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半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)芯片與引出端的電氣互聯(lián)。美軍標(biāo)MIL-STD-883及MIL-STD-750只針對(duì)Au線及Al線的力學(xué)性能做了要求，但對(duì)Cu線及Ag線卻沒有涉及。由此推測(cè)在軍工、宇航等高可靠性半導(dǎo)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(dǎo)器件封裝中同樣應(yīng)用廣泛。

1 鍵合引線材料特性對(duì)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(dǎo)體器件芯片的互聯(lián)要求，是目前應(yīng)用最廣的鍵合材料。而當(dāng)Au線鍵合到Al金屬化焊盤時(shí)，在長期儲(chǔ)存和工作后，因電化學(xué)勢(shì)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(shù)、膨脹系數(shù)、形成過程中體積的變化、顏色和物理性質(zhì)均不相同，且電導(dǎo)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(dāng)在鍵合點(diǎn)處生成了Au-Al間IMC之后，鍵合強(qiáng)度會(huì)降低、變脆開裂、接觸電阻增大，器件出現(xiàn)性能退化或引線從鍵合界面處脫落導(dǎo)致開路。所以，我國航天專項(xiàng)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(shí)，如Au-Al鍵合必須通過專門的工藝鑒定，如高溫儲(chǔ)存、掃描電子顯微鏡（SEM）和引線鍵合強(qiáng)度。高溫儲(chǔ)存的試驗(yàn)條件為300℃、24h；然后SEM檢查鍵合點(diǎn)形貌，要求Au-Al擴(kuò)散區(qū)域不得波及有源區(qū)（通過元素面分布情況確定）；高溫后的引線鍵合強(qiáng)度需滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如GJB2438B-2017的C.5.3.3.2條規(guī)定，電路進(jìn)行最低300℃空氣或惰性氣體來預(yù)處理1h后，鍵合強(qiáng)度需滿足表1要求。

表1 鍵合強(qiáng)度要求

其次，Au線的耐熱性差，金的再結(jié)晶溫度較低（150℃），導(dǎo)致高溫時(shí)強(qiáng)度較低，球形鍵合焊接時(shí)，焊球附近的金絲由于受熱而形成結(jié)晶組織，金絲晶粒粗大會(huì)造成球頸部斷裂，也是鍵合工藝中最薄弱的環(huán)節(jié)；另外，Au線價(jià)格昂貴，導(dǎo)致封裝成本過高。

Al線，根據(jù)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(dǎo)電性好，但強(qiáng)度較差，較難拉成直徑較細(xì)的鍵合絲，因此大多數(shù)應(yīng)用在大功率晶體管、厚膜功率器件。硅鋁線具有較高的強(qiáng)度，可以成型直徑較細(xì)的鍵合絲，所以比高純Al線更廣泛應(yīng)用于其它半導(dǎo)體器件中。美國ASTM的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可知，Si-Al線中硅的添加量為0.85～1.15%，雜質(zhì)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(qiáng)度及導(dǎo)熱性能不如Au線，容易發(fā)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(yōu)勢(shì)就是鍵合到芯片上的Al金屬化焊盤時(shí)，屬于非異質(zhì)材料鍵合，因此不會(huì)產(chǎn)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(cè)試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，Cu線的鍵合強(qiáng)度比Au線高約20%左右，且拉斷的失效類別大多數(shù)是從引線的中間斷開，而非頸縮點(diǎn)處斷開，同時(shí)Cu的機(jī)械性能也優(yōu)于Au線，尤其是在塑封過程中，當(dāng)鍵合引線受到模塑料注塑成型的作用力時(shí)，Cu線可以獲得優(yōu)異的球頸強(qiáng)度和較高弧線的穩(wěn)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(xué)性能優(yōu)于Au及Al（見表2所示），由表2可知Cu的電導(dǎo)率最優(yōu)，比Au及Al高約41%、58%，電阻率低-29%、-39%，導(dǎo)熱系數(shù)高約26%、68%，因此Cu線能夠以更細(xì)的線徑達(dá)到更好的散熱及更高的額定功率，特別適合應(yīng)用于大功率器件及高密度封裝器件，同時(shí)Cu的熱膨脹系數(shù)比Al低，略接近于Au，因此鍵合點(diǎn)的熱應(yīng)力也相對(duì)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(huán)境下，Cu線比Au線的可靠性更高。

表2 電學(xué)及熱學(xué)性能比對(duì)

Cu的成本低廉，而且力學(xué)性能、電學(xué)性能和成本也優(yōu)于Au及Al ，所以Cu線在半導(dǎo)體器件中得到了廣泛應(yīng)用，但Cu線鍵合工藝也面臨一些挑戰(zhàn)，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(duì)芯片的PAD造成損傷，同時(shí)Cu線易氧化，降低了鍵合的可靠性也增加了儲(chǔ)存的難度。研究表明，可以采取控制Cu中雜質(zhì)元素含量和多元素?fù)诫s的方法來降低Cu的硬度，也可以采用多元素?fù)诫s與鍍覆的方法并在惰性保護(hù)氣氛環(huán)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(shù)應(yīng)用在民用塑封器件當(dāng)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(duì)比見表3所示，由表3可知Ag線比Au線具有更優(yōu)的導(dǎo)電及導(dǎo)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(dǎo)體器件封裝逐漸發(fā)展起來，尤其是在LED領(lǐng)域，據(jù)2017年不完全統(tǒng)計(jì)，約有50%的LED封裝廠采用Ag作為芯片互聯(lián)的首選材料，但在其它半導(dǎo)體器件中Ag線使用相對(duì)較少。Ag線的缺陷也很明顯，就是容易被硫化及氧化，強(qiáng)度較低，在高速鍵合過程中容易斷線，導(dǎo)致引線發(fā)黑及鍵合強(qiáng)度下降，而且Ag線鍵合到芯片上的Al焊盤時(shí)也會(huì)發(fā)生Ag擴(kuò)散，產(chǎn)生不同的金屬間化合物，這些金屬間化合物也會(huì)導(dǎo)致鍵合點(diǎn)脫落失效。目前，可以采用多元素?fù)诫s（如添加Au、Pd、Al等）及表面鍍層（如復(fù)合鍍層）等方式來解決Ag鍵合工藝存在的問題。

表3 電學(xué)及熱學(xué)性能比對(duì)

2 鍵合引線的力學(xué)性能評(píng)價(jià)方法

鍵合引線的電性能、熱性能的評(píng)價(jià)主要取決于鍵合引線的材料，而力學(xué)性能的評(píng)價(jià)可以按JESD22-B116A-2009（引線鍵合剪切試驗(yàn)方法）及MIL-STD-883K方法2011.9（鍵合拉力）進(jìn)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(yàn)，用于工藝控制和質(zhì)量保證，適用于當(dāng)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(qū)域的楔形鍵合。

鍵合剪切就是利用推刀去剪切鍵合點(diǎn)，使其與鍵合焊盤分離的過程（圖1~圖2所示）。分離時(shí)所需的力稱作鍵合剪切力。球形鍵合的鍵合點(diǎn)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(yīng)將這些數(shù)據(jù)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(diǎn)分離模式

每種鍵合分離類型的含義：

• 類型1：整個(gè)引線鍵合點(diǎn)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(qū)未被破壞；

• 類型2：在鍵合面上留下一層屬于引線鍵合點(diǎn)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(diǎn)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(qū)下方，絕緣層（氧化物或?qū)娱g介質(zhì)）與基體材料（Si）分離或脫落。在絕緣層中出現(xiàn)的凹坑或凹陷（沒有延伸到基體）的分離界面不應(yīng)被認(rèn)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(yàn)自身的作用等，對(duì)于本試驗(yàn)而言，如在剪切試驗(yàn)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(chǎn)生無效的剪切值。發(fā)生這種情況可能是由于樣品的放置不當(dāng)、剪切高度太低或儀器設(shè)備故障造成的，這種剪切類型是無效的，應(yīng)從剪切數(shù)據(jù)中刪除；

• 類型5：推刀只剪切了鍵合點(diǎn)的最上面部分。發(fā)生這種情況可能是由于樣品的放置不當(dāng)、剪切高度太高或儀器設(shè)備故障造成的，這種剪切類型是無效的，應(yīng)從剪切數(shù)據(jù)中刪除；

• 類型6：焊接面金屬化區(qū)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(diǎn)上的現(xiàn)象。

鍵合剪切試驗(yàn)之前應(yīng)對(duì)焊盤鍵合進(jìn)行檢查，尤其是塑封集成電路，因?yàn)椴捎脻袷交瘜W(xué)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(xué)腐蝕現(xiàn)象，所以在鍵合焊盤上，有顯著化學(xué)腐蝕或無金屬化區(qū)的鍵合點(diǎn)，不應(yīng)進(jìn)行剪切試驗(yàn)。然后對(duì)所試的球形鍵合點(diǎn)的直徑進(jìn)行測(cè)量（測(cè)量直徑按圖4所示進(jìn)行），因?yàn)榍蜴I合的鍵合剪切力與球鍵合的直徑有關(guān)，而且鍵合剪切力是鍵合點(diǎn)和鍵合面金屬化層之間金屬鍵合的一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)。

圖4  鍵合直徑測(cè)量

根據(jù)被試鍵合點(diǎn)直徑的測(cè)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(jù)，如過程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)建立了球形鍵合的標(biāo)稱直徑，則該值也可以用于確定如圖5及表4的失效判據(jù)。

圖5  球形鍵合點(diǎn)剪切強(qiáng)度單個(gè)值和平均值的最小推薦值

表4 球形鍵合點(diǎn)剪切強(qiáng)度單個(gè)值和平均值推薦的最小值

鍵合拉力試驗(yàn)按美軍標(biāo)MIL-STD-883K方法2011.9進(jìn)行，屬于破壞性試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)條件可以分為條件A鍵合拉脫、條件C引線拉力（單個(gè)鍵合點(diǎn)）、條件D引線拉力（雙鍵合點(diǎn)）、條件F鍵合剪切力（倒裝焊）、條件G推開試驗(yàn)（梁式引線）、條件H拉開試驗(yàn)（梁式引線）6種條件。以最常見的條件D雙鍵合點(diǎn)引線拉力為例，該試驗(yàn)是在引線與芯片、基板或底座或兩個(gè)鍵合點(diǎn)相連的引線中跨和頂部之間施加拉力，同時(shí)避免使引線產(chǎn)生不利變形，所以拉力位置應(yīng)在引線中跨和芯片邊緣之間，見圖6～圖7所示。試驗(yàn)完成后記錄失效的力值大小及失效類別。對(duì)于具有內(nèi)引線的微電子器件封裝內(nèi)部的引線-芯片鍵合的失效類別可以分別為8個(gè)類別：

• 在頸縮點(diǎn)處引線斷開；

• 在非頸縮點(diǎn)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(qū)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(qū)浮起；

• 芯片破裂；

• 基板破裂。

最小鍵合強(qiáng)度可以按表5進(jìn)行判定或用圖8來確定表5中未列出的引線直徑對(duì)應(yīng)的最小鍵合強(qiáng)度。

圖6  拉力鉤放置位置

圖7  鍵合拉力過程（雙鍵合點(diǎn)）典型形貌

表5 最小鍵合強(qiáng)度

圖8  最小鍵合強(qiáng)度極限值

鍵合引線的可靠性也可以結(jié)合一些環(huán)境（如溫度循環(huán)、溫度沖擊）及機(jī)械應(yīng)力（如振動(dòng)沖擊、恒定加速度）試驗(yàn)后進(jìn)行評(píng)價(jià)。