引线键合技术发展及失效分析-企业版-2012-5

引线键合技术发展及键合实效机理分析（孙伟沈阳中光电子有限公司辽宁沈阳）
备注：键合资料整理与技术应用参考
制定时间2012 年5月12日
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。

目录
1 简介 (6)
2 引线键合工艺过程 (10)
3 键合工艺差错造成的失效 (16)
4 热循环使引线疲劳而失效 (23)
5 引线键合材料 (27)
6键合引线材料的选用 (29)
7压力传感器的引线键合工艺 (35)
8 引线键合机理 (39)
9 引线键合设备 (40)
10 结束语 (42)
1简介
1.1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。

1.2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。

1.3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。

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：
2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。

2.1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。

2.2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接。

超声楔焊是一种单一方向焊接工艺（即第二次焊接必须对准第一次焊接的方向）。

传统的楔键合仅仅能在线的平行方向上形成焊点。

旋转的楔行劈刀能使楔压焊线机适合不同角度的焊接。

在完成引线操作后移动到第二焊点之前劈刀旋转到程序规定的角度。

在使用金丝的情况下，稳定的楔键合能实现角度小于35度的引线焊接。

楔键合主要优点是适用于精细间距（如50um以下的焊盘间距）低线环形状，可控制引线长度。

超声焊接工艺温度低，常见楔键合工艺是室温下的AL丝超声波键合，其成本和键合温度较低，而Au丝用150度下的热压超声波键合，其主要优点是键合后不需要密闭封装。

由于楔键合形成的焊点小于球键合，特别适用于微波器件，尤其是大功率器件的封装。

但由于键合工具旋转运动，其总体速度低于热压超声球键合。

楔键合工艺设计原则：1. 即使键合点比金属丝直径大2um~3um也可能获得高强度连接。

2. 焊盘长度要大于键合点的尾丝长度 3. 焊盘的长轴与引线键合路径一致 4. 焊盘间距的设计应保持金属丝之间距离的一致性。

工艺参数
2.3键合温度
键合温度指的是外部提供的温度，键合工艺对温度有较高的控制要求。

工艺中更注意实际温度的变化对键合强度的影响。

过高的温度
不仅会产生过多的氧化物影响键合质量，并且由于热应力应变的影响，图像监测精度和器件的可靠性也随之下降。

温度过低将无法去除金属表面氧化膜层等杂质，无法促使金属原子间的密切接触。

隆志力等人实验研究了温度因素对超声波键合强度的影响，认为最佳键合“窗口”在200度~240度之间，此时键合强度可达20g，孟艳通过实验研究了静压力对超声键合过程瞬态温度特征的影响，为键合工艺参数优化和引线键合过程的在线质量检测提供了技术依据。

WB工艺对温度有较高的控制要求。

过高的温度不仅会产生过多的氧化物影响键合质量，并且由于热应力应变的影响，图像监测精度和器件的可靠性也随之下降。

在实际工艺中，温控系统都会添加预热区、冷却区，提高控制的稳定性。

键合温度指的是外部提供的温度，工艺中更注意实际温度的变化对键合质量的影响，因此需要安装传感器监控瞬态温度。

一般使用金-镍热电耦，但有时会对工艺条件产生限制。

Mayer等人[13]介绍了一种环绕焊盘的铝丝环做成的微传感器，达到了1ms的分辨率；Suman等人[14]介绍了一种放置在焊盘下方的铝-多晶硅温差电堆传感器，具有灵敏度高、信噪比高等优点。

2.4键合时间
通常的键合时间都在几毫秒，并且键合点不同，键合时间也不一样。

一般来说，键合时间越长，引线吸收的能量越多，键合点的直径就越大，界面强度增加而颈部强度降低。

但是过长的时间，会使键合点尺寸过大，超出焊盘边界并且导致空洞生成概率则则增加。

Murali
等人发现温度升高会使颈部区域发生再结晶，导致颈部强度降低，增加了颈部断裂的可能。

因此合适的键合时间显得尤为重要。

2.5超声功率和键合压力
超声功率对键合质量和外观影响最大，因为它对键合球的变形起主导作用。

过小的功率会导致过窄、未成形的键合或者尾丝翘起，过大的功率导致根部断裂，键合塌陷或者焊盘破裂。

Jeon 研究发现超声波的水平振动是导致焊盘破裂的最大原因。

超声功率和键合力是相互关联的参数。

增大超声功率通常需要增大键合力使超声能量通过键合工具更多地传递到键合点处，但Rooney 等人发现过大的键合力会阻碍键合工具的运动，抑制超声能量的传导，导致污染物和氧化物被推倒了键合区域的中心，形成中心未键合区域。

优化方法
键合工艺的研究方式主要是数据实验的分析和理论分析。

理论方法一般通过有限元分析，了解键合机理，达到优化工艺参数的目的。

Jeon 对第一点球键合过程做了比较详细的有限元模拟;Takahasi等人用ANSYS软件模拟了热压键合中引线变形的过程。

Ding 等人用二维和三维有限元方法分析了超声引线键合过程中键合参数对接触压力和摩擦力的影响。

范柱子等人通过建立有限元模型，模拟键合头运动轨迹，应用仿真分析对比不同的反向段形式对引线轮廓形状的影响。

朱正宇等提出了超声波键合的工艺优化方法，通过力学分析了有限元计算得出减少应力的关键是需要控制焊点的厚度的焊线的角度。

数据试验分析经常使用试验设计方法（DOE）.相关的软件有ECHIPTM 及Micro-swiss等。

国内外有许多工艺参数优化研究基于DOE。

其中Rooney等人对芯片直接贴装(COB)的第一、二点键合时间、键合压力、键合功率和工艺温度七个参数做了DOE优化，杨文建等人对超细间距引线键合第一键合点的超声波形、超声功率、冲击力保持时间、冲击速度、键合点直径、EFO参数等进行了优化试验；Shu等人对细焊盘引线键合机的工艺参数做了优化。

3键合工艺差错造成的失效
3.1焊盘出坑
出坑通常出现于超声波键合中,是指对焊盘金属化层下面半导体材料层的损伤。

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) 超声波能量过高导致Si 晶格层错;
(2) 楔键合时键合力过高或过低:
(3) 键合工具对基板的冲击速度过大,一般不会导致Si 器件出坑,但会导致GaAs 器件出坑;
(4) 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;
(5) 焊盘厚度太薄。

1～3 μm 厚的焊盘损伤比较小,但0. 6μm 以下厚度的焊盘可能存在问题;
(6) 焊盘金属和引线金属的硬度匹配时键合质量最好,也可以最小化出坑现象;
(7)Al 丝超声波键合时金属丝太硬可能导致Si片出坑。

3.2尾丝不一致
这是楔键合时最容易发生的问题,而且也是最难克服的。

可能的产生原因如下:
(1) 引线表面肮脏;
(2) 金属丝传送角度不对;
(3) 楔通孔中部分堵塞;
(4) 用于夹断引线的工具肮脏;
(5) 夹具间隙不正确;
(6) 夹具所施加的压力不对;
(7) 金属丝拉伸错误。

尾丝太短意味着作用在第 1 个键合点上的力分布在一个很小的面积上,这将导致过量变形。

而尾丝太长可能导致焊盘间短路。

3.3键合剥离
剥离是指拉脱时键合点跟部部分或完全脱离键合表面,断口光滑。

剥离主要是由工艺参数选择错误或键合工具质量下降引起。

它是键合相关失效的一个很好的早期信号。

3.4引线弯曲疲劳
这种失效的起因在于引线键合点跟部出现裂纹。

原因可能是键合操作中机械疲劳,也可能是温度循环导致热应力疲劳。

已有的试验结果表明:
(1) 温度循环条件下,Al 丝超声波键合比Al 丝热压键合更为可靠;
(2) 含0. 1 %Mg 的Al 丝要好于含1 %Si 的Al丝;
(3) 引线闭环的高度至少应该是键合点间距的25 %以减轻弯曲。

3.5键合点和焊盘腐蚀
腐蚀可导致引线一端或两端完全断开,从而使引线在封装内自由活动并造成短路。

潮湿和污物是造成腐蚀的主要原因。

例如,键合位置上存在Cl 或Br 将导致形成氯化物或溴化物,腐蚀键合点。

腐蚀将导致键合点电阻增加直至器件失效。

绝大多数情况下,封装材料在芯片表面和相邻键合点施加了一个压力,只有腐蚀非常严重才会出现电连接问题。

3.6引线框架腐蚀
起因是残余应力过大,或者在为防止引线框架基体金属(42 合金或Cu) 腐蚀而进行的表面镀层(如Ni) 工艺中引入了过多的表面污染。

最敏感的区域是密封化合物材料与引线框架的界面处。

3.7金属迁移
是指从键合焊盘处开始的金属枝晶生长。

这是一个金属离子从阳极区向阴极区迁移的电解过程,与金属的可获得性、离子种类、电势差等相关。

金属迁移将导致桥连区的泄露电流增加,如果桥连完全形成则造成短路。

最为广泛报道的是Ag 迁移。

其它金属,如Pb、Sn、Ni 、Au 和Cu 也存在迁移现象。

因为与失效相关,这是一种逐渐失效现象。

3.8振动疲劳
可能产生谐振并因此损伤键合点的最小频率,对于Au 丝为3～5 kHz ,Al 丝为10 kHz。

一般而言,引线键合的振动疲劳失效发生于超声波清洗过程,因此超声波清洗设备的谐振频率应在20～100 kHz以内。

3.9内引线断裂和脱键
引线断裂的方式一般分为三类：引线中间断裂；引线在近键合点的根部裂；脱键。

（1）引线中间断裂
引线中间断裂不一定在早期失效中出现，因为它和内引线存在损伤的程度和由损伤诱发的机理有关。

键合丝的损伤使引线损伤部位面积变小，将导致：电流密度加大，使损伤部位易被烧毁；抗机械应力的能力降低，会造成内引线损伤处断裂。

产生损伤的原因：一是键合丝受
到机械损伤，二是键合丝受到了化学腐蚀的侵蚀
（2）键合丝在近键合点的根部断裂
这种现象的发生主要是由工艺所引入的。

存在铊(Tl) 污染源,Tl 可以与
Au 形成低熔点的共晶相并从镀Au 的引线框架传输到Au 丝中。

键合点形
成过程中,Tl 可以快速扩散并在球颈以上的晶界处富集形成共晶相。

在塑
性密封或温度循环时,球颈断裂,器件失效。

3.10键合点脱键隐患
自动引线键合技术中，半导体器件键合点脱落是最常见的失效模式。

这种失效模式用常规筛选和测试很难剔除，只有在强烈振动下才可能暴露出来，因此对半导体器件的可靠性危害极大。

可能影响内引线键合可靠性的因素主要有：
<1>界面上绝缘层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。

管壳镀金层质量低劣，会造成表面疏松、发红、鼓泡、起皮等。

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。

<2>金属化层缺陷，金属化层缺陷主要有：芯片金属化层过薄，
使得键合时无缓冲作用，芯片金属化层出现合金点，在键合处形成缺陷；芯片金属化层粘附不牢，最易掉压点。

<3>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，可造成灰尘沾污；人体净化不良，可造成有机物沾污及钠沾污等；芯片、管壳等未及时处理干净，残留镀金液，可造成钾沾污及碳沾污等，这种沾污属于批次性问题，可造成一批管壳报废，或引起键合点腐蚀，造成失效；金丝、管壳存放过久，不但易沾污，而且易老化，金丝硬度和延展率也会发生变化。

<4>材料间的接触应力不当，键合应力包括热应力、机械应力和超声应力。

键合应力过小会造成键合不牢，但键合应力过大同样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。

3.10.1 金属间化合物使Au—Al系统失效
Au—Al 系统中互扩散及金属间化合物的形成
Au - Al 系统中互扩散及金属间化合物的形成过程如下:
(1) 在键合的早期阶段,Au - Al 之间形成一很薄的扩散层,其成分为AuAl2 (紫斑) ;
(2) 进一步受热导致Au - Al 扩散继续,随着Au不断向Al 薄膜中。