引线键合技术发展及失效机理分析-KSY版-2012

引线键合技术发展及键合实效机理分析

摘要：引线键合以工艺简单、成本低廉、适合多种封装形式而在连接方式中占主导地位。对引线键合工艺、材料、设备和超声引线键合机理的研究进展进行了论述与分析，列出了主要的键合工艺参数和优化方法，球键合和楔键合是引线键合的两种基本形式，热压超声波键合工艺因其加热温度低，键合强度高、有利于器件可靠性等优势而取代热压键合和超声波键合成为键合方法的主流，提出了该技术的发展趋势，劈刀设计、键合材料和键合设备的有效集成是获得引线键合完整解决方案的关键。

关键词：引线键合；球键合；楔键合；超声波键合；集成电路 Progress on Technology of Wire Bonding

Abstract：Wire Bonding holds the leading position of connection ways because of its simple technique，low cost and variety for different packing forms. Discuss and analyz the research progress of wire bonding process,materials,devices and mechanism of ultrasonic wire bonding.The main process parameters and optimization methods were listed. Ball bonding and Wedge bonding are the two fundamental forms of wire bonding.Ultrasonic/thermosinic bonding became the main trend instead of ultrasonic bonding and themosonic bonding because of its low mentioned. The integration of capillaries design, bonding materials and bonding devices is the key of integrated solution of wire bonding.

Key words: Wire bonding;Ball bonding;Wedge bonding;Ultrasonic wire bonding;IC

随着集成电路的发展，先进封装技术不断发展变化以适应各种半导体新工艺和新材料的要求和挑战。半导体封装内部芯片和外部的电气连接、确保芯片和外界之间的输入、输出畅通的重要作用，是整个后续封装过程中的关键。引线键合以工艺实现简单、成本低廉、适用多种封装形式而在连接方式中占主导地位，目前所有封装管脚的90%以上采用引线键合连接。 引线键合是以非常细小的金属引线的两端分别与芯片和管脚键合而形成电气连接。引线键合前，先从金属带材上截取引线框架材料（外引线），用热压法将高纯Si和Ge的半导体元件压在引线框架上所选好的位置，并用导电树脂如（银浆料）在引线框架表面涂上一层或在其局部镀上一层金，然后借助特殊的键合工具用金属丝将半导体元件（电路）与引线框架键合起来，键合后的电路进行保护性树脂封装。

无论是封装行业多年的事实还是权威的预测都表明，引线键合是预见的未来（目前到2020年）仍将是半导体封装尤其是低端封装内部连接的主流方式。基于引线键合工艺的硅片凸点生成可以完成倒装芯片的关键步骤并且具有相对于常规工艺的诸多优势，是引线键合长久生命力和向新连接方式延伸的巨大潜力的有力例证。 引线键合工艺 简介

引线键合

引线键合是芯片和外部封装体之间互连最常见和最有效的连接工艺。

引线键合工艺可分为三种：热压键合，超声波键合与热压超声波键合。

热压键合是引线在热压头的压力下，高温加热（>250度）焊丝发生形变，通过对时间、温度和压力的调控进行的键合方法。键合时，被焊接的金属无论是否加热都需施加一定的压力。金属受压后产生一定的塑性变形，而两种金属的原始交界面处几乎接近原子力的范围，两种金属原子产生相互扩散，形成牢固的焊接。 超声波键合不加热（通常是室温），是在施加压力的同时，在被焊接元件之间产生超声频率的弹性振动，破坏被焊件之间界面上的氧化层，并产生热量，使两固态金属牢固键合。这种特殊的固相焊接方法可简单的描述为：在焊接开始时，金属材料在摩擦力作业下发生强烈的塑性流动，为纯净金属表面间的接触创造了条件。而接头区的温度升高以及高频振动，又进一步造成了金属晶格上原子的受激活状态。因此，当有共价键性质的金属原子相互接近到以纳米级的距离时，就有可能通过公用电子形成了原子间的电子桥，即实现了所谓金属“键合”过程。超声波焊接时不需加电流、焊剂和焊料，对被焊件的理化性能无影响，也不会形成任何化合物而影响焊接强度，且具有焊接参数调节灵活，焊接范围较广等优点。 热压超声波键合工艺包括热压焊与超声焊两种形式的组合。就是在超声波键合的基础上，采用对加热台和劈刀同时加热的方式，加热温度较低（低于Tc温度值，大约150度），加热增强了金属原始交界面的原子相互扩散和分子（原子）间作用力，金属的扩散在真个界面上进行，实现金丝的高质量焊接。热超声波键合因其可降低加热温度，提供键合强度，有利于器件可靠性而取代热压键合和超声波键合成为键合方法的主流。 基本形式

引线键合有两种基本形式：球键合和楔键合。这两种引线键合技术的基本步骤包括：形成第一焊点（通常在芯片表面），形成线弧，最后形成第二焊点（通常在引线框架、基板上）。两种键合的不同之处在于：球键合中在每次焊接循环的开始会形成一个焊球，然后把这个球焊接到焊盘上形成第一焊点，而楔键合则是将引线在加热加压和超声能量下直接焊接到芯片的焊盘上。引线键合过程如下：

开始焊接周期----焊第一个焊点----键合头上升送线-----引线成形---焊接第二个焊点----上升至烧球高度----电火花烧球。 常用的焊线方法

热压键合法：热压键合法的机制是低温扩散和塑性流动(Plastic Flow)的结合,使原子发生接触,导致固体扩散键合。键合时承受压力的部位，在一定的时间、温度和压力的周期中，接触的表面就会发生塑性变形(Plastic Deformation)和扩散。塑性变形是破坏任何接触表面所必需的,这样才能使金属的表面之间融合。在键合中,焊丝的变形就是塑性流动。该方法主要用于金丝键合。

压头下降，焊球被锁定在端部中央 在压力、温度的作用下形成连接

压头上升 压头高速运动到第二键合点形成弧形

在压力、温度作用下形成第二点连接 压头上升至一定位置，送出尾丝

夹住引线，拉断尾丝 引燃电弧，形成焊球进入下一键合循环

超声键合法：焊丝超声键合是塑性流动与摩擦的结合。通过石英晶体或磁力控制，把摩擦的动作传送到一个金属传感器(Metal“HORN”)上。当石英晶体上通电时，金属传感器就会伸延；当断开电压时，传感器就会相应收缩。这些动作通过超声发生器发生，振幅一般在4-5个微米。在传感器的末端装上焊具，当焊具随着传感器伸缩前后振动时，焊丝就在键合点上摩擦，通过由上而下的压力发生塑性变形。大部分塑性变形在键合点承受超声能后发生，压力所致的塑变只是极小的一部分，这是因为超声波在键合点上产生作用时，键合点的硬度就会变弱，使同样的压力产生较大的塑变。该键合方法可用金丝或铝丝键合。

定位（第一次键合） 键合

定位（第二次键合） 键合——切断

热超声键合法：这是同时利用高温和超声能进行键合的方法，用于金丝键合。 三种各种引线键合工艺优缺点比较：

特性 可用的丝质及直径 键合丝的切断方法 热压键合法 Au丝 φ15～φ100um 高电压（电弧） 拉断 超声键合法 Au丝，Al丝 Φ10～φ500um 拉断(超声压头) 拉断(送丝压头) 高电压(电弧) 优点 键合牢固，强度高；在略粗糙的表面上也能键合；键合工艺简单 对表面清洁度很敏感；应注意温度对元件的影响 适用于单片式LSI 无需加热；对表面洁净度不十分敏感； 对表面粗糙度敏感；工艺控制复杂 与热压键合法相比，可以在较低温度、较低压力下实现键合 需要加热；与热压法相比工艺控制要复杂些 适用于多芯片LSI的内部布线连接 热超声键合法 Au丝 Φ15～φ100um 高电压（电弧） 拉断 缺点 其他 最适合采用Al丝

引线键合工艺过程

引线键合的工艺过程包括：焊盘和外壳清洁、引线键合机的调整、引线键合、检查。外壳清洁方法现在普遍采用分子清洁方法即等离子清洁或紫外线臭氧清洁。

（1）等离子清洁——该方法采用大功率RF源将气体转变为等离子体，高速气体离子轰击键合区表面，通过与污染物分子结合或使其物理分裂而将污染物溅射除去。所采用的气体一般

为O2、Ar、N2、80%Ar+20%O2，或80%O2+20%Ar。另外O2/N2等离子也有应用，它是有效去除环氧树脂的除气材料。

（2）外线臭氧清洁通过发射184.9ｍｍ和253.7ｍｍ波长的辐射线进行清洁。过程如下：

184.9 nｍ波长的紫外线能打破O2分子链使之成原子态(O+O)，原子态氧又与其它氧分子结合形成臭氧O3。在253.7nｍ波长紫外线作用下臭氧可以再次分解为原子氧和分子氧。水分子可以被打破形成自由的OH-根。所有这些均可以与碳氢化合物反应以生成CO2+H2O，并最终以气体形式离开键合表面。253.7nｍ波长紫外线还能够打破碳氢化合物的分子键以加速氧化过程。尽管上述两种方法可以去除焊盘表面的有机物污染，但其有效性强烈取决于特定的污染物。例如，氧等离子清洁不能提高Au厚膜的可焊性，其最好的清洁方法是O2+Ar 等离子或溶液清洗方法。另外某些污染物，如Cl离子和F离子不能用上述方法去除，因为可形成化学束缚。因此在某些情况还需要采用溶液清洗，如汽相碳氟化合物、去离子水等。

球 键合

球键合时将金线穿过键合机劈刀毛细管，到达其顶部，利用氢氧焰或电气放电系统产生电火花似熔化金属丝在劈刀外的伸出部分，在表面张力作用下熔融金属凝固形成标准的球形，球直径一般是线直径的2倍~~3倍，紧接着降低劈刀，在适当的压力和定好的时间内将金球压在电极或芯片上。键合过程中，通过劈刀向金属球施加压力，同时促进引线金属和下面的芯片电极金属发生塑性形变和原子间相互扩散，并完成第一次键合，然后劈刀运行到第二个键合位置，第二点焊接包括阵脚式焊接和拉尾线，通过劈刀劈刀外壁对金属线施加压力以楔焊的方式完成第二次键合，焊接之后拉尾线是为下一个键合循环金属球的形成作准备。劈刀升高到合适的高度以控制尾线长度，这时尾端断裂，然后劈刀上升到形成球的高度。形成球的过程是通过离子化空气间隙的“电子火焰熄灭”过程实现的，所形成的球即为自由空气球。球焊是一种全方位的工艺（即第二次焊接可相对第一次球焊360度任意角度） 球键合一般采用直径75um以下的细金丝。因为其在高温受压状态下容易变形、抗氧化性好，成球性好，一般用于焊盘间距大于100um的情况下。

球键合工艺设计原则：1.球的初始直径为金属丝直径的2倍~3倍。应用于精细间距时为1.5倍，焊盘较大时为3倍~4倍。 2. 最终成球的尺寸不超过焊盘尺寸的3/4；是金属直径2.5倍~5.0倍 3. 闭环引线的高度一般为150um，取决于金属丝直径及具体应用。4. 闭环引线长度不应超过金属直径的100倍。键合设备在芯片与引线框架之间牵引金属丝时不允许有垂直和水平方向的摇摆。

楔键合

楔键合是用楔形劈刀将热，压力，超声传给金属丝在一定时间内形成焊接，焊接过程中不出现焊球。楔键合工艺中，金属丝穿过劈刀背面的通孔，与水平的被键合面成30度~60度角度。在劈刀的压力和超声波能量的作用下，金属丝和焊盘金属的纯净表面接触并最终形成连

引线中产生的温度变化为ΔT, 则引线中产生的热应变为Δε=(αAu-αSi)ΔT，其中(αAu-αSi)为Au和Si 的热膨胀系数之

(αAu=1.42×10-5/oC; αSi =3×10-6/oC)。

这一应变将导致Au 引线经历压－压疲劳循环。在实验中，记录每一试件的疲劳失效寿命(指引线开路时的疲劳循环次数)，并同时通过SEM 观察引线表面的形貌变化。表给出了长度为20μm，三种不同宽度Au 引线在相同交变电压信号(Vpp=10V)，不同电压频率作用下的疲劳失效结果。

对于同样的输入电压随着引线线宽的减小，其失效循环次数明显减少。产生这一结果有两个原因，其一是由于引线宽度的减少，导致其横截面积相应地减少，这样在相同的电压作用下，较窄的引线中将形成较大的电流，而随着电流的增加，将在导线中引起较高的温度及较大的热应力，从而加速了引线的疲劳失效；其二是由于本文的纳米引线厚度仅35nm，宽度从500nm 到150nm，引线材料中晶粒在厚度方向将小于35nm，在宽度方向小于100nm。和以往研究者所利用的微米到亚微米晶粒相比，细化后的晶粒能够拟制位错的运动，因而导致引线失效的原因可能是由局部界面损伤引起引线在宽度方向的破坏所控制。因此较宽和较薄的引线将具有更长的疲劳寿命。结合中引线失效时的显微图片可以看到，在纳米引线的表面并没有发现类似于体材料疲劳时由于往复的位错运动导致的滑移在薄膜表面形成平行的起皱图案（体材料在机械疲劳载荷作用下的挤出和挤入机制，在这些起皱位置由于引线横截面积的突然减少将会导致局部电流过载引起焦耳热而导致引线熔断失效）。显然，较大尺寸的引线（含有较大的晶粒）破坏过程由位错作用控制。而在本文的实验中由于引线细而薄，使得引线结构中晶粒尺度减小，其疲劳行为受扩散机制以及界面特性控制，而不是位错滑移机制控制。即损伤可能在膜基界面形核（由于纳米晶粒的高强度很难在纳米晶薄膜上形成裂纹，且金薄膜和SiO2 界面为弱结合界面），一旦局部界面脱粘，由电流诱导的边界或界面扩散将进一步加速界面脱粘，最终将在压-压疲劳驱动下形成局部跨线宽损伤区域，导致焦耳热熔断引线形成开路失效。另外从引线失效显微图看到，三个线宽的引线疲劳损伤失效机制一致。在焦耳热导致的高温区晶界消失成流动状态。由于失效过程为瞬态行为，失效区域由于高温熔融，实验还无法观察损伤前该区域的形貌特性。

键合应力过大造成的失效

键合应力过小会造成键合不牢，键合应力过大会影响键合点的机械性能。应力大不仅会造成键合点根部损伤，引起键合点根部断裂失效，而且还会损伤键合点下的芯片材料，甚至出现 裂缝等情况。这种损伤有时是肉眼可见的凹痕，更多是不可见的材料结构损伤，这种损伤将降低器件性能并引发电损伤。其产生原因如下： （1）声波能量过高导致Si晶格层错 ； （2）楔键合时键合力过高或过低；

（3）球键合时焊球太小致使坚硬的键合工具接触到了焊盘金属 化层； （4）焊盘厚度太薄；

（5）Al丝超声波键合时金属丝太硬可能导致Si片出坑。

引线键合材料 焊接工具

焊接工具负责固定引线、传递压力和超声能量、拉弧等作用。楔键合所使用的焊接工具叫楔形劈刀，通常是钨碳或者是碳钛合金，在劈刀尾部有个呈一定角度的进丝孔；球键合使用的工具称为毛细管劈刀，它是一种轴形对称的带有垂直方向的孔的陶瓷工具。劈刀尺寸影响键合质量和生产稳定性。Zhong 等人 用激光干涉仪测量了劈刀内超声振动的放大轮廓，在球键合形同的工艺参数下，对比分析了细颈劈刀与传统劈刀的超声传导差异。 引线材料

Au丝：键合后不需密闭封装。表面清洁度是保证可靠连接和防止劈刀堵塞的重要因素。Au丝应具有适当拉伸强度和延伸率。高纯Au丝非常柔软，需要加入微量合金元素以来提高其强度和再结晶温度，改善其可加工性。不同微量元素对金属丝的机械性质、焊球形状、弓丝弧度、尾丝余量都有不同程度的影响。

Al丝：其键合成本和温度较低。纯Al丝过于柔软而不能拉伸成精细的丝状。通常添加质量分数为1%的Si或者1%的Mg以来合金强化。

Au-Al系：是引线键合中最广泛使用的系统。但这一系统也会导致行程Au-Al金属间化合物和柯肯道尔空洞，而且其形成随温度和时间的增加而加速。Murali等人研究了在热超声键合的热老化中引线尺寸对金属间化合物和柯肯道尔空洞形成的影响。Ji等人对比分析了在热老化过程中超声Au丝和超声Al丝楔键合分离界面的不同变化。

实际晶体中的原子排列并不是完全理想状态，其中存在有许多类型不同的缺陷。尽管这些缺陷很少，可能在1010个原子中只有1个脱离其平衡位置，但这些缺陷极为重要。材料的缺陷可用来解释半导体的行为、金属的延展性、金属的强化、固体中的扩散等。 按照几何特征，晶体中的缺陷可分为点缺陷（包括空位和间隙原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（包括晶界和亚晶界）。 柯肯达尔效应（kirkendall effect）原来是指两种扩散速

率不同的金属在扩散过程中会形成缺陷，现已

成为中空纳米颗粒的一种制备方法。可以作为固态物质中一种扩散现象的描述。 详情：碳在铁中的扩散是间隙型溶质原子的扩散，在这种情况下可以不涉

及溶剂铁原子的扩散，因为铁原子扩散速率与原子直径都较小，对较易迁移的碳原子的扩散速率比较而言可以忽略的。然而对于置换型溶质原子的扩散，由于溶剂与溶质原子的半径相差不会很大，原子扩散时必须与相邻原子间作置换，两者的可动性大致趋于同一数量级，因此，必须考虑溶质和溶剂原子不同的扩散速率，这首先是被柯肯达尔（kirkendall）等人证实。1947年，他们设计了一个试验，在质量分数为30%的黄铜块上镀一层铜，并在铜和黄铜界面上预先放两排Mo丝。将该样品经过785℃扩散退火56d后，发现上下两排Mo丝的距离L减小了0.25mm，并且在黄铜上留有一些小洞。假如Cu和Zn的扩散系数相等，那么以原Mo丝平面为分界面，两侧进行的是

等量的Cu和Zn原子互换，考虑到Zn的原子尺寸大于Cu原子，Zn的外移会导致Mo丝（标记面）向黄铜一侧移动，但经计算移动量仅为观察值的1/10左右。由此可见，两种原子尺寸的差异不是Mo丝移动的主要原因，这只能是在退火时，因Cu，Zn两种原子的扩散速率不同，导致了由黄铜中扩散出的Zn的通量大于铜原子扩散进入的通量。这种不等量扩散导致Mo丝移动的现象称为Kirkendall Effect（柯肯达尔效应）。以后，又发现了多种置换型扩散偶中都有柯肯达尔效应，例如，Ag-Au，Ag-Cu,Au-Ni,Cu-Al,Cu-Sn及Ti-Mo。

键合引线材料的选用

1、对引线材料的要求 （1）导电性能好

一般压力传感器的激励电流是毫安量级，引线直径仅几十微米，电流密度可以达到500A/cm以上。直径越细，单位长度的电阻越大。电阻引起导线发热，当电流密度很高，温度超过引线材料的熔点后便会引起它的熔断。对于一定直径的键合引线，通常用单位长度的阻值和熔断电流来衡量导电性能的好坏。金和铝是导电性能很好的材料，做用作引线。 （2）化学稳定性好

压力传感器适用于湿的或油气、酸性或碱性的环境中，因此要求引线的化学稳定性好。金是最稳定的。铝因为表面形成致密的氧化膜后不再继续氧化，也是比较稳定的。 （3）机械强度高

机械强度之所以重要在于两方面：一是引线过程给金属丝一个拉力，线丝不能断裂；二是线丝在器件中是悬空的，要承受自身的重量，抗弯性能不好的话就会耸拉下来。机械强度除与材料本身有关外，还与线丝的直径、加工硬化程度和有未退火有关。铝中加入1％的硅后，其抗拉强度比纯铝高4～5倍。 （4）加工性能好（延展性好）

引线时用的是很细的金属丝，一般由拉丝形成。因此线丝材料应有很好的延展性。拉丝时会发生加工硬化，即变硬﹑变脆，继续延伸变得困难，因此丝越细延展性越小，经过退火后这种情况有所改善。铝的延展性是相当好的。无论是金还是铝，拉至25?m直径以下时，延伸率就降得很低。对于铝来说，表面是高熔点且坚硬的氧化膜，加工至50?m以下是困难的。一般加工时，先在铝丝上包一层铜，然后拉丝，便可得到25?m的细丝。

2、各种引线材料间键合效果的比较

除了Al、Au作为引线材料外，目前随着集成电路向超大规模方向发展，以Cu代Al是必然的趋势。而且传感器用的印刷电路板通常都在铜条上镀Ni，这就涉及到多种材料的键合接触。下面介绍传感器中经常遇到的各种引线材料之间的接触。 (1). Au-Au系统

可靠性非常好，没有界面腐蚀、金属间化合物形成等问题。既可热压键合也可超声键合，最好在一定温度下进行Au丝键合。在焊丝头上形成一熔化的Au球，利用熔球进行键合。但热压键合的可键合性强烈取决于芯片表面的清洁程度。 (2). Al-Al系统

无金属间化合物和腐蚀问题，是相当可靠的键合。热压时有大的形变，最好采用超声波键合工艺。 (3 ). Au-Ag系统

在高温下长期工作稳定可靠，没有金属间化合物和界面腐蚀等问题，Au丝与镀Ag引线框架的键合已成功应用多年。如果Ag搭接片被硫化物污染严重，则键合困难。在250℃以上键合，可使AgS分解。

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(4). Al-Ni系统

Al-Ni很易键合，在一些环境下比Al-Au系统更为可靠。采用大直径Al丝(大于75?m)的Al-Ni键合不容易产生克氏（Kirkendall）空洞，在功率器件和高温使用条件下，该系统已有超过25年的应用历史。由于Ni表面易氧化，可键合性问题超过可靠性问题。因此镀Ni后应在惰性气氛保护下迅速键合或在键合前化学清洗。

(5). Au－Al系统

Au－Al系统是引线键合中使用最为广泛的系统。200℃下700h后Au－Al这一系统将不可避免地导致形成Au－Al金属间化合物和克氏（Kirkendall）空洞，而且其形成随温度和时间的增加而加速。Au－Al系统共存在5种金属间化合物形式。键合初期，即使在室温下，Au－Al界面处也会率先形成AuAl2化合物。因此这一系统通常存在可靠性问题，称为“紫色瘟疫”。Al-Au之间溅射一层TiN、TiW势垒层可防止Al-Au反应及“瘟疫”的产生。我们发现超过350℃退火，势垒作用消失，接触电阻猛增。 (6). Au－Cu系统

Au丝与Cu引线框架的键合会导致3种延展性金属间化合物（Cu3Au、AuCu和Au3Cu）的形成，其激活能均在0.8eV～1eV之间。在200℃～325℃的高温下，由于克氏（Kiekendall）空洞效应，这些金属间化合物的形成将降低键合强度。100℃下有5h寿命。Au-Cu系统键合时表面的清洁度非常重要。另外，如果芯片粘接时采用聚合物材料，该聚合物必须在惰性气氛下固化以防止氧化。 (7). Al-Ag系统

厚膜混装电路中通常采用Al丝与镀Ag引线框架（Ag-Pt或Ag-Pd合金）的键合。Ag-Al相图非常复杂，有多种金属间化合物形式并可能形成克氏（Kiekendall）空洞，但其形成温度一般高于微电路的工作温度。实际上Al-Ag键合系统很少采用，因为容易发生互扩散且受潮解腐蚀。Cl是最主要的腐蚀性元素。用氨水清洗可提高可靠性。汽车电子混装电路中通常采用大直径的Al丝与Pd-Ag厚膜键合。此时键合表面必须用溶剂清洗，而后再用去离子水清洗并监测电阻率。该种混合电路还需要覆盖硅树脂胶做进一步保护。 三、线的可靠性与可键合性问题

引线的键合与通常的焊接在概念上是有区别的。后者一般涉及到材料的熔化，有明显的冶金学效应。键合过程虽然无明显的熔化现象，但也出现与冶金学有关的效应。

引线连接的最关键问题是可键合性与可靠性。可键合性是指两种金属依靠一定键合工艺使它们结合起来的能力。连接应有一定的强度，使用较长时间后不会脱开。可靠性是指引线结合处在一定的环境（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。可能影响引线键合可靠性的因素主要有：

1、原子的互扩散与金属间化合物的形成

不同材料相接触时，原子间便会相互扩散。一般在200℃以上便可出现原子间互扩散。金属原子互扩散的结果是形成金属间化合物。甚至在室温下便可形成金属间化合物。这种化合物往往不遵守原子价结合规律，通常形成有序固溶体，即一定原子处于晶格中一定位置，因而原子数有一定比例。在相图中处在一定位置上。金属间化合物有的延展性好，有的却很脆，影响可键合性。 2、克氏空洞的形成

在金属间化合物形成的同时会发射空位。空位又可以集结在一起在键合处凝聚成空洞。不仅降低了键合的强度，而且减少了可利用的有效通电流面积，必然引起接触电阻增加。因为表观接触面不变，这相当于接触电阻率增加。 3、固相沉淀物的形成

固相反应除了生成金属间化合物外，往往导致某种元素发生偏析，甚至当浓度超过一定极限时会出现沉淀，如Co/Si0.8Ge0.2键合连接时形成CoSi2相，因硅的失去从而致Ge偏析，乃至沉淀。 4、界面上绝缘层或缺陷的形成

在芯片上键合区光刻胶或窗口钝化膜未去除干净，可形成绝缘层。金属间键合接触时，在有氧、氯、硫、水汽的环境下，金属往往与这些气体反应生成氧化物、硫化物等绝缘夹层或受氯的腐蚀，导致接触电阻增加，从而使键合可靠性降低。另外，在键合处也会产生某种缺陷，如Al-Si接触时的所谓钉子缺陷，会引起漏电。 5、接触势垒

由于不同金属的电子逸出功（功函数）不同，会导致接触处能带发生弯曲，从而出现肖特基势垒，电流的正反方向表现不同的特性。这一势垒越低，则欧姆特性越好。引线间键合接触时通常希望是欧姆特性。引线孔附近的半导体层都应是重掺的。 6、表面沾污，原子不能互扩散

包括芯片、管壳、劈刀、金丝、镊子、钨针，各个环节均可能造成沾污。外界环境净化度不够，人体净化不良，芯片、管壳等未及时处理干净，都会影响键合的可靠性。 7、引线材料间的电极电位差别

金属电极电位的差别也会影响金属之间键合是否可靠。金属的电极电位相接近的比较容易键合，相差较远时由于原电池作用强烈不易键合。表1给出了各金属的电极电位。

由表1看出，Al－Al、Al－Ni、Al－Cu、键合都是非常容易的。而Al-Ag、Cu-Sn、Al-Sn等在常温下不易键合，我们选择Al丝引线，镀镍的印刷线路板，芯片上为铝电极，即为Al-Ni，Al-Al键合可靠。

四、 压力传感器的引线键合工艺

1、超声键合法简介

压力传感器的引线键合方法有超声键合法和热压键合法，另外还有银浆键合法。集成电路用的引线键合法有球栅阵列法、翻片键合法、TAB载带键合，适用于多管脚引线，尚未引入压力传感器中来。超声键合法以工艺简单受到青睐。 超声键合过程的优点在于：

①可在室温下进行键合，而且键合时间不超过1s，提高了键合的速度； ②键合质量比较高。

超声键合是利用超声波的能量，使金属丝与铝电极在常温下直接键合。由于键合工具头呈楔形，故又称楔压焊。其原理是：当劈刀加超声功率时，劈刀产生机械的前后振动，振幅一般为4?m～5?m。由于劈刀对铝丝施加了一定的压力，带动铝丝在电极的表面上来回摩擦，在负载的作用下，超声能量被金属丝吸收，使两者表面产生塑性形变，同时破坏了铝表面的氧化膜，暴露出洁净的表面，使两纯粹的金属面紧密接触，依靠原子间的引力实现键合。楔键合工艺既适用于Au丝，也适用于Al丝。二者的区别在于Al丝采用室温下的超声波键合，而Au丝采用150℃下的热超声键合。最常见的楔键合工艺是Al丝超声波键合，其成本和键合温度较低。常用的材料是掺硅铝丝。

超生键合的铝丝直径的合适范围是25?m~50?m，可对较粗的铝丝进行键合，提高了引线的强度。纯Al过于柔软而不能拉拔成精细的丝状。因此通常添加1％Si或1％Mg以合金强化。

铝丝与芯片电极及印刷线路板连接采用超声波楔形压焊技术，所用的设备称为铝丝超声压焊机，如图1所示。 键合工具的作用是将纵向振动转化为横向振动，通过与引线的接触传递超声能，并在压力的配合下实现引线的键合。本实验采用的劈刀按照铝丝的粗细，分成两种，一种是适用于70?m铝丝的粗刀，它的直径约为90?m。另一种是适用于40?m和50?m铝丝的细刀，它的直径约为70?m。如图2所示。

超声键合后，在显微镜下观察键合点和键合引线是否符合工艺要求，在检查中如果发现有不合格的，就必须剔出。图3是印刷线路板超声键合后的图示。

2、焊点的最佳形状

超声键合的效果表现在焊点的形状上，在显微镜下（垂直照明）观察键合点铝丝的变形情况如图4所示。焊点的形状如得图所示形状，则键合效果好、结实、不易脱开。

图中，W表示键合区(铝丝上劈刀压痕)宽度，L表示键合区(劈刀压痕的部分)长度，划斜线部分表示键合点的键合区。

一般情况下，焊点沿长轴方向为椭圆形，键合点的键合区宽度W应大于或等于所用引线直径(Φ20?m～Φ50?m)的1.2倍和小于或等于引线直径的3.0倍(1.2D≤W≤3.0D引线)；其长度应大于或等于引线直径的1.5倍和小于或等于引线直径的5.0倍(1.5D≤L≤5.0D引线)。如图4所示。如果在一个电路的检查中发现有一个键合点不符合上述要求，或键合区铝丝有缺口或撕裂现象存在，则该电路的键合就不合格。 键合点根部铝丝变形应正常。其中包括：

①键合点根部铝丝不允许有任何割伤或撕裂现象存在，否则，该键合点就不合格。

②键合点根部铝丝上也不应有劈刀严重滑动现象存在，否则会致使键合点根部铝丝出现折痕（与键合区交界处），使铝丝厚度变薄，机械损伤严重，键合点根部铝丝抗拉强度会严重降低。如发生这种现象键合点为不合格。

3、压力传感器的键合工艺及效果

实践中我们通过反复试验，不断改进工艺步骤，认为采用下列规范的工艺步骤，可以达到较好的引线键合效果。

（1）用万用表测量印刷线路板绝缘区之间是否短路，保证其绝缘性。

（2）将环氧树脂粘结剂（914胶）A胶和B胶按照1：5比例配置好后涂于印刷线路板四周边缘，注意不要涂在底座上，否则会覆盖芯片电极。将印刷线路板与封装好的管壳按照图5或图6粘接起来。放置4小时以上。为保证引线键合点的可靠性，我们应尽量使连接芯片上的电极与底座镀镍印刷线路板的引线长度最短，松紧适中。这就涉及到芯片上的电极与印刷线路板的六个焊片对应位置问题。印刷线路板（如图3所示）是镀镍的，与铝丝的键合很可靠，芯片电极为铝电极，Al-Al键合可靠。在显微镜下观察芯片电极，找到印刷线路板应放的最佳位置，使芯片上每一个电极尽量与印刷线路板的六个焊片接近，不能出现个别太近或太远问题。

按照上述要求，找到印刷线路板的最佳位置。图5与图6为两种不同芯片与印刷线路板的平面示意图（实际芯片与印刷线路板有一段距离）

（3）键合前先对硅铝丝进行清洁处理。带手套将硅铝丝绕在不锈钢上，放入烧杯中，用甲苯、丙酮、无水乙醇各超声清洗两次，每次10min～15min以上（或各浸泡30min～40min后，用去离子水冲洗10杯次），干燥后备用。要求硅铝丝表面光亮，光滑，不氧化，不发脆，可塑性好。 （4）调节好超声压焊机各旋钮的位置及压力。

（5）戴手套将封装并清洁后的管壳放在超声压焊机支架上，调整好压焊的位置，劈刀、铝丝合适后，将铝丝压在适当位置。在压焊同时互检管芯质量，是否有掉角、裂纹、铝层划伤、表面氧化等，并剔出坏芯片。

（6）将铝丝首先压焊在芯片电极上，再轻轻适当抬高劈刀并稍微移动一下管芯的位置，再在电极所对应的印刷线路板的铜片区进行压焊。要松紧适当，引线拉力大于等于5g。要求焊点符合要求（图4）。 （7）用钨针拔掉多余的硅铝丝头。

（8）按照上述要求依次对电极进行压焊（重复步骤6、7）。

（9）所有电极键合完毕后，进行外引线导线焊接，按照图5图6依次将对应颜色导线焊接到对应位置上。注意：焊点不能过大，否则会引起与金属管壳的短路。

对于不好的键合，我们也可采用银浆修复或代替键合完成芯片与印刷线路板的连接，键合好的芯片如图7所示。

引线键合机理

超声振动是由PTZ(压电陶瓷)产生，PTZ将超声频率的电压驱动信号转换为相同频率的机械振动（压电逆效应）。并将振动加在变幅杆上，变幅杆和劈刀将振动传输并放大后作用在工作界面上，当劈刀、引线及键合表面接触时，在静压力和振动的作用下相互摩擦、破坏、清除表面氧化膜，产生摩擦热并发生塑性变形，致使两个纯净的金属面紧密接触，达到原子距离的结合，形成牢固的机械连接，从而将金线或铝线焊接在芯片和基板的引脚上，实现引线键合的功能。王福亮 等 开发了基于 LabView和Matlab的PZT驱动信号采集分析系统，获得实际键合个过程中电流电压瞬时频率及相位变化规律，分析了分析阶段特点的稳定性。陈新 等 研究了超声振动和能量的传播特性，阐明垂直双向加载时一种高效的传能模型。李军辉等分析了楔焊键合分离界面特性，给出了其界面模式，并证明PTZ输入阴抗分析的结论与界面微观判断一致。电流信号瞬时和相差。

引线键合设备

引线键合通常有引线键合设备完成。引线键合设备是通过陶瓷细管（劈刀）引导金属引线（金线）在三维空间中做复杂高速的运动以形成各种满足不同封装形式需要的特殊线弧形状，将已做好电路的芯片快速粘接于引线框架上的设备。

换能器是引线键合机的核心部分，由PZT，变幅杆和劈刀组成。

目前键合设备汇总普遍采用陶瓷驱动的低阻抗超声换能器便于能量迅速有效地传递到键合点的金属间界面。通过调整换能器可以改变键合工具的震动轨迹、振动幅度。之后耦合的变幅杆和劈刀部分负责超声能量的放大和传递，共同决定了系统谐振频率。

半导体前端制造工艺的发展促使引线键合技术不断向更细间距、更高效率、更完善的过程控制和可靠性的方向发展。

未来十年间，焊盘间距从35um减小到20um。细间距的要求首先体现在键合设备定位精度上。目前35um的引线间距要求设备的整体定位精度达到微米级，而局部的闭环控制分辨力则为亚微米级。视觉定位系统是设备整体定位精度的重要组成部分。精密直线导轨，高分辨力编码器（光栅尺）也在设备中得到广泛应用。高低两种放大倍率光路常被用来满足高精度和大视场的需要、

1、 关东旭. 《硅集成电路工艺基础》. 北京大学出版社,2003年10月

2、 Dong-Jin Jeong，Amkor Technology Korea.《半导体制造》.2006年10月刊 3、 潘峰.顔向乙.郑轩《全自动键合机工艺调试方法》（期刊）.2009年5月 4、 刘恩科 朱秉升 罗晋升.《半导体物理》. 国防出版社.2008年4月 5、 晁宇晴.杨兆建.乔海灵《引线键合技术进展》（期刊）.2007年04

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