Wire bonding丨打线键合工艺详解及可靠性分析

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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。

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。。

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:

1. 已有适合批量生产的自动化机器,

2. 键合参数可精密控制,导线机械性能重复性高

3. 速度可达100-125ms/互连(两个焊接和一个导线循环过程)

4. 间距达50 um 而高度可低于

5. 劈刀的改进解决了大多数的可靠性问题

6. 根据特定的要求,出现了各种工具和材料可供选择

7. 已经形成非常成熟的体系

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。

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。

• 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(200-325oC)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。

• Au-Au 系：

1. 金丝线与金焊盘键合最可靠, 

2. 没有界面腐蚀和金属间化合物形成,

3. 即使进行冷超声也能形成键合,  

4. 热压和热声焊很容易进行,

5. 表面污染严重影响热压焊的可键合性

• Al-Al 系：

1. 极其可靠,无IMC,无腐蚀,  

2. 超声键合更好

• Cu-Al 系：

1. 在富铜的一边,会有5种IMC形成,于是失效和Au-Al系相似。

2. 但是IMC的生长较慢,无柯肯达尔效应。

3. 但是由于脆性相CuAl 2生长,剪切强度在150-200oC 会降低。

4. 在300-500oC, 键合强度显著降低,由于总的IMC厚度增加。

5. 铜氧化物层的存在会提高可靠性。

6. 氯的污染会导致腐蚀

2.3 键合材料选择包括引线、IC金属焊区和引脚的焊盘。

引线：材料、丝线直径、电导率、剪切强度、抗拉强度、弹性模

量、柏松比、,硬度、热膨胀系数等是关键因素。

焊盘材料：电导率、可键合性、形成IMC和柯肯达尔效应倾向、硬度、

抗腐蚀能力、热膨胀系数

2.4选材要求

1. 丝线材料必须是高导电的,以确保信号完整性不被破坏。

2. 球形键合的丝线直径不要超过焊盘尺寸的1/4 ,楔形则是1/3 ,键合头不要超过焊盘尺寸的3/4 。

3. 焊盘和键合材料的剪切强度和抗拉强度很重要,屈服强度要大于键合中产生的应力。

4. 键合材料要有一定的扩散常数,以形成一定的IMC,定的焊接强度,但是不要在工作寿命内生长太多:

5. 键合焊盘要控制杂质,以提高可键合性,键合表面的金属沉积参数要严格控制,并防止气体的进入。

6. 丝线和焊盘硬度要匹配:如果丝线硬度大于焊盘,会产生弹坑;若小于焊盘,则容易将能量传给基板。

第三章

3.1键合方式

• 球形键合

1. 一般弧度高度是150 um 。    

2. 弧度长度要小于100倍的丝线直径。

3. 键合头尺寸不要超过焊盘尺寸的3/4。一般是丝线直径的2.5到5倍,取决于劈刀几何现状和运动方向。

4. 球尺寸一般是丝线直径的2到3倍,细间距约1.5倍,大间距为3 到4倍。

• 楔形键合

1. 即使键合点只大于丝线2-3 mm 也可形成牢固的键合。

2. 焊盘尺寸必须支持长的键合点和尾端。

3. 焊盘长轴必须在丝线的走向方向。

4. 焊盘间距应该适合于固定的键合间距。

比较

球形键合：

楔形键合：

3.2键合设备

键合速度不断提高、间距不断减小,操作稳定性提高。楔形和球形键合速度分别可达4 wires/sec 和10 wires/second很多分析设备用于优化键合劈刀的性能,精密图象处理系统使其能够进行精确定位，已经出现了全自动化的设备。在20分钟内就可以完成少量的工具和软件的调整以适应不同的产品。

3.3键合工具劈刀

劈刀常常是通过氧化铝或者碳化钨进行粉末烧结而成。对于一些单一用途的工具,也可以用玻璃、红宝石和碳化钛来代替。

毛细管劈刀描述：主要任务:具备一个内斜面以形成第一个键合点,一个合理设计而又光滑的孔适合弧度的形成,具有一个尖的外圆面以便于第二键合点的截断。

劈刀特点---- I.C. (内斜面)非常重要的参数。影响自由空气聚集和第一键合点的压制半径。同时也影响弧度的形成,以保证光滑的丝线传送。

内斜面角度：90 degrees（如图）

•和底面角度为0或者4度时配合可以优化第二键合点的截断

•适合于非常小底第一键合点要求。

120 degrees（如图）

•提高对第一键合点的黏附作用解决弯曲翘起，

•和底面角8度配合可以优化键合点形状。

内斜面形状：

低拖动面(L.D.)适合较长的弧度轨迹较低而精确的弧度轨迹

双内斜面：最标准最常用的劈刀斜面

F.A. (底面角)底面角度影响:

•第二键合点的形状和强度

•第二键合点的截断

0 degree：

配合90度的内斜面角度具有很好的导线截断能力,一般不用于柔软的材料如陶瓷或者电路板上的薄膜.不宜采用大的键合头。

底面角4 degree：

专门设计用于解决8度或者0度的问题,建议使用小的键合头8 degree ：

一般用途,很好的第二键合点丝线截断能力

15 degree：仅仅用于热压焊,使用较少.

键合头直径(T)：主要影响第二键合点的强度,在允许的范围内应该尽可能大,小键合头适合于较密(细间距)键合,小键合头适合于手工操作。

键合头镀层：

• 光滑涂层

1. 较长的使用寿命,
   

2. 要进行抛光,

3. 使得第二键合点光亮,

4. 减少金属的残留和聚集

• 粗糙的涂层

1. 仅仅内斜面抛光,

2. 第二键合点强度高,

3. 第一键合点光亮

4. 提高超声能作用

锥体角度(C.A.)主要影响到达键合位置的能力,尤其是细间距情况下以及到达第二点的距离。

劈刀长度：标准长度为0.375 "和0.437“,后者允许更深的接触,较小的长度公差可保证较好的超声反应

3.4 键合点设计

引线弯曲疲劳、键合点剪切疲劳、相互扩散、柯肯达尔效应、腐蚀、枝晶生长、电气噪声、振动疲劳、电阻改变、焊盘开裂是要考虑的方面。

• 其输入因素有:

1. 芯片技术、材料和厚度,

2. 键合焊盘材料、间距、尺寸,

3. 时钟频率、输出高或者低电压,

4. 每单位长度的最大允许互连电阻,

5. 最大的输出电容负载,

6. 晶体管导电电阻,

7. 最大的互连电感。

• 球形键合

1. 一般弧度高度是150 um 。

2. 弧度长度要小于100倍的丝线直径。

3. 键合头尺寸不要超过焊盘尺寸的3/4。一般是丝线直径的2.5到5倍,取决于劈刀几何现状和运动方向。

4. 球尺寸一般是丝线直径的2到3倍,细间距约1.5倍,大间距为3 到4倍。

• 楔形键合

1. 即使键合点只大于丝线2-3 mm 也可形成牢固的键合。

2. 焊盘尺寸必须支持长的键合点和尾端。

3. 焊盘长轴必须在丝线的走向方向。

4. 焊盘间距必须适合于固定的键合间距。

   
   

• 3.5键合参数

• 键合力和压力的一致性。

1. 键合温度。

2. 键合时间。

3. 超声能的功率和频率。

4. 键合抗拉强度与形变宽度以及超声能功率的关系

3.6键合评价

• 评价方法列于标准MIL-STD-833.

1. 内部结构情况的检测(Method 2010; 测试条件A 和B

2. 信号延迟测试(Method 3003)

3. 键合点破坏拉力测试(Method 2011)

4. 键合点非破坏拉力测试(Method 2023)

5. 键合球的剪切测试

6. 加速测试(Method 2001; )

7. 自由振动测试(Method 2026)

8. 机械冲击(Method 2002)

9. 恒温烘烤(Method 1008)

10. 潮气吸附测试(Method 1004)

3.7细间距能力比较

40-µm 焊盘间距时球形和楔形键合第一键合点比较

3.8弧度走线方向

(A) 第一点为球形,丝线走向无限制。

(B) 第一点为楔形,丝线走向只能按一定角度平行于焊盘。

(C) 旋转的键合头可使得第一点为楔形,而走线可在一段长度后改变方向。

第四章

4.1键合失效

• 焊盘清洁度

1. 卤化物:等离子刻蚀、等离子清洗、环氧物、刻蚀掩膜的残留、溶剂(TCA, TCE,以及四氯化碳等)。

2. 镀层层涂覆时的污染:铊, 光亮剂、铅、铁、铬、铜、镍、氢等。

3. 硫: 包装容器、周围气氛、纸板、橡胶。

4. 多种有机污染: 环氧污物、刻蚀掩膜等。

5. 其他导致腐蚀或者破坏可键合性的物质: 钠、铬、磷、铋、镉、潮气、玻璃、氮、碳、银、锡等

6. 很多人为因素:身体上的小颗粒。

焊盘产生弹坑(Cratering)

这是一种超声键合中常见的一种缺陷,指焊盘金属化下面的半导体玻璃或者其他层的破坏。像一块草皮形状,更一般的是难以肉眼看得见。它会影响电性能。

• 原因有多种:

1. 过高的超声能导致Si晶格点阵的破坏积累。

2. 太高或者太低的键合压力(wedge)。

3. 球太小导致坚硬的键合头接触了焊盘

4. 1-3 微米厚的焊盘发生破坏的可能性小,小于0.6微米厚的焊盘容易破坏。

5. 丝线和焊盘硬度匹配可达到最优的效果。

6. 在Al的超声键合中,丝线太硬容易导致弹坑的产生。

键合点开裂和翘起：

键合点的后部过分地被削弱,而前部过于柔软会导致开裂。在弧度循环中丝线太柔软也是一个导致这种现象产生的原因。这种开裂常常发生在Al楔形键合第一点和球形键合的第二点。

• 开裂原因

1. 使用的截断工具太尖。

2. 对位工具的移动。

3. 当键合头提起时候机器的振动。

4. 过度的变形(Too steep an ascent to loop height)。

5. 第一键合点完成后工具移动太快。

6. 键合的弧度太高,如果第二键合点低于第一点,开裂现象会加剧。

• 键合点尾部不一致

1. 丝线的通道不干净。

2. 丝线的进料角度不对。

3. 劈刀有部分堵塞。

4. 丝线夹太脏。

5. 不正确的丝线夹距或者夹力。

6. 丝线张力不对。

7. 尾部太短会导致键合力加在过小的面积上,产生较大的变形;太长又会导致焊盘间的短路。

键合点剥离：当键合头将丝线部分拖断而不是截断的时候会发生这种情况。常常由于工艺参数选择不对或者是工具已经老化失效的原因。

• 引线框架腐蚀

1. 镀层污染过多和较高的残余应力会导致这种腐蚀。例如42号合金或者铜上镀Ni就会发生这种问题。

2. 在组装过程中,引脚弯曲会产生裂纹,并暴露在外部腐蚀条件下,同时应力腐蚀导致的裂纹也会萌生,尤其是对42号合金。

3. 在一定的温度、湿度、和偏压下,腐蚀就会因污染、镀层中的孔隙等而发生。

4. 电流腐蚀会很厉害,因为引线镀层对于基体金属而言是阴极。

5. 最敏感的地方是引脚和模压化合物的界面。

4.2可靠性失效

IMC的形成

原因：金属间化合物一般包含2种以上的金属元素。它随着时间和温度的增加而长大,容易导致机械和电性能的破坏。主要原因是柯肯达尔空洞和IMC的生长密切相关。空洞在键合点下面会导致电阻的升高和弱化机械强度。

1. IMC在室温下就能形成,柯肯达尔效应一般要高温例如Au-Al系在300-400oC下1小时。如果键合效果较好就很难在实际应用中发生这种效应而破坏性能。

2. 这种空洞是键合中空位的聚集、浓缩而成的。空位有2个来源,一是原来金属的晶格点阵本身就带有空位,二是某一固定区域扩散的不平衡(原子进入和逸出数目不等)。

3. 杂质和不同的热膨胀会加剧空洞的形成:高温产生的热应力会导致微裂纹的产生,在后续的失效过程中,微裂纹成为空位的集聚地,从而加大空洞的形成。由于杂质的溶解度小,便在扩散的前端聚集,成为空位的形核位置。

• 丝线弯曲疲劳：

  键合点根部容易发生微裂纹。器件在使用中,这种微裂纹在丝线的膨胀和收缩下会沿丝线扩展。丝线的弯曲会导致键合点根部应力的反转,最后导致疲劳失效。而且这种弯曲会在器件使用的热循环中反复发生。

1. Al的热声焊比热压焊在这方面更可靠。

2. 含0.1% 镁的铝比含1%硅的Al丝在这方面效果好得多。

3. 弧度的高度最好小于两个键合点距离的25% 以减少丝线的弯曲。

键合点翘起：键合过程中,键合点的颈部容易发生断裂,导致电气失效。金属铊是主要原因,它与金形成低熔点共晶,并向丝线传递。铊很容易扩散到晶界而聚集. 在塑封温度循环中,颈部断裂。球形的破裂也会导致键合点翘起。

• 键合点腐蚀

1. 腐蚀容易导致电气短路和断路。

2. 腐蚀是在潮气和污染条件下发生的。

3. 例如卤素的存在会导致金属盐的形成而发生腐蚀。

4. 腐蚀会增加结合点的电阻。

• 金属迁移

1. 从键合焊盘处的枝晶生长是IC的一种失效机制。

2. 本质上这是一种电解过程:在金属、聚集的水、离子群以及偏压的存在下,金属离子从阳极区迁移到阴极区。

3. 这种迁移现象导致临近区域的电流泄漏以及短路。

4. Ag的迁移最常见,但在一定条件下,Pb, Sn, Ni, Au和Cu也可能发生。

• 振动疲劳

1. 振动力一般不足以产生失效破坏,但大元件有时会发生。

2. 对于Au键合,能导致失效反应的最小频率为3到5 kHz 。

3. 对于Al键合,能导致失效反应的最小频率为10 kHz 。

4. 一般地,振动疲劳导致的失效发生在超声清洗中,建议频率为20到100 kHz 。

第五章  清洗

5.1概述：

为了保证很好的键合性和可靠性,材料的表面污染是个极其重要的问题,则清洗至关重要

5.2清洗方法

• 常用的清洗方法有:分子清洗、等离子体清洗和紫外-臭氧清洗。

• Cl-和F-很难被这些方法清洗,因为是化学结合,于是各种溶剂清洗技术如气相氟碳化合物、去离子水等可选用。

• a) 等离子体清洗：

1. 使用高射频(IR)功率将气体转换为等离子体,高速的气体离子冲击键合表面,要么和污染物结合,要么破坏其物理形态,从而使其溅射掉。

2. 一般被离化的气体有氧、氩和氮如:80%Ar+20%O 2或者80%O 2 +20%Ar.

3. O 2 /N 2等离子体也用于清洗焊盘上的环氧有机物。

• b)紫外-臭氧清洗：

1. 紫外-臭氧清洗器发射1849 Å 和2537 Å的波长。

2. The 1849 Å UV 能量破坏O 2分子结构形成离子氧(O+O),与O 2结合成为臭氧O 3。臭氧在2537 Å UV能量下分解为O 2和离子氧。

3. 任何水分都可破坏为自由的OH基,这些活泼的基团(OH, O 3 , andO) 可和碳氢化合物反应生成CO 2+ H 2 O 气体。

4. 2537 Å UV的高能量也有助于破坏化学键。

第六章  应用

6.1应用范围：低成本、高可靠、高产量等特点使得它成为芯片互连的主要工艺方法,用于下列封装::

• 陶瓷和塑料BGA、单芯片或者多芯片

• 陶瓷和塑料(CerQuads and PQFPs)

• 芯片尺寸封装(CSPs)

• 板上芯片(COB)

Virtually all dynamic random access memory (DRAM) chipsand most commodity chips in plastic packages are assembledby wirebonding. About 1.2-1.4 trillion wire interconnectionsare produced annually. Manufacturing losses and test failuresare about 40-1000 ppm and trending downward each year.

几乎所有的动态随机存取存储器（DRAM）芯片和大多数塑料封装的商品芯片都是通过引线键合组装的。每年大约生产1.2-1.4万亿条导线互连。制造损失和测试失败约为40-1000 ppm，并呈逐年下降趋势。

6.2实例

第七章  未来的键合技术

1. 键合间距进一步减小,未来10年内,40微米的高可靠性键合。

2. 键合弧度低于150um以适应微型化的发展。

3. 高可靠的Cu键合。

4. 快速的键合周期和低温键合技术以适应BGA的严格要求。

5. 高精度的摄像和位置反馈系统和伺服系统。

6. 多旋转头的键合设备。

7. 面临极大的键合数量将导致生产设备的大量占地面积。

完结——以下无正文

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