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1、打线键合（ Wire bonding）,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,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,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
2、.4 选材要求,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,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
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,4.2 可靠性失效 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 4.2.4 键合点腐蚀 4.2.5 金属迁移 4.2.6 振动疲劳,第五章 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,第六章 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
4、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(60120KHz)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150C ,常用于
5、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。,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
6、材料可供选择 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
7、% 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
8、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
9、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75m的Al线
10、, 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A
11、u-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 丝线材料必须是高导电的,以确保信号完整性不被破坏
12、。 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 。 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。 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: 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。 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 一般弧度高度是150 um 。 弧度长度要小于100倍的丝线直径。 键合头尺寸不要超过焊盘尺寸的3/4。一
13、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。 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 即使键合点只大于丝线2-3 mm 也可形成牢固的键合。 焊盘尺寸必须支持长的键合点和尾端。 焊盘长轴必须在丝线的走向方向。 焊盘间距因该适合于固定的键合间距。 比较,楔形键合：其穿丝是通过 楔形劈刀背面的一个小孔 来实现的,金属丝与晶片键 合区平面呈3060的角 度,当楔形劈刀下降到焊盘 键合区时,劈刀将金属丝按 在其表面,采用超声或者热 声焊而完成键合。,球形键合：将键合引线垂直插入毛细管劈刀的工具中,引线在电火花作用下受热成液态,由于表面张力的作用而
14、形成球状,在摄像和精密控制下,劈刀下降使球接触晶片的键合区,对球加压,使球和焊盘金属形成冶金结合完成焊接过程,然后劈刀提起,沿着预定的轨道移动,称作弧形走线,到达第二个键合点(焊盘)时,利用压力和超声能量形成月牙式焊点,劈刀垂直运动截断金属丝的尾部。这样完成两次焊接和一个弧线循环。,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
15、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,楔形键合机,手工键合机,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
16、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 较长的使用寿命,
