引线互连技术的可靠性工艺分析

引线互连技术的可靠性工艺分析

柳明华 李晋哲 范捷 曲阳 张虹

陕西华经微电子股份有限公司  陕西西安 710065 

摘要：阐明了提高微系统组装器件金丝键合互连可靠性的意义和目的，简述了键合的基本原理，介绍了键合质量的几种检测方法，详细分析了影响金丝键合可靠性的各种因素，提出了提高键合可靠性的相应方法、措施和建议。

关键词：键合；可靠性；劈刀

1前言

金丝键合是微组装技术产品内部器件互连的关键工艺环节，是完成芯片与电路、电路之间、芯片与封装之间电连接的最基本方式，具有高品质、操作简单、成本低廉等优点，其可靠性直接决定了微组装产品的质量。引线键合可能在一定的环境（温度、湿度、气氛）下在结合处因产生界面层或空洞、裂纹而导致连接失效。有资料显示在半导体器件的失效模式分布中，引线键合失效约占1/4~1/3，不能满足产品越来越高的可靠性要求。因此，迫切需要我们分析影响键合系统可靠性的因素，并采取有效措施以提高键合质量。

2键合基本原理

丝焊键合有两种基本方式：楔焊和球焊，其焊接机理一般可分为超声焊接和热声焊接等。

2.1超声焊

超声键合通常在室温下进行，是塑性流动与摩擦的结合，利用压力和超声振动的共同作用，在一定时间内，将两种材料形成冷焊的一种工艺。该键合方式主要用于硅铝丝键合。

2.2热声焊

热声焊接是目前应用最广泛的焊接方式，是通过加热、加压、超声能量使金属丝与金属接触面产生塑性形变，产生分子（原子）间作用力。温度（120±5℃）较热压焊低，主要用于金丝键合。

3 丝焊键合质量的检测手段

3.1目检

主要采用镜检法检查丝焊质量，在放大40~60倍的显微镜下观察焊丝情况：是否严格按照设计、工艺要求进行键合；有无出现重焊、漏焊现象；压焊点的变形长度、宽度、厚度、尾丝的伸出长度以及焊丝的弧高等是否符合焊接规范等，通常可依据GJB标准来进行判定。此外，越来越多的微组装器件对丝焊提出了一致性要求：即焊丝弧高、长短一致性要求（对微波性能有很大影响），以及焊接键合强度一致性要求等，目检时也应检查。

3.2拉力测试

拉力测试即对键合丝进行强度检测，用拉力测试仪对焊线作拉力测试有两种方法：一种是破坏性拉力测试，是对焊线施加一个向上拉力直至将焊线拉断，得到焊线的拉力强度值。另一种方法是非破坏性拉力测试，即对被测试的焊线先设定一个标准拉力值，再对焊线施加拉力，如果焊线没有被拉断，则满足焊接要求，反之焊接不合格。

4 影响丝焊键合可靠性的相关因素及对策

丝焊键合是一个复杂的固态键合过程，从器件设计、材料选择、焊接过程、设备稳定性、环境等诸多因素来综合分析影响丝焊键合可靠性的原因。

在丝焊键合后的显微镜检验中，虽可以剔除尾丝长度不当、变形不当、焊接位置不正确、丝的弧高不当及丝扭曲或塌陷等不合格现象。但是还存在一个失效模式，即键合点浮焊（虚焊），是用常规目检和测试很难以排除的质量问题，只有在强烈振动等原因下才有可能暴露出来，它对半导体器件的可靠性带来隐患。

4.1器件设计

首先应遵循可靠性设计原则进行，并考虑微电子封装中丝焊的特殊性（空间小、密度高、跨接多），应注意以下几点。

4.1.1丝焊的跨距和角度

丝焊在微系统封装中起电信号连接的作用。由于腔体、电路、芯片间的热膨胀系数不同，跨接的键合丝显然不能拉成一根直线，否则在高、低温冲击和工作中会出现断路，另外键合丝的跨距和角度必须在一定范围内，否则在振动和长期使用过程中会出倾斜和塌陷引起短路。实践证明最佳角度是30°~45°之间。4.1.2丝焊的最大承受电流密度

在微波组件中键合丝一般采用金丝和硅铝丝，金丝中金的质量分数一般大于99.99%，硅铝丝中硅的质量分数约1%，基本物理特性见表1。

表1金丝、硅铝丝的基本物理特性

在大功率器件中，由于工作电流较高，甚至达到10A，这时，不得不考虑金属丝的最大承受电流密度。一般而言，25μm的金丝最大承受电流约为0.6A，所以在大功率管芯焊接时一般采用金丝或合理选取引线的线径。金丝与铝丝的熔断电流与丝径的关系成正比，即丝径越粗，承受的电流越大。

4.2键合金属丝

金丝、硅铝丝都因其自身优良的导电性、高的耐蚀性、好的柔韧性及高的破断力而成为键合丝的首选。但是，大量的砷化镓芯片、电路的导体层都是金层，根据大量的资料和研究结果表明Au-Al键合存在可靠性问题，金与铝在长期工作中，尤其在一定的温度和湿度作用下，会生成AuAl2、AuAl等使焊点出现“紫斑”、“白斑”，出现“柯肯德尔现象”，从而导致焊点失效，且硅铝丝在高温高压下易发生晶界腐蚀，影响键合性能。因此，为了使微波组件具有高可靠性，建议采用金丝键合；但针对芯片焊盘是铝电极，只能采用硅铝丝键合。

4.3焊接过程

焊接过程是决定焊接可靠性最关键的工序。包括焊接参数、焊接设备稳定性和焊接劈刀的型号等多方面因素。

4.3.1焊接参数

焊接参数包括超声功率大小、焊接压力、温度和时间等，它们取值的大小对焊接可靠性的影响是不同的，其中最主要的是功率和时间，参数可互补，具体依据实际情况调整各参数状态。

4.3.2焊接设备

焊接设备的稳定性是保证丝焊质量和可靠性的必要条件。设备不稳定必然影响焊接质量，须定期检查超声模块稳定性，安装位置应避开振动源、通风口、潮湿等。并定期对键合机设置压力进行校准和检查设备的制动氮气（或压缩空气）压力，按时对设备进行优化保养。

4.3.3劈刀

劈刀是金丝键合的直接工具，不同型号的劈刀具有不同材料和外形，劈刀中孔决定了焊接金丝的直径，劈刀端面的倾斜变形或者与焊盘平面不垂直都会造成压焊点的引线根部易脱落或折断，所以通常装夹劈刀时要使用专业的工具，并通过压焊点的变形质量和拉力检测来判断劈刀质量。通常劈刀的寿命在6~10万个焊点，劈刀损坏以及老化都会严重影响压焊点的键合强度。

4.4环境、静电防护因素

一般胶粘剂粘接时，有胶的崩溢和排气现象，这些都会影响丝焊的可靠性，建议焊接前做等离子清洗。随着半导体制造技术的发展，集成电路的集成密度越来越高，同时带来的问题是器件的耐静电击穿电压也越来越低，静电是半导体器件的隐形杀手。因此在半导体器件的研制生产过程中必须重视静电的影响，并采取静电防护措施。同时应建立EPA（静电防护工作区），并在洁净间（温度22±6℃，相对湿度45%~65%RH）进行装配、调试，从而全面保障产品的可靠性。

为了提高丝焊的准确性和效率，制作标准可视化文件指导操作，如将键合丝的丝径、劈刀型号以及加工次序，具体操作方法标识清晰，即制作图文并茂的可视化看板，这样会显著减少误操作，从而提高丝焊可靠性。

5结束语

本文介绍了丝焊是微电子封装中最基本和最关键的工艺环节，金丝键合的可靠性受各种因素影响，为达到零缺陷，必须优化设计、丝焊过程和相关因素。从而使引线连接具有低接触电阻、合适的机械强度、长期的金相稳定性，满足高可靠产品的质量要求。

参考文献：

[1]中国电子学会生产技术学分会丛书编委会，微电子封装 技术［M］．北京: 中国科学技术大学出版社，2011.

[2]金的宣.微电子焊接技术[M]第2版北京：电子工业出版社，2001.

[3]郭福.微电子技术的可靠性一互连、器件及系统M北京：科学出版社，2013.