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1、金-金键合芯片的电极金属化层是蒸发金膜，内引线是金丝，用热压焊技术把它们键合在一起。但 是，在使用和 200 度高温贮存中，由于金原子迅速向硅片内部扩散，使热压焊点的金膜结构 变成疏松状态。从而使焊点的接触电阻增大，导致晶体管的前向压降增大，严重的产生“脱 键”现象。金铝键合金铝键合的冶金系统在器件的高温贮存后在焊点处金和铝迅速形成一种使导电性能 不良的脆性层状化合物。呈黑色斑点状，故称“紫斑 。紫斑是导致焊点的机械强度减弱的 主要原因。如果温度愈高，时间愈长，则焊点处的“紫斑”现象愈严重。图3-1 给出了金- 铝热压键合的焊点强度和接触电阻随高温贮存时间的变化和热压焊点的剖析情况。金-铝冶
2、金系统在高温下十分不稳定特别是在有些物质（Si。2）存在的情况下更容易促使金-铝金属间化合物的形成。键合翟S储存时间（小时）储存吋间小时）实验的过程是：首先将硅片热氧化，形成很厚的Si02层，然后将片子的氧化层去掉半 边。再在Si片的各半边上分别放上半球形的铝，将这个系统加热到超过Al的熔点（600度） 后，再冷却下来。这时，样品上在有SiO2层留着的半边片子上，铝只是熔化和再凝固的过 程。而片子上没有 SiO2 层的另一半边，铝与硅形成了 Al-Si 合金低共熔物，其组成为 89% 的Al和11%的Si,然后，将片子在300度下加热10h，自然冷却。再进行仔细研磨，先磨 穿金层，再磨穿铝小球
3、。从这个剖面上可以观察到：在有氧层的半边片子上的铝球中，发现 有熟悉的紫色物质；在没有氧化层的另半边片子上的铝球中，除了紫色物质外，还有一层新 的白色物质。由，和Selikson.B,分析报导，这种紫色物质是AuAl2-俗称“紫斑，它是 一种很好的导体，其电阻率在300K时为8*10E-6欧姆-厘米，熔点为1060度。而白色的物 质是Au2Al,俗称“白斑”它是一种很脆的绝缘体，其熔点为624度。因此，断定了在有Si存在的AuAl冶金系统中，焊接的“脱键”现象是由Au2Al引起的为了避免AlAu系统的“脱键”现象，提出了相容性好的AlAl键合系统。但是Al 很容易氧化成Al203，而Al203
4、是一种绝缘体，它的熔点（2050度）比Al的熔点（658度） 高。在热压焊时，若要破坏这层 Al2O3 必须付出很大的能量。而且，这种高熔点的 Al2O3 的绝缘物夹在焊接点内，势必会造成焊点的接触电阻增大和机械强度减弱。为此，人们提出 了在常温下的AlAl超声波焊接来替代高温下的Al-Al（或Au-Al）热压焊接。超声波焊接是在施加压力的同时，在被焊件之间产生超声频率的弹性振动，破坏被焊件 之间的界面上的氧化层，并产生热量，使两固态金属牢固键合。一般人能听到的声音的频率 范围是2016000Hz。频率超过16000Hz的声波被成为超声波。超声波焊接的物理过程很复杂， 但是却有这样一个事实：即
5、具有未饱和电子结构的金属原子相互接触便能相互结合。如果两 种相同（或不同）金属的表面绝对清洁和光滑，彼此贴紧，则两金属表面层的原子的未饱和 电子将结合成为真正的冶金键合。这层薄膜和氧化层，在金属表面形成一个“壁垒”，阻碍具有未饱和结构的原子接 触。所以，要实现两金属的焊接，必须首先清除这个“壁垒 。在超声焊接过程中，超 声频率的机械振动，通过劈刀在焊接处产生“交变剪应力”同时在劈刀上端施加一定的 垂直压力使被焊件紧密接触。在这两种力的作用下，两金属之间发生超声频率的摩擦， 其作用一方面消除两金属接触处的表面“壁垒”；另一方面在焊接界面处产生大量的热 量，使两金属产生塑性变形。从而实现纯净的金属
6、表面的紧密接触，形成金属见的牢固 冶金键合。不良现象产生的原因及排除的方法在超声波焊过程中，经常会遇到金丝焊不牢、金丝不变形、金丝易折断、金丝打 滑（滑脱）、金丝粘劈刀、压焊点发黑等现象。表3-3列出了这些现象产生的原因及排 除的方法。表3-3 常见的超声热压焊故障原因及排除方法现象故障原因排除方法金丝压不牢劈刀位置未安装在最佳点调整劈刀位置金丝氧化调换金丝框架镀金层疏松，不紧密改进电镀工艺铝层太薄或发灰改进蒸发工艺器件松动紧固器件金丝不变形金丝、劈刀、焊件可能沾上油污或 水等脏物用丙酮、无水乙醇清洗，金丝较硬金丝退火或调换压力太小增加压力金丝易断劈刀端面太小或劈刀端面不平调换劈刀功率，压力太
7、大；焊接持续时间太 长适当调整三者关系金丝滑脱压力太小增加压力金丝直径大于劈刀端面调换劈刀劈刀不平调换劈刀金丝粘劈刀劈刀端粗糙调换劈刀压点发黑压力不够增大压力器件对引线材料的要求是导电性能好、可塑性好、弹性小及键合处的机械强度高等。常用的引线材料有：铝丝、硅铝丝、金丝、铜丝、可伐丝和杜美丝。金丝目前，我们主要用纯度、线径、延展性、抗拉强度和热影响区域等几个参数来描述金线的性能。线径:根据不同产品的要求，目前，我们通常所用的线径有0.6mil、l0.8mil、1.0mil、1.2mil、1.3mil、2.0mil 等几种。延展性：我们知道，金是一种延展性很好的金属，在引 线键合工艺中，延 展性指
8、的是一米的金线所能拉伸最大余量所占原长的百分比。抗拉强度: 指金线拉伸至断裂所用力的临界值。热影响区域:在超声波-热压-金球焊过程中，打火成球 的一瞬间，金线是暴露在高温下的。在金球成型后，露于劈刀外的球颈由于高温的作用，相 较于金线的其他部分晶粒变大且硬度减小将近20%，我们把这部分暴露在外的脆弱的金线叫 做热影响区。热影响区的长度和其晶粒大小很大程度上影响到了线弧的形状和强度。铝丝和硅铝丝铝丝和硅铝丝是微电子器件内引线的主要材料之一，广泛运用于平面型器件及集成电 路中。用作器件内引线的铝丝的纯度为99.999%，由于铝的表面容易生成坚硬的高熔点氧化层 （Al O），所以加工成极细的铝丝比较
9、难。纯铝丝在使用前应进行退火处理，退火可在H2 3 2 或真空气氛中进行，退火温度为400500C,如果退火不当，铝丝显得太硬，影响焊接。纯 铝丝的主要缺点是抗拉强度低。为了改善纯铝丝的抗拉强度，目前采用硅铝丝，即在纯铝中掺入1%的硅，这样既便于拉 丝加工，也有利于焊接。铜丝最近，在集成电路内连接领域，铜球键合主要以其较低的成本和较强的抗冲弯特性（塑 模过程中线弧在垂直于它的长度的方向上移动的趋势）得到了极大的关注。这种材料键合的 主要问题是它的可焊性，众所周知，铜比金和铝都要硬，这能够导致在做焊接强度和腐蚀测 试时，容易把金属化层轻易地全部推开，因此，更牢固的金属化层成为了攻克这一问题的关 键。此外，铜球键合必须在惰性气体中进行，不然铜接触空气会迅速氧化。劈刀劈刀的选取直接取决于所用金线的直径，BONDING PAD （焊盘）的大小和BPP（PAD间距）的疏密。左图显示的是在拉伸线弧的过程中进线孔 的影响：从图中可知，进线孔和引线直径 相差不大，即使用了小孔径的劈刀。这样 一来在线夹打开自由拉伸线弧的时候，孔 壁和引线表面发生摩擦，引线发生弹性物 理拉伸，致使引线不能在一定高度顺利地 甩岀支角，当线夹关闭，劈刀朝第二点走 的时候，引线不可避免地在球颈处就产生 弯脚，引起球颈脆裂或绷断。这种现象我 们称之为绷丝。图牛21绷丝现象a热压焊的可焊性受表面沾污影响很大
