引線鍵合工藝參數(shù)對(duì)封裝質(zhì)量的影響因素分析

\o"芯片"芯片直接貼裝（COB）的第一、二點(diǎn)的鍵合時(shí)間、鍵合壓力、鍵合功率和工藝溫度七個(gè)參數(shù)做了DOE優(yōu)化；對(duì)超細(xì)間距引線鍵合第一鍵合點(diǎn)的\o"超聲波"超聲波形、超聲功率、\o"沖擊"沖擊力保持時(shí)間、\o"沖擊"沖擊速度、鍵合點(diǎn)直徑，EFO參數(shù)等進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)；對(duì)細(xì)焊盤引線鍵合機(jī)的工藝參數(shù)做了優(yōu)化。

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.結(jié)語

隨著\o"封裝"封裝尺寸的減小，新材料、新\o"封裝"封裝形式

COB、MCM等的應(yīng)用，對(duì)于引線鍵合技術(shù)提出了更高的要求。當(dāng)前先進(jìn)的\o"IC"IC\o"封裝"封裝設(shè)備基本上被國(guó)外大公司所壟斷，如美國(guó)的US、瑞士的ESEC、日本的TOSOK，NEC等。面對(duì)國(guó)外的技術(shù)封鎖，迫切需要掌握關(guān)鍵\o"封裝"封裝技術(shù)，自主開發(fā)高性能的\o"封裝"封裝設(shè)備。因此，有必要進(jìn)一步探索各個(gè)影響因素及其耦合作用對(duì)\o"封裝"封裝質(zhì)量的影響規(guī)律和控制方法。1引言

絲球焊是引線鍵合中最具代表性的焊接技術(shù)，它是在一定的溫度下，作用鍵合工具劈刀的壓力，并加載超聲振動(dòng)，將引線一端鍵合在IC芯片的金屬法層上，另一端鍵合到引線框架上或PCB便的焊盤上，實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部電路與外圍電路的電連接，由于絲球焊操作方便、靈活、而且焊點(diǎn)牢固，壓點(diǎn)面積大（為金屬絲直徑的2.5－3倍），又無方向性，故可實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)化焊接[1]。

絲球焊廣泛采用金引線，金絲具有電導(dǎo)率大、耐腐蝕、韌性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于集成電路，鋁絲由于存在形球非常困難等問題，只能采用楔鍵合，主要應(yīng)用在功率器件、微波器件和光電器件，隨著高密度封裝的發(fā)展，金絲球焊的缺點(diǎn)將日益突出，同時(shí)微電子行業(yè)為降低成本、提高可靠性，必將尋求工藝性能好、價(jià)格低廉的金屬材料來代替價(jià)格昂貴的金，眾多研究結(jié)果表明銅是金的最佳替代品

銅絲球焊具有很多優(yōu)勢(shì)：

（1）價(jià)格優(yōu)勢(shì)：引線鍵合中使用的各種規(guī)格的銅絲，其成本只有金絲的1/3－1/10。

（2）電學(xué)性能和熱學(xué)性能：銅的電導(dǎo)率為0.62（μΩ/cm）－1，比金的電導(dǎo)率[0.42（μΩ/cm）－1]大，同時(shí)銅的熱導(dǎo)率也高于金，因此在直徑相同的條件下銅絲可以承載更大電流，使得銅引線不僅用于功率器件中，也應(yīng)用于更小直徑引線以適應(yīng)高密度集成電路封裝；

（3）機(jī)械性能：銅引線相對(duì)金引線的高剛度使得其更適合細(xì)小引線鍵合；

（4）焊點(diǎn)金屬間化合物：對(duì)于金引線鍵合到鋁金屬化焊盤，對(duì)界面組織的顯微結(jié)構(gòu)及界面氧化過程研究較多，其中最讓人們關(guān)心的是"紫斑"（AuAl2）和"白斑"（Au2Al）問題，并且因Au和Al兩種元素的擴(kuò)散速率不同，導(dǎo)致界面處形成柯肯德爾孔洞以及裂紋。降低了焊點(diǎn)力學(xué)性能和電學(xué)性能[7，8]，對(duì)于銅引線鍵合到鋁金屬化焊盤，研究的相對(duì)較少，在同等條件下，Cu/Al界面的金屬間化合物生長(zhǎng)速度比Au/Al界面的慢10倍，因此，銅絲球焊焊點(diǎn)的可靠性要高于金絲球焊焊點(diǎn)。

1992年8月，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司開始將銅絲球焊技術(shù)正式運(yùn)用在實(shí)際生產(chǎn)中去，但目前銅絲球焊所占引線鍵合的比例依然很少，主要是因此銅絲球焊技術(shù)面臨著一些難點(diǎn)：

（1）銅容易被氧化，鍵合工藝不穩(wěn)定，

（2）銅的硬度、屈服強(qiáng)度等物理參數(shù)高于金和鋁。鍵合時(shí)需要施加更大的超聲能量和鍵合壓力，因此容易對(duì)硅芯片造成損傷甚至是破壞。

本文采用熱壓超聲鍵合的方法，分別實(shí)現(xiàn)Au引線和Cu引線鍵合到Al-1％Si-0.5％Cu金屬化焊盤，對(duì)比考察兩種焊點(diǎn)在200℃老化過程中的界面組織演變情況，焊點(diǎn)力學(xué)性能變化規(guī)律，焊點(diǎn)剪切失效模式和拉伸失效模式，分析了焊點(diǎn)不同失效模式產(chǎn)生的原因及其和力學(xué)性能的相關(guān)關(guān)系。

2試驗(yàn)材料及方法

鍵合設(shè)備采用K＆S公司生產(chǎn)的Nu-Tek絲球焊機(jī)，超聲頻率為120m赫茲，銅絲球焊時(shí)，增加了一套CopperKit防氧化保護(hù)裝置，為燒球過程和鍵合過程提供可靠的還原性氣體保護(hù)（95％N25％H2），芯片焊盤為Al＋1％Si＋0.5％Cu金屬化層，厚度為3μm。引線性能如表1所示。

采用DOE實(shí)驗(yàn)對(duì)鍵合參數(shù)（主要為超聲功率、鍵合時(shí)間、鍵合壓力和預(yù)熱溫度四個(gè)參數(shù)）進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)把能量施加方式做了改進(jìn)，采用兩階段能量施加方法進(jìn)行鍵合，首先在接觸階段（第一階段），以較大的鍵合壓力和較低的超聲功率共同作用于金屬球（FAB），使其發(fā)生較大的塑性變形，形成焊點(diǎn)的初步形貌；隨之用較低的鍵合壓力和較高超聲功率來完成最后的連接過程（第二階段），焊點(diǎn)界面結(jié)合強(qiáng)度主要取決于第二階段，本文所采用的鍵合參數(shù)，如表2所示。

為加速焊點(diǎn)界面組織演變，在200℃下采用恒溫老化爐進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)，老化時(shí)間分別為n2天（n＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11）。為防止焊點(diǎn)在老化過程中被氧化，需要在老化過程中進(jìn)行氮?dú)獗Ｗo(hù)。

焊點(diǎn)的橫截面按照標(biāo)準(zhǔn)的制樣過程進(jìn)行制備。但由于焊點(diǎn)的尺寸原因需要特別精心，首先采用樹脂進(jìn)行密封，在水砂紙上掩模到2000號(hào)精度，保證橫截面在焊點(diǎn)正中，再采用1.0μm粒度的金剛石掩模劑在金絲絨專用布上拋光，HITACHIS－4700掃描電鏡抓取了試樣表面的被散射電子像，EDX分析界面組成成分。

剪切實(shí)驗(yàn)和拉伸實(shí)驗(yàn)是研究焊點(diǎn)力學(xué)性能和失效模式的主要實(shí)驗(yàn)方法，采用Royce580測(cè)試儀對(duì)各種老化條件下的焊點(diǎn)進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)和拉伸實(shí)驗(yàn)，記錄焊點(diǎn)的剪切斷裂載荷和拉伸斷裂載荷，剪切實(shí)驗(yàn)時(shí)，劈刀距離焊盤表面4μm，以5μm/s的速度沿水平方向推動(dòng)焊點(diǎn)，OlympusSTM6光學(xué)顯微鏡觀察記錄焊點(diǎn)失效模式，對(duì)于每個(gè)老化條件，分別48個(gè)焊點(diǎn)用于剪切實(shí)驗(yàn)和拉伸實(shí)驗(yàn)，以滿足正態(tài)分布。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1金、銅絲球焊焊點(diǎn)金屬間化合物成長(zhǎng)

絲球焊是在一定的溫度和壓力下，超聲作用很短時(shí)間內(nèi)（一般為幾十毫秒）完成，而且鍵合溫度遠(yuǎn)沒有達(dá)到金屬熔點(diǎn)，原子互擴(kuò)散來不及進(jìn)行，因此在鍵合剛結(jié)束時(shí)很難形成金屬間化合物，對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行200℃老化，如圖1所示。金絲球焊焊點(diǎn)老化1天形成了約8μm厚的金屬間化合物層，EDX成分分析表明生成的金屬間化合物為Au4Al為和Au5AL2，老化時(shí)間4天時(shí)出現(xiàn)了明顯的Kirkendall空洞，銅絲球焊焊點(diǎn)生成金屬間化合物的速率要比金絲球焊慢很多，如圖2所示，在老化9天后沒有發(fā)現(xiàn)明顯的金屬間化合物，在老化16天時(shí)，發(fā)現(xiàn)了很薄的Cu/Al金屬間化合物層（由于Cu和Al在300℃以下固溶度非常小，因此認(rèn)為生成的Cu/Al相是金屬間化合物），圖3顯示了老化121天時(shí)其厚度也不超過1μm，沒有出現(xiàn)kirkendall空洞。

在溫度、壓力等外界因素一定的情況下，影響兩種元素生成金屬間化合物速率的主要因素有晶格類型、原子尺寸、電負(fù)性、原子序數(shù)和結(jié)合能。Cu和Au都是面心立方晶格，都為第IB族元素，而且結(jié)合能相近，但是Cu與Al原子尺寸差比Au與AL原子尺寸差大，Cu和AL電負(fù)性差較小，導(dǎo)致Cu/Al生成金屬間化合物比Au/Al生成金屬間化合物慢。

3.2金、銅絲球焊焊點(diǎn)剪切斷裂載荷和失效模式

圖4顯示了金、銅絲球焊第一焊點(diǎn)（球焊點(diǎn)）剪切斷裂載荷老化時(shí)間的變化，可以看到，無論對(duì)于金球焊點(diǎn)還是銅球焊點(diǎn)，其剪切斷裂載荷在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)隨老化時(shí)間增加而增加，隨后剪切斷裂載荷下降，這主要與不同老化階段剪切失效模式不同有關(guān)，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，銅球焊點(diǎn)具有比金球焊點(diǎn)更穩(wěn)定的剪切斷裂載荷，并且在未老化及老化一定時(shí)間內(nèi)，銅球焊點(diǎn)的剪切斷裂載荷比金球焊點(diǎn)好，老化時(shí)間增長(zhǎng)后，銅球焊點(diǎn)剪切斷裂載荷不如金球焊點(diǎn)，但此時(shí)金球焊點(diǎn)內(nèi)部出現(xiàn)大量Kirkendall空洞及裂紋，導(dǎo)致其電氣性能急劇下降，而銅球焊點(diǎn)沒有出現(xiàn)空洞及裂紋，其電氣性能較好。

對(duì)于金球焊點(diǎn)，剪切實(shí)驗(yàn)共發(fā)現(xiàn)了5種失效模式：完全剝離（沿球與鋁層界面剝離）、金球殘留、鋁層斷裂、球內(nèi)斷裂和彈坑，圖5顯示了金球焊點(diǎn)剪切失效模式隨老化時(shí)間的變化，未老化時(shí)，Au/Al為還沒有形成金屬間化合物，剪切失效模式為完全剝離，由于Au/Al老化過程中很快生成金屬間化合物，失效模式在老化初期馬上發(fā)展為以鋁層剝離為主：隨后，鋁層消耗完畢，老化中期失效模式以金球殘留為主，此時(shí)斷裂發(fā)生在金屬間化合物與金球界面；老化100天以后金球內(nèi)部斷裂急劇增加，成為主要失效模式，導(dǎo)致剪切斷裂載荷降低。

對(duì)于銅球焊點(diǎn)，剪切實(shí)驗(yàn)共發(fā)現(xiàn)了4種失效模式：完全剝離、銅球殘留、鋁層斷裂和彈坑。圖6顯示了銅球焊點(diǎn)剪切失效模式隨老化時(shí)間的變化，由于銅球焊點(diǎn)200℃時(shí)生成金屬間化合物很慢，因此其剪切失效模式在老化較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)以完全剝離為主：彈坑隨老化進(jìn)行逐漸增多，尤其老化81天后，應(yīng)力型彈坑大量增加，導(dǎo)致剪切斷裂載荷下降，圖7所示為彈坑數(shù)量隨老化時(shí)間變化，需要說明的是彈坑包括應(yīng)力型彈坑和剪切性彈坑，應(yīng)力型彈坑為剪切實(shí)驗(yàn)之前就已經(jīng)存在的缺陷，而剪切型彈坑是由于接頭連接強(qiáng)度高，在剪切實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生，因此只有應(yīng)力型彈坑是導(dǎo)致剪切斷裂載荷下降的原因，相對(duì)金球焊點(diǎn)，銅球焊點(diǎn)剪切出現(xiàn)彈坑較多，主要是因?yàn)殂~絲球焊鍵合壓力比金絲球焊大。

2.3金、銅絲球焊拉伸斷裂載荷和失效模式

圖8顯示了金、銅絲球焊拉伸斷裂載荷隨老化時(shí)間的變化，金絲球焊拉伸斷裂載荷隨老化時(shí)間變化不大，拉伸斷裂模式以第一焊點(diǎn)和中間引線斷裂為主。銅絲球焊拉伸斷裂載荷隨老化時(shí)間不斷下降，由于銅的塑性比金差，而且銅絲球焊第二焊點(diǎn)鍵合壓力比金絲球焊大很多，因此銅絲球焊第二焊點(diǎn)比金絲球焊變形損傷大，銅絲球焊拉伸時(shí)容易發(fā)生第二焊點(diǎn)斷裂，第二焊點(diǎn)斷裂又分為魚尾處斷裂（根部斷裂）和焊點(diǎn)剝離（引線和焊盤界面剝離），如圖9所示，銅絲球焊拉伸在老化初期為魚尾處斷裂，老化16天以后焊點(diǎn)剝離逐漸增多，主要是因?yàn)殂~絲球焊老化過程中第二焊點(diǎn)被氧化，從而也導(dǎo)致拉伸斷裂載荷下降。

4結(jié)論

（1）銅絲球焊焊點(diǎn)的金屬間化合物生長(zhǎng)速率比金絲球焊焊點(diǎn)慢得多，認(rèn)為Cu與Al原子尺寸差A(yù)u與Al原子尺寸差大，Cu和Al電負(fù)性差較小是其本質(zhì)原因。

（2）銅絲球焊焊點(diǎn)具有比金絲球焊焊點(diǎn)更穩(wěn)定的剪切斷裂載荷，并且在老化一定時(shí)間內(nèi)銅絲球焊焊點(diǎn)表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能。

（3）銅絲球焊焊點(diǎn)和金絲球焊焊點(diǎn)老化后的失效模式有較大差別。銅線的防氧化目前比較通用的做法就是采用：95%N2+5%H2的混合氣體來預(yù)防和阻止銅線在作業(yè)時(shí)氧化；IC鋁層的厚度則關(guān)系到銅線能否順利的焊到IC的pad上；8P.銅線是一種半導(dǎo)體封裝中的新型材料，可替代昂貴的金線，大大節(jié)約生產(chǎn)成本，目前已在市場(chǎng)上廣泛地使用。3F+a,?5L8t7t5y3]7k

銅線與金線之間直徑的換算如下：（d:直徑，s：導(dǎo)電率）

其中sCu=103.1%IACS，sAu=73.4%IACS0v7@8I"i"I#A/[,I

由于目前大多數(shù)半導(dǎo)體封裝制造企業(yè)對(duì)成本的考慮越來越多，加上銅線比現(xiàn)在普遍使用的金線的某些物理特性及電性能方面都要更好(表1)。所以銅線代替金線在半導(dǎo)體封裝的應(yīng)用開始慢慢成為趨勢(shì)。)@2T(f7B-n-b0M,^

以下是銅線與金線的性能參數(shù)比較：#b*_/g.t9z

CuAu電導(dǎo)率103.173.4電阻率16.720.1熱導(dǎo)率398.0317.9熱膨脹系數(shù)16.514.2彈性模量11578金線熱影響區(qū)金線的熱影響區(qū)(HeatEffectZone即HAZ)是金線屬性的重要參數(shù)之一。在金線成球的時(shí)候存在一個(gè)二次退火的問題，就是在燒球后，所產(chǎn)生的熱量對(duì)線材的金屬晶粒所產(chǎn)生的影響，使其變大，所以在一條完整的線弧上，HAZ