芯片封装内互联键合——金/铜线键合

内互联键合

半导体内互联技术是半导体封装中的关键步骤，它确保芯片上的焊盘与载体上的外引脚或焊盘形成导电连接。这一技术的核心是焊接，特别是超声波压焊在半导体工业中发挥着重要作用。

本文主要介绍互联键合技术中的金/铜线键合，额外补充超声波压焊的原理和应用，现分述如下：

• 超声波压焊原理

• 金/铜线键合技术介绍

• 金/铜线键合的常见失效机理

焊接技术是一种古老而重要的工艺，它通过将异种或同种金属相互连接，达到原子间结合的程度。焊接方法主要分为熔焊、钎焊和压焊三大类。在半导体封装中，内互联主要采用的是压焊方法，特别是超声波压焊。

一、原理

超声波压焊是一种不需要熔化母材、不需要填充焊料的焊接方法。它利用超声波的机械振动能量，通过劈刀在焊接处产生交变剪应力和垂直压力，使被焊工件紧密接触。

这两种力的共同作用消除了金属表面的“壁垒”，实现了纯净金属表面的紧密接触和牢固冶金结合。

二、涉及的材料

在半导体内互联技术中，涉及的材料主要包括：

芯片和载体材料：芯片通常由硅或其他半导体材料制成，而载体则可能是陶瓷、塑料或其他复合材料。这些材料的选择取决于封装的要求和性能需求。

焊盘材料：焊盘通常是由金属制成的，如铜、铝或金等。这些金属具有良好的导电性和可焊性，能够确保芯片与载体之间的可靠连接。

超声波压焊材料：在超声波压焊过程中，劈刀是关键的工具。它通常由高硬度和高耐磨性的材料制成，如碳化钨或硬质合金等。这些材料能够确保劈刀在长时间使用中保持锋利和耐用。

清洗材料：在进行超声波压焊前，需要对焊接材料进行清洗以去除表面的油污和氧化物。常用的清洗材料包括等离子体和化学清洗剂。等离子体清洗能够利用高能离子束去除金属表面的污染物，而化学清洗剂则通过化学反应去除污渍。

金/铜线键合技术是半导体封装中内互联联接的重要方法之一，广泛应用于存储器、处理器、专用芯片以及功率器件等半导体器件的封装中，分述如下：

一、金/铜线键合技术分类

金/铜线键合技术主要分为热超声工艺和冷超声工艺。热超声工艺通常采用金丝作为焊丝，而冷超声工艺则多指铝丝焊接工艺。金丝球压焊是热超声工艺的典型代表，它利用超声高频振动和加热的方式实现金属键的形成。冷超声焊接则多用于功率器件等需要承受高电压、大电流的场合。

二、金/铜线键合工艺过程

金/铜线键合的工艺过程主要包括烧球、瞄准焊盘、下压形成焊点等步骤。

其中，烧球是形成焊接小球的关键步骤，通过电极放电熔化劈刀前端的金属，并利用表面张力使其自由收缩成球形。瞄准焊盘则是将劈刀带动小球对准芯片上的焊盘，为下压形成焊点做准备。下压形成焊点则是通过施加压力和超声振动能量，使小球与焊盘形成金属键。

三、关键参数控制

在金/铜线键合过程中，关键参数的控制对于确保焊接质量和可靠性至关重要。这些参数包括烧球直径（FAB）、劈刀端口倒角直径（CD）、孔径（H）、线径（WD）等。

烧球直径（FAB）：烧球直径的大小对焊点的成形有重要影响。过大的烧球直径会导致焊点异常变形和额外的应力集中点，影响可靠性。因此，在设置合理的FAB时，需要控制放电电流、通电时间、电极和劈刀间的距离以及放出劈刀的线头长度等参数。

劈刀端口倒角直径（CD）：CD决定了焊点和芯片焊盘接触的面积范围。合理的CD选择应根据芯片焊盘面积尺寸来定，并确保观察到的MBD（球压缩后变形成椭圆柱的直径）在芯片焊盘尺寸内。

孔径（H）：H的选择通常是WD的1.2~1.5倍，以确保金属丝线进出通畅并控制线丝的摆动漂移，保证最后成型位置的准确。

线径（WD）：线径的选择应根据具体的应用场景和焊接要求来定。金丝球压焊通常使用高纯度的金丝作为焊丝，而铝丝焊接则使用铝丝作为焊丝。

焊接对象的材料特性：

芯片表面焊盘一般为铝层，厚度2~5μm，含微量铜和硅。铜可细化晶粒、提高镀层强度和硬度，并抗电迁移；硅可防止铝过度溶入SiO₂形成Al刺。阻挡层位于表层铝和纯硅之间，用于阻挡金属铝和基体硅之间的相互扩散。常用介电材料为SiO₂，低k材料可提高信号速度。金属层如钛、钨等起到支持和提供韧性的作用，在铜线压焊时可抵抗应力、防止芯片弹坑不良。

四、金线的制造与特性

金线制造过程如下

金线中常掺杂微量元素以提高可靠性和工艺性。如掺铍可提高易加工性；掺钯、铂可减缓IMC生长、抗腐蚀并减少焊接空洞；掺钙可提高线的强度和刚度。金线制造过程中热处理非常重要，可减少机械应力、控制晶粒度。金线的机械特性通过断裂强度和延伸率来表征。断裂强度指拉断时的力；延伸率指金线从弹性形变到塑性形变再到拉断为止比原长增加的比率。

金/铜线键合技术是半导体封装中不可或缺的一环，其涉及多个复杂的技术环节和参数控制。通过合理选择劈刀参数、优化劈刀材质与寿命、深入理解超声作用原理以及清晰认识焊接对象的材料特性，可以确保焊接质量和可靠性，提高半导体器件的性能和竞争力。

柯肯达尔空洞的形成与影响

金丝球压焊的一个常见失效原因是柯肯达尔空洞（Kirkendall Void）。这种失效机制在高温（通常超过300℃）环境下尤为显著。在高温作用下，金原子会迅速向铝中扩散，并与铝形成金铝合金（如Au₂Al）。由于金的缺失，键合点周围会形成黑色的环形空洞。这些空洞会使键合点周围的铝部分或全部脱开，从而导致电路中出现高阻或开路现象。

柯肯达尔空洞的电测试特性与可靠性问题

金铝合金失效的器件在电测试过程中可能会表现出一种特殊的现象：开路失效现象在施加电压后会暂时消失。这是因为金铝合金在电压（如5V）的冲击下会发生破碎并复原，从而暂时恢复电路的连通性。然而，这种恢复正常的器件的可靠性极差。如果将其进行短时间的高温存储或让其工作一段时间后，开路失效现象又会重新出现。

柯肯达尔空洞的电镜图与识别

柯肯达尔空洞的电镜图

可以清晰地显示出空洞的形态和分布。在电镜下观察，可以看到键合点周围形成的黑色环形空洞，这些空洞通常呈现出不规则的形状和分布。通过电镜图的观察和分析，可以进一步了解柯肯达尔空洞的形成机制和影响因素，为改进键合工艺和提高器件可靠性提供依据。

预防措施与解决方案

为了预防柯肯达尔空洞的形成和提高金/铜线键合的可靠性，可以采取以下措施：

优化键合工艺：通过调整键合温度、时间和压力等参数，控制金原子的扩散速度和化合反应程度，从而减少空洞的形成。

选择合适的材料：在键合过程中选择合适的金/铝比例和镀层厚度，以减少金原子的扩散和化合反应的发生。

加强质量检测：在键合过程中加强质量检测和控制，及时发现和处理潜在的空洞问题。

提高器件的可靠性：通过改进器件设计和制造工艺，提高器件的耐高温性能和抗机械应力能力，从而降低柯肯达尔空洞对器件可靠性的影响。

综上所述，柯肯达尔空洞是金/铜线键合中常见的失效机理之一。通过优化键合工艺、选择合适的材料、加强质量检测和提高器件的可靠性等措施，可以有效地预防和减少柯肯达尔空洞的形成，提高金/铜线键合的可靠性和稳定性。

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