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嘉峪檢測網 2018-08-20 15:15
半導體器件中的鍵合工藝材料主要采用Au、Al、Cu及Ag四種金屬作為引線，從而實現芯片與引出端的電氣互聯。美軍標MIL-STD-883及MIL-STD-750只針對Au線及Al線的力學性能做了要求，但對Cu線及Ag線卻沒有涉及。由此推測在軍工、宇航等高可靠性半導體器件中的引線材料主要是以Au及Al為主，但Cu及Ag作為鍵合材料在半導器件封裝中同樣應用廣泛。
1 鍵合引線材料特性對比
Au線，廣泛引用熱壓鍵合及熱超聲鍵合工藝中，適用于各類半導體器件芯片的互聯要求，是目前應用最廣的鍵合材料。而當Au線鍵合到Al金屬化焊盤時，在長期儲存和工作后，因電化學勢不同，它們之間能生成AuAl2、Au2Al、Au5Al2及Au4Al等不同的金屬間化合物（IMC）。這些IMC的晶格常數、膨脹系數、形成過程中體積的變化、顏色和物理性質均不相同，且電導率較低。AuAl2、Au5Al2、Au4Al呈淺金黃色，AuAl2呈紫色，俗稱紫斑，Au2Al呈白色，稱白斑。當在鍵合點處生成了Au-Al間IMC之后，鍵合強度會降低、變脆開裂、接觸電阻增大，器件出現性能退化或引線從鍵合界面處脫落導致開路。所以，我國航天專項工程電子元器件禁止在芯片上采用不同金屬材料鍵合工藝，如必須在芯片上采用不同金屬材料鍵合工藝時，如Au-Al鍵合必須通過專門的工藝鑒定，如高溫儲存、掃描電子顯微鏡（SEM）和引線鍵合強度。高溫儲存的試驗條件為300℃、24h；然后SEM檢查鍵合點形貌，要求Au-Al擴散區域不得波及有源區（通過元素面分布情況確定）；高溫后的引線鍵合強度需滿足標準要求，如GJB2438B-2017的C.5.3.3.2條規定，電路進行最低300℃空氣或惰性氣體來預處理1h后，鍵合強度需滿足表1要求。
表1 鍵合強度要求
其次，Au線的耐熱性差，金的再結晶溫度較低（150℃），導致高溫時強度較低，球形鍵合焊接時，焊球附近的金絲由于受熱而形成結晶組織，金絲晶粒粗大會造成球頸部斷裂，也是鍵合工藝中最薄弱的環節；另外，Au線價格昂貴，導致封裝成本過高。
Al線，根據不同的使用要求通常分為高純鋁線及硅鋁線兩種。高純Al線導電性好，但強度較差，較難拉成直徑較細的鍵合絲，因此大多數應用在大功率晶體管、厚膜功率器件。硅鋁線具有較高的強度，可以成型直徑較細的鍵合絲，所以比高純Al線更廣泛應用于其它半導體器件中。美國ASTM的標準規定可知，Si-Al線中硅的添加量為0.85～1.15%，雜質含量小于0.01%，而高純Al線的純度分為99.99%和99.999%。引線鍵合通常分為球形鍵合及楔形鍵合兩種方法，而高純Al線及1%Si-Al線由于拉伸強度及導熱性能不如Au線，容易發生引線下垂和塌絲，所以主要是楔形鍵合，球形鍵合較少。Al線最大的優勢就是鍵合到芯片上的Al金屬化焊盤時，屬于非異質材料鍵合，因此不會產生有害的金屬間化合物，具有較高可靠性。
Cu線，從一些相同線徑鍵合拉力的測試統計數據來看，Cu線的鍵合強度比Au線高約20%左右，且拉斷的失效類別大多數是從引線的中間斷開，而非頸縮點處斷開，同時Cu的機械性能也優于Au線，尤其是在塑封過程中，當鍵合引線受到模塑料注塑成型的作用力時，Cu線可以獲得優異的球頸強度和較高弧線的穩定性，所以Cu線在塑封器件中最為常見。另外，Cu的電性能及熱學性能優于Au及Al（見表2所示），由表2可知Cu的電導率最優，比Au及Al高約41%、58%，電阻率低-29%、-39%，導熱系數高約26%、68%，因此Cu線能夠以更細的線徑達到更好的散熱及更高的額定功率，特別適合應用于大功率器件及高密度封裝器件，同時Cu的熱膨脹系數比Al低，略接近于Au，因此鍵合點的熱應力也相對較低。在相同條件下，Cu-Al界面的金屬間化合物生長速度比Au-Al界面慢，所以在高溫環境下，Cu線比Au線的可靠性更高。
表2 電學及熱學性能比對
Cu的成本低廉，而且力學性能、電學性能和成本也優于Au及Al ，所以Cu線在半導體器件中得到了廣泛應用，但Cu線鍵合工藝也面臨一些挑戰，如Cu線的高硬度使得在鍵合過程中施加的鍵合力度及功率容易對芯片的PAD造成損傷，同時Cu線易氧化，降低了鍵合的可靠性也增加了儲存的難度。研究表明，可以采取控制Cu中雜質元素含量和多元素摻雜的方法來降低Cu的硬度，也可以采用多元素摻雜與鍍覆的方法并在惰性保護氣氛環境下鍵合來提高Cu線的抗氧化性。所以，Cu線存在極易氧化、鍵合工藝不成熟等因素，早期大多數應用在民用塑封器件當中，而在軍用塑封器件中較少。
Ag線，成本低于Au，是除Cu線、Al線外代替Au線的另一種鍵合材料。Ag線與Au線的性能對比見表3所示，由表3可知Ag線比Au線具有更優的導電及導熱性能，并且Ag的吸光及反光性較好，亮度也比Au高10%左右，Ag的這些材料特性使得Ag鍵合引線在半導體器件封裝逐漸發展起來，尤其是在LED領域，據2017年不完全統計，約有50%的LED封裝廠采用Ag作為芯片互聯的首選材料，但在其它半導體器件中Ag線使用相對較少。Ag線的缺陷也很明顯，就是容易被硫化及氧化，強度較低，在高速鍵合過程中容易斷線，導致引線發黑及鍵合強度下降，而且Ag線鍵合到芯片上的Al焊盤時也會發生Ag擴散，產生不同的金屬間化合物，這些金屬間化合物也會導致鍵合點脫落失效。目前，可以采用多元素摻雜（如添加Au、Pd、Al等）及表面鍍層（如復合鍍層）等方式來解決Ag鍵合工藝存在的問題。
表3 電學及熱學性能比對
2 鍵合引線的力學性能評價方法
鍵合引線的電性能、熱性能的評價主要取決于鍵合引線的材料，而力學性能的評價可以按JESD22-B116A-2009（引線鍵合剪切試驗方法）及MIL-STD-883K方法2011.9（鍵合拉力）進行。其中JESD22-B116A-2009覆蓋了直徑（18μm～76μm或0.7mil～3mil）制成的球形鍵合和用直徑較大（至少3mil）制成的楔形鍵，此類鍵合常用于集成電路和混合微電子組件。該方法屬于破壞性試驗，用于工藝控制和質量保證，適用于當球高度至少10.16μm或0.4mil的球形鍵合或鍵合高度至少1.25mils焊接區域的楔形鍵合。
鍵合剪切就是利用推刀去剪切鍵合點，使其與鍵合焊盤分離的過程（圖1~圖2所示）。分離時所需的力稱作鍵合剪切力。球形鍵合的鍵合點剪切分離模式共有6種類型，其中類型4及類型5屬于無效模式，應將這些數據剔除外，其它分離類型見圖3所示。
圖1 鍵合剪切裝置
圖2 鍵合剪切過程
圖3 鍵合點分離模式
每種鍵合分離類型的含義：
類型1：整個引線鍵合點與鍵合面分離，鍵合面上很少或沒有金屬間化合物，或鍵合面金屬化區未被破壞；
類型2：在鍵合面上留下一層屬于引線鍵合點的金屬間化合物和鍵合引線材料，或鍵合面上留下引線鍵合點及金屬間化合物，或引線鍵合大部分材料殘留在鍵合面上；
類型3：芯片焊盤金屬化區下方，絕緣層（氧化物或層間介質）與基體材料（Si）分離或脫落。在絕緣層中出現的凹坑或凹陷（沒有延伸到基體）的分離界面不應被認為是凹坑。凹坑可能是由多種因素造成，如引線鍵合操作、鍵合工藝甚至是剪切試驗自身的作用等，對于本試驗而言，如在剪切試驗之前存在的凹坑是不可接受的；
類型4：推刀接觸到鍵合面而產生無效的剪切值。發生這種情況可能是由于樣品的放置不當、剪切高度太低或儀器設備故障造成的，這種剪切類型是無效的，應從剪切數據中刪除；
類型5：推刀只剪切了鍵合點的最上面部分。發生這種情況可能是由于樣品的放置不當、剪切高度太高或儀器設備故障造成的，這種剪切類型是無效的，應從剪切數據中刪除；
類型6：焊接面金屬化區與底層的襯底或基底材料之間的分離，存在鍵合面金屬間化合物附著在鍵合點上的現象。
鍵合剪切試驗之前應對焊盤鍵合進行檢查，尤其是塑封集成電路，因為采用濕式化學或干法刻蝕開封后，鍵合表面的金屬化合物因蝕刻而缺失或存在顯著的化學腐蝕現象，所以在鍵合焊盤上，有顯著化學腐蝕或無金屬化區的鍵合點，不應進行剪切試驗。然后對所試的球形鍵合點的直徑進行測量（測量直徑按圖4所示進行），因為球鍵合的鍵合剪切力與球鍵合的直徑有關，而且鍵合剪切力是鍵合點和鍵合面金屬化層之間金屬鍵合的一個質量指標。
圖4 鍵合直徑測量
根據被試鍵合點直徑的測量值，確定其中間值和平均值建立如圖5及表4的失效判據，如過程監測數據已經建立了球形鍵合的標稱直徑，則該值也可以用于確定如圖5及表4的失效判據。
圖5 球形鍵合點剪切強度單個值和平均值的最小推薦值
表4 球形鍵合點剪切強度單個值和平均值推薦的最小值
鍵合拉力試驗按美軍標MIL-STD-883K方法2011.9進行，屬于破壞性試驗。根據試驗條件可以分為條件A鍵合拉脫、條件C引線拉力（單個鍵合點）、條件D引線拉力（雙鍵合點）、條件F鍵合剪切力（倒裝焊）、條件G推開試驗（梁式引線）、條件H拉開試驗（梁式引線）6種條件。以最常見的條件D雙鍵合點引線拉力為例，該試驗是在引線與芯片、基板或底座或兩個鍵合點相連的引線中跨和頂部之間施加拉力，同時避免使引線產生不利變形，所以拉力位置應在引線中跨和芯片邊緣之間，見圖6～圖7所示。試驗完成后記錄失效的力值大小及失效類別。對于具有內引線的微電子器件封裝內部的引線-芯片鍵合的失效類別可以分別為8個類別：
在頸縮點處引線斷開；
在非頸縮點上引線斷開；
芯片上的鍵合（在引線和金屬化層之間的界面）失效；
在基板、封裝外引線鍵合區或非芯片位置上的鍵合（引線和金屬化層之間的界面）失效；
金屬化層從芯片上浮起；
金屬化層從基板或封裝外引線鍵合區浮起；
芯片破裂；
基板破裂。
最小鍵合強度可以按表5進行判定或用圖8來確定表5中未列出的引線直徑對應的最小鍵合強度。
圖6 拉力鉤放置位置
圖7 鍵合拉力過程（雙鍵合點）典型形貌
表5 最小鍵合強度
圖8 最小鍵合強度極限值
鍵合引線的可靠性也可以結合一些環境（如溫度循環、溫度沖擊）及機械應力（如振動沖擊、恒定加速度）試驗后進行評價。
來源： 技術游俠
