第二章
2.1纯金属
金丝：广泛用于热压和热声焊,丝线表面要光滑和清洁以保证强度和防止丝线堵 塞,纯金具有很好的抗拉强度和延展率,高纯金太软,一般加入约5-10 ppm 重量的 Be或者30-100 ppm的Cu,掺Be的引线强度一般要比掺Cu的高10-20% 。 铝丝：1. 纯铝太软而难拉成丝,一般加入1% Si 或者1% Mg以提高强度。 2. 室温下1% 的Si 超过了在铝中的溶解度,导致Si的偏析,偏析的尺寸和数量取 决于冷却数度,冷却太慢导致更多的Si颗粒结集。Si颗粒尺寸影响丝线的塑性,第 二相是疲劳开裂的萌生潜在位置。 3. 掺1%镁的铝丝强度和掺1% 硅的强度相当。 4. 抗疲劳强度更好,因为镁在铝中的均衡溶解度为2%,于是没有第二相析出。 铜丝：1.最近人们开始注意铜丝在IC键合中的应用, 2.便宜,资源充足, 3.在塑封 中抗波动(在垂直长度方向平面内晃动)能力强, 4.主要问题是键合性问题, 5.比金 和铝硬导致出现弹坑和将金属焊区破坏, 6.由于易氧化,要在保护气氛下键合。
第二章 线材
2.1 纯金属 2.1.1 金丝 2.1.2 铝丝 2.1.3 铜丝
第三章 键合
3.1 键合方式 3.1.1 球形键合 3.1.2 楔形键合 3.1.3 比较 3.2 键合设备
3.3 键合工具 3.3.1 楔形劈刀 3.3.2 毛细管劈刀 3.4 键合点设计 3.4.1 输入因素 3.5 键合参数 3.6 键合评价 3.7 细间距能力比较 3.8 弧度走线方向
第四章 失效
4.1 键合失效 4.1.1 焊盘清洁度 4.1.1.1 卤化物 4.1.1.2 镀层涂覆时的污染 4.1.1.3 硫 4.1.1.4 多种有机物污染 4.1.1.5 其他导致腐蚀或者破 坏可键合性的物质 4.1.1.7 人为因素 4.1.2 焊盘产生弹坑 4.1.3 键合点开裂和翘起 4.1.3.1 开裂原因 4.1.4 键合点尾部不一致 4.1.5 键合点剥离 4.1.6 引线框架腐蚀
1.3 历史和特点 1957年Bell实验室采用的器件封装技术,目前特 点如下: 已有适合批量生产的自动化机器, 键合参数可精密控制,导线机械性能重复性高 速度可达100-125ms/互连(两个焊接和一个导 线循环过程) 间距达50 um 而高度可低于 劈刀的改进解决了大多数的可靠性问题 根据特定的要求,出现了各种工具和材料可供 选择 已经形成非常成熟的体系
4.2 可靠性失效
第五 清洗
5.1 概述 5.2 清洗方法 5.2.1 等离子体清洗 5.2.2 紫外臭氧清洗
4.2.1 IMC的形成 4.2.1.1 原因 4.2.1.2 空洞形成 4.2.2 丝线弯曲疲劳 4.2.3 键合点翘起 第六章 4.2.4 键合点腐蚀 4.2.5 金属迁移 4.2.6 振动疲劳
成都工业学院
微电子专业 10241
07
王倩
第一章 概论
1.1 简介 1.2 工艺方法 1.2.1 超声焊接 1.2.2 热压焊接 1.2.3 热声焊接 1.3 特点
2.2 金属冶金系 2.2.1 Au-Au系 2.2.2 Au-Al 系 2.2.3 Au-Cu系 2.2.4 Au-Ag 系 2.2.5 Al-Al 系 2.2.6 Al-Ag 系 2.2.7 Al-Ni 系 2.2.8 Cu-Al 系 2.3 材料选择 2.3.1 引线 2.3.2 焊盘材料 2.4 选材要求
应用
6.1 范围 6.2 实例
第七章 未来发展
第一章
1.1 简介
用金属丝将芯片的I/O端与对应的封装引脚或者基板上布线焊区互连,固相焊 接过程,采用加热、加压和超声能,破坏表面氧化层和污染,产生塑性变形,界面亲 密接触产生电子共享和原子扩散形成焊点,键合区的焊盘金属一般为Al或者Au等, 金属细丝是直径为几十到几百微米的Au、Al或者Si-Al丝。
2.2金属冶金系
Au-Al 系：1. 是最常见的键合搭配, 2. 容易形成AuAl金属间化合物,如Au 5 Al 2 (棕褐色), Au 4 Al (棕褐色),Au 2 Al (灰色), AuAl (白色), and AuAl 2(深紫色), 3. AuAl 2即使在室温下也能在接触界面下形成,然后转变成其他IMC,带来可靠性 问题 4. 这些IMC晶格常数、机械、热性能不同,反应时会产生物质移动,从而在交 界层形成可见的柯肯达尔效应(Kirkendall voids.),或者产生裂纹。
1.2 工艺方法
超声焊接:利用超声波(60~120KHz)发生器使劈刀发生水平弹性振动, 同时施加向下的压力。使得劈刀在这两种力作用下带动引线在焊区金属表面迅速 摩擦,引线受能量作用发生塑性变形,在25ms内与键合区紧密接触成焊接。常用于 Al丝的键合。键合点两端都是楔形。 热压焊:利用加压和加热,使得金属丝与焊区接触面的原子间达到原子的引力范围, 从而达到键合目的。基板和芯片温度达到约150°C ,常用于金丝的键合,一端是 球形,一端是且楔形,常用于金丝的键合。 热声焊:用于Au和Cu丝的键合。它也采用超声波能量,但是与超声不同点的是:键 合时要提供外加热源、键合丝线无需磨蚀掉表面氧化层。外加热量的目的是激活 材料的能级,促进两种金属的有效连接以及金属间化合物(IMC)的扩散和生长。。
Au-Cu 系：1. 金丝键合到铜引脚上情形, 2. 三种柔软的IMC相(Cu 3 Au, AuCu, 和Au 3 Cu)活化能在0.8到1电子伏特之间,它们在高温(200325oC)时候由于柯肯达尔效应容易降低强度, 3. 强度的降低明显取决 于微观结构、焊接质量和铜的杂质含量, 4. 表面清洁度对于可键合性 以及可靠性至关重要,5. 另外如果有机聚合材料用于晶片的连接,那么聚 合材料要在保护气氛下固化以防止氧化。 Au-Ag 系：1. Au-Ag 键合系的高温长时间可靠性很好, 2. 无IMC形成 且无腐蚀 3. 金丝键合到镀银的引脚上已经使用多年 4. 硫的污染会影 响可键合性 5. 常在高温下(约250oC)进行热声键合,以分离硫化银膜而 提高可键合性。 Al-Ag 系：1. Ag-Al 相图非常复杂,有很多IMC, 2. 柯肯达尔效应容易 发生,但是在工作温度以上, 3. 实际很少使用这种搭配,因为相互扩散和 湿度条件下的氧4. 氯是主要的腐蚀元素,5. 键合表面必须要用溶剂清洗. 然后用硅胶防护。 Al-Ni 系：1. Al-Ni键合使用直径大于75µm的Al线, 以避免发生柯肯达 尔空洞效应。2. 应用于高温功率器件,如航行器的叶片。3. 对于键合区, 多数情况下Ni是通过硼化物或者磺胺溶液化学镀沉积的,而化学镍磷镀 会引入6 至8% 的磷而影响可靠性,但是Ni的氧化也会产生可键合性的 问题。镀Ni的键合应该进行化学清洗。