般而言,引線鍵合的振動疲勞失效發(fā)生于超聲波清洗過程,因此超聲波清洗設(shè)備的諧振頻率應(yīng)在20100 kHz以內(nèi)。3、內(nèi)引線斷裂和脫鍵內(nèi)引線斷裂的方式一般分為三類：引線中間斷裂；引線在近鍵合點的根部裂；脫鍵。（

14、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)，因為它和內(nèi)引線存在損傷的程度和由損傷誘發(fā)的機理有關(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；抗機械應(yīng)力的能力降低，會造成內(nèi)引線損傷處斷裂。產(chǎn)生損傷的原因：一是鍵合絲受到機械損傷，二是鍵合絲受到了化學腐蝕的侵蝕（2）鍵合絲在近鍵合點的根部斷裂這種現(xiàn)象的發(fā)生主要是由工藝所引入的。存在鉈(Tl) 污染源,Tl 可以與Au 形成低熔點的共晶相并從鍍Au 的引線框架傳輸?shù)紸u 絲中。鍵合點形成過程中,Tl 可以快速擴散并在球頸以上的晶界處富集形成共晶相。在塑性密封或溫度循環(huán)時,球頸斷裂,器件失效。（3）鍵合點脫鍵

15、隱患自動引線鍵合技術(shù)中，半導(dǎo)體器件鍵合點脫落是最常見的失效模式。這種失效模式用常規(guī)篩選和測試很難剔除，只有在強烈振動下才可能暴露出來，因此對半導(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，會造成表面疏松、發(fā)紅、鼓泡、起皮等。金屬間鍵合接觸時，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：芯片金屬化層過薄，使得鍵合時無緩沖作用

16、，芯片金屬化層出現(xiàn)合金點，在鍵合處形成缺陷；芯片金屬化層粘附不牢，最易掉壓點。<3>表面沾污，原子不能互擴散包括芯片、管殼、劈刀、金絲、鑷子、鎢針，各個環(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，可造成有機物沾污及鈉沾污等；芯片、管殼等未及時處理干凈，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題，可造成一批管殼報廢，或引起鍵合點腐蝕，造成失效；金絲、管殼存放過久，不但易沾污，而且易老化，金絲硬度和延展率也會發(fā)生變化。<4>材料間的接觸應(yīng)力不當，鍵合應(yīng)力包括熱應(yīng)力、機械應(yīng)力和超聲應(yīng)力。鍵合應(yīng)力過小會造成鍵合不牢，但鍵合應(yīng)力過大同樣會

17、影響鍵合點的機械性能。應(yīng)力大不僅會造成鍵合點根部損傷，引起鍵合點根部斷裂失效，而且還會損傷鍵合點下的芯片材料，甚至出現(xiàn)裂縫。4、 金屬間化合物使AuAl系統(tǒng)失效4、1 AuAl 系統(tǒng)中互擴散及金屬間化合物的形成Au - Al 系統(tǒng)中互擴散及金屬間化合物的形成過程如下:(1) 在鍵合的早期階段,Au - Al 之間形成一很薄的擴散層,其成分為AuAl2 (紫斑) ;(2) 進一步受熱導(dǎo)致Au - Al 擴散繼續(xù),隨著Au不斷向Al 薄膜中擴散,純Al 層消失。與此同時,在Au 絲球一側(cè)形成Au5Al2 化合物層;(3) 擴散層厚度不會無限增加,這是因為Al 的來源有限而且二者之間互擴散速度存在差

18、別。定義D 為擴散速度, DAu Al > DAl Au 。假設(shè)初始Al 薄膜厚度為1m ,總的擴散層厚度約為45m。進一步受熱則Au 向擴散層中擴散并在Au 絲球一側(cè)形成Au4Al ,并向半導(dǎo)體芯片一側(cè)生長;(4) 進一步受熱則Au 向擴散層中的擴散繼續(xù),并最終使擴散層成分僅為Au5Al2 和Au4Al 。同時由于kirkendall 效應(yīng),擴散層周圍將有空洞產(chǎn)生;(5) 如果繼續(xù)受熱,無空洞位置的Au 的擴散進一步加強,導(dǎo)致在中央部位形成Au4Al 層;(6) 對于塑封IC ,由于樹脂材料中的阻燃劑含溴化物,它將成為Au4Al 層中Al 氧化的催化劑。溴化物穿過空洞進入鍵合點并氧化A

19、u4Al 層中的Al ,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)致一種斷開失效。4、2雜質(zhì)對AuAl系統(tǒng)的影響在引線開發(fā)的最初階段，其主要目的是為了增強機械強度例如引線結(jié)構(gòu)和引線長度的控制，因此沒有太多考慮金屬間的斷裂問題。但是隨著焊盤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)展開始受到金屬間相問題的束縛。迄今為止，引線摻雜效應(yīng)還沒有得到深入的研究。通過添加摻雜雜質(zhì)和減緩金屬間相的擴散速度被認為是減少金屬間失效的唯一手段。實際上，摻雜濃度為100ppm時摻雜雜質(zhì)并不能有效地阻止金屬間相的生長。為此，一些常用引線中摻雜雜質(zhì)的含量被提高到1%，此時摻雜雜質(zhì)能夠阻止A

20、u和Al的擴散。但是其效果沒有我們預(yù)期的那么好，而且還會降低引線的電導(dǎo)率。因此，我們需要能夠更加有效地解決這些問題的新方法，而且不能影響電導(dǎo)率性能。4、3改善方法金屬間失效的主要原因有很多，因此很難通過控制一個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、選擇最佳毛細管劈刀類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)則生長程度和提高初始金屬間相覆蓋率。研究結(jié)果顯示最有效的影響因素是引線類型。毛細管劈刀類型也會影響金屬間相的形成。但是，當金屬間相覆蓋率大于70%時，金屬間相覆蓋率不再是主要因素。當我們將焊盤間距為70um的毛細管劈刀和引線類型用于40um時，我們

21、將遇到HTS和溫度循環(huán)失效問題。但是，通過選擇最佳毛細管劈刀類型、引線類型和EMC，我們可以在可靠性性能上取得很好的改善效果。5、 熱循環(huán)使引線疲勞而失效5、1熱循環(huán)峰值溫度對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，當熱循環(huán)峰值溫度為1350時，冷卻后轉(zhuǎn)變成粗大的低碳馬氏體少量的側(cè)板條貝氏體組織。當熱循環(huán)峰值溫度為950時，冷卻后組織明顯細化。當熱循環(huán)峰值溫度為750時，對應(yīng)于熱影響區(qū)的部分淬火區(qū)，因高溫停留時間短，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，未超過調(diào)質(zhì)處理時的高溫回火溫度，組織以回火索氏體為主。 5、2熱循

22、環(huán)峰值溫度對沖擊功的影響經(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。當熱循環(huán)峰值溫度超過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，晶粒長大傾向增大，當熱循環(huán)峰值溫度為1350時，奧氏體晶粒嚴重長大，致使該區(qū)沖擊功最低。5、3引線疲勞在 Au 納米引線的熱疲勞測試中，將正弦交變電壓（Vpp10V）輸入引線，從而在引線中產(chǎn)生交變熱應(yīng)力。實驗中交變電壓信號的頻率為50Hz100Hz。如設(shè)由于交變電信號在引線中產(chǎn)生的溫度變化為T, 則引線中產(chǎn)生的熱應(yīng)變?yōu)?(Au-Si)T，其中(Au-Si)為Au和Si 的熱膨脹系數(shù)之(Au=1.42×

23、;10-5/oC; Si =3×10-6/oC)。這一應(yīng)變將導(dǎo)致Au 引線經(jīng)歷壓壓疲勞循環(huán)。在實驗中，記錄每一試件的疲勞失效壽命(指引線開路時的疲勞循環(huán)次數(shù))，并同時通過SEM 觀察引線表面的形貌變化。表給出了長度為20m，三種不同寬度Au 引線在相同交變電壓信號(Vpp=10V)，不同電壓頻率作用下的疲勞失效結(jié)果。對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，引線材料中晶粒在厚度方向?qū)⑿∮?5nm，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，細化后的晶粒能夠擬制位錯的運動，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的疲勞壽命。結(jié)合中引線失效時的顯微圖片可以看到，在納米引線的表面并沒有發(fā)現(xiàn)類似于體材料疲勞時由于往復(fù)的位錯運動導(dǎo)致的滑移在薄膜表面形成平行的起皺圖案（體材料在機械疲勞載荷作用下的擠出