热超声键合第二焊点研究进展

徐庆升 陈悦霖

（合肥通富微电子有限公司）

择要：

热超声键合是目前最主要的引线键合技能，在电子封装领域中有着广泛的运用。
面对封装密度不断提高、焊点节距不断低落和本钱持续降落等寻衅，须要全面理解热超声键合技能的研究进展。
热超声键合包括两个焊点，其在形状、键合过程和冶金特性等方面均不相同。
对付热超声键合中的第一焊点已有较为深入的研究。
但是，关于热超声键合第二焊点仍缺少系统的论述，不能很好地应对寻衅。
通过总结键合机理、键合质量和可靠性测试等方面的研究成果，先容热超声键合第二焊点研究的发展现状，并对研究方向供应建议。

1 弁言

在半导体领域，从1947 年就开始运用引线键互助为低级互连技能。
与新兴的倒装芯片和硅通孔等互连技能比较，引线键合技能具有灵巧性好、本钱低和可靠性好等上风，仍是目前运用最为广泛的半导体芯片互连技能。
引线键合技能包括超声键合、热压键合和热超声键合三种。
热超声键合由于耗时短、键合温度低和便于自动化等优点，成为了工业生产中最紧张的引线键合方法。
热超声键合的第一焊点为球形，第二焊点为楔形，以是又称为“球 - 楔键合”。
第一焊点的形成过程、参数的优化、材料学机制、可靠性失落效模式与机理等方面均有较为深入和系统的研究和论述。
由于两个焊点的外不雅观形状、键合过程和焊点冶金特性均不相同，以是第一焊点的干系研究结果不适用于第二焊点。
虽然针对第二焊点（后简称“二焊

点”）的研究也有很多，但是仍旧缺少较为系统的总结，不能够很好地帮助工程技能职员办理在研发和生产中碰着的问题。
由于大约有 95%的电子器件采取塑料封装，以是本文较为系统地先容了塑封器件中第二焊点的研究进展，为键合工艺优化和良率的提升供应参考，也对干系研究有借鉴意义。

2 二焊点键合过程

图 1 展示了热超声引线键合第二焊点的形成过程。
劈刀从搜索高度匀速低落到焊接表面后，在超声能量和键合压力共同浸染下，键合丝受挤压而变形；同时，键合丝和引线脚镀层之间相互扩散，形成键合界面。
之后,焊头上升到线尾高度，线夹关闭，扯断线尾。

从图 2（a）中可以不雅观察到，在扯断线尾之前，二焊点包括月牙状焊接区域（习气上称为“鱼尾”）和尾焊点。
二焊点的跟部（Heel）是指“鱼尾”和正常键合丝的连接处。
扯断线尾之后，二焊点只有“鱼尾”部分，因此二焊点键合强度常日是指“鱼尾”和框架上内引脚之间的结合强度。
尾焊点则会通过影响线尾的形状和长度，间接影响下一根焊线的空气球质量。
从图 2（b）（c）中可以看出，劈刀的顶端直径（Tip）、外侧倒圆半径（Outer Radius，OR）和端面倾角（Face Angle，FA）会影响第二焊点“鱼尾”的形状，从而影响二焊点拉力的大小；而尾焊点则与劈刀 的内倒角直径（Chamfer Diameter，CD）和内倒角角度（Inner Chamfer Angle）关系密切。

3 二焊点键合理论研究

3.1 超声键合机制

由于金属在空气中会氧化和吸附气体，故而其表面存在着表面层，习气上称为氧化膜。
当两块金属相互打仗，并在压力浸染下发生塑性形变时，打仗面会延展变大，氧化膜会被撕裂而破碎。
这使得两块金属在氧化膜被打消的地方产生清洁表面并紧密打仗，在金属键和范德华力的浸染下，两块金属产生结合强度，这种征象被称为冷压焊。
在冷压焊机制下结合强度与表面延展率和正压力之间的关系为：

个中 B 是结合强度， O 是基材金属强度， 是污染物分裂机制区域占总打仗面积的比例，Y 是结合处的表面袒露率，p 是基材金属表面的正压力，p E 是挤出压力，Y′是临界表面暴露率。
该理论可以很好地阐明热压键合工艺中键合强度的成因，但是无法阐明超声输出在超声键合和热超声键合中所起的主要浸染。

当键合工具对焊点施加键合压力和超声振动时，将会对键合界面产生正压力和剪切力。
当剪切力小于某一临界值时，打仗区域中央部分处于相对静止的状态，而其边缘将会产生微滑移。
当打仗区域为圆形时，微滑移区域为环状，微滑移区域内径可由下面的公式打算：

个中 a′为微滑移环内径，a 为打仗区域半径（即微滑移环外径），S 为剪切力，N 为正压力， 为静摩擦系数。
当剪切力大于临界值 N 时，键合界面两侧的材料产生整体滑移。
这样的相对运动可以毁坏金属表面的氧化膜，使整体金属产生紧密打仗，从而产生键合强度。
上述理论被称为微滑移理论，其在一定程度上解释了超声振动在键合过程中所起的浸染，填补了冷压焊机制的不敷，被用于阐明超声和热超声键合强度产生的缘故原由。
但是，键合中发生的很多物理化学过程，微滑移理论并未考虑。
尤其是无法阐明超声键合过程中的扩

散速率远高于同温度下的热扩散速率这一征象。

金属中原子在晶界和位错等晶体毛病处的扩散速率要高于在晶内的扩散速率，这些毛病形成了短路扩散通道。
在超声键合过程中，金属原子是在浓度梯度、化学位梯度和应力梯度的驱动下，通过短路通道进行快速扩散。
“短路扩散”理论将键合过程分成了三个阶段：

（1）物理打仗阶段。
在超声振动和键合压力浸染下，焊点金属因位错增殖、滑移而产生大量晶体毛病，同时发生塑性流变，表面脆氧化层分裂。

（2）打仗界面扩散阶段。
原子沿打仗界面、晶界和位错等通道快速扩散，形成结合层。

（3）结合层增厚阶段。
键合界面的原子在超声振动、温度和键合压力浸染下连续扩散，结合层厚度不断增加，从而得到足够的键合强度。

“短路扩散”理论阐述了超声键合中键合强度产生的过程，指出了金属原子扩散的驱动力和通道，阐明了超声键合过程中发生原子快速扩散的缘故原由。
该理论结合了冷压焊机制和微滑移理论，并战胜了前两者的不敷。
但是，目前关于超声键合机制的理论侧重于定性解释，仍旧没有构建起可靠的数学模型。
这使得生产中工艺的优化十分依赖履历且效率低下。
建立键合工艺参数和金属原子扩散之间的定量关系是一个亟待办理的问题。

3.2 材料学研究

不同种类的金属之间相互扩散，可能产生固溶体，也可能产生金属间化合物（Intermetallic Compound，IMC）。
IMC 每每较硬较脆、导电性较差，会带来一定的可靠性风险。
与一焊点不同，二焊点键合中常见的Au-Ag 和 Cu-Ag 冶金系统不会产生 IMC，只会发生两种金属互溶。
二焊点键合强度的紧张来源是键合丝与内引脚镀层之间的机器啮合以及超声、温度和压力导致的相互扩散。

文献[30]利用透射电子显微镜对铜线和镀银框架键合形成的二焊点进行了研究，确认了在裸铜线和银镀层之间存在几十纳米厚的扩散层，并无 IMC 存在。
对镀钯铜线和镀银框架键合情形的研究表明镀钯铜线中的镀钯层在二焊点键合过程中起到了两个浸染：一是有效避免铜线表面氧化；二是在阻碍 Cu-Ag 相互扩散的同时，形成了Cu-Pd和Ag-Pd的互扩散区域 [30-31] 。

虽 然 Cu-Au 冶 金 系 统 存 在 Cu 3 Au、CuAu 和CuAu 3 三种 IMC [29] ，但是文献[32]表明常温超声键合时，在 Cu-Au 界面没有 IMC 存在。
考虑到键合温度上的显著差异，热超声键合中 Cu-Au 键合界面是否会形成 IMC 须要加以研究。

针对二焊点的材料学研究仍有两方面不敷。
一方面，已有研究都因此键合后的焊点为工具，缺少对键合过程的动态不雅观察，不能很好地支持键合理论研究。
另一方面，金属间扩散层的微不雅观构造会影响其力学性能，对键合强度产生主要的影响，然而目前尚缺少对扩散层微不雅观构造的研究。
因此，须要在键合过程原位不雅观察和扩散层微不雅观构造两方面开展干系研究。

3.3 数值仿照

由于热超声键合焊接持续韶光短、浸染力繁芜且外不雅观尺寸很小，以是键合中的力学过程很少有原位、动态的研究，干系研究大部分是采取数值仿照方法，个中最常用的是有限元法。
关于热超声键合第二焊点数值仿照的研究相对较少。
文献[17]通过有限元法得到了二焊点的 Mises 应力分布和等效塑性应变。
二焊点跟部和尾焊点部分所受应力和等效塑性应变均较大。
尾焊点部分应力、应变较大有利于扯断线尾，但是跟部应力、应变较大会增加跟部裂纹的风险。

4 二焊点键合质量

4.1 二焊点键合质量检测方法

4.1.1 键合完全性测试

为了及时检出不良产品，自动焊线机在作业过程中会利用键合完全性测试系统 （The Bond Integrity Test System，BITS）对键合过程进行在线检测。
BITS 系统能够侦测二焊点干系非常为二焊点不粘（Not Stick onLead，NSOL）和短尾（ShortTail，SHTL）。
图3（a）（b）为正常键合情形下二焊点 BITS 侦测过程的示意图，个中芯片和内引脚都已接地。
在劈刀达到线尾高度后线夹会关闭。
由于键合丝有一定的延展性，故而线夹关闭后，焊头再上升一段间隔后才会扯断线尾。
在此期间，机台会进行 SHTL 侦测。
若线夹和芯片 / 内引脚处于连通状态，则解释线尾长度符合哀求。
在此之后，机台开始进行 NSOL 侦测。
若线夹和芯片 / 内引脚处于断路状态，则解释二焊点完全。

如图 3（c）所示，在 NSOL 侦测过程中，如果线夹和芯片 / 内引脚之间处于导通状态，机台会报警发生NSOL。
导致 NSOL 报警的常见缘故原由有键合参数不得当，机台故障，产品压合不良，劈刀沾污或磨损，内引脚镀层不良、沾污或氧化，线材沾污或氧化等。

如图 3（d）所示，在 SHTL 侦测过程中，如果在线夹和芯片 / 内引脚之间处于断路状态，解释在焊头到达机台设定的扯断线尾位置之前，线尾就已经与内引脚断开，线尾长度小于须要的长度，这种情形下机台就会发出 SHTL 报警。
键合参数不佳，劈刀选择不当和材料非常都会引起短尾问题。
在拉断线尾之前，尾焊点部分键合丝与内引脚之间的结合强度被称为尾焊点强度。
有研究表明，得当的尾焊点强度是避免 SHTL的必要条件。
须要把稳的是，使“鱼尾”结合强度达到最优的键合参数并不一定能够使尾焊点强度也达到最优，优化二焊点参数时须要兼顾两者。

4.1.2 二焊点拉力测试

由于在塑封产品中，框架、塑封料和键合丝的热膨胀系数不匹配使线弧受到过大的应力浸染是产品中二焊点失落效的主要缘故原由之一，以是目前常用二焊点拉力测试来评估二焊点的稳定程度。
二焊点拉力测试是指用钩针在间隔二焊点跟部一倍线径处垂直向中计断键合丝，测得拉力值。
如图 4 所示，F 为钩针所受的拉力（即拉力机测得的拉力），f wd 和 f wt 分别为键合丝对一焊点和二焊点的沿线拉力，则有 [1] ：

个中 H 为两个焊点焊接表面的高度差，h 为钩针位置与较高焊接表面的高度差，d 是线弧长度， 为钩针投影点距二焊点水平间隔与两个焊点间水平间隔的比值，准 为钩针拉力方向与垂直方向的夹角。

对付同一引线框架，H 的大小紧张由芯片厚度决定。
若线弧形状为标准线弧，在 d 和 H 一定时，h 由线弧高度决定。
当钩针垂直向上时，= 0，则式（4）可以化简为：

从式（5）中可以看出二焊点拉力值会受到线弧高度、线弧长度、钩针位置和芯片厚度等成分的影响。
这解释二焊点拉力值并不完备由二焊点强度决定，只是对二焊点强度的一种定性评估方法。

在二焊点拉力测试中，除了二焊点拉力值之外，一样平常也须要稽核拉力测试后二焊点失落效模式和“鱼尾”残留比例。
通过不雅观察失落效模式和“鱼尾”残留比例可以确认失落效的缘故原由是跟部强度低还是界面强度低。
须要把稳的是，二焊点处线弧与键合界面的夹角也会影响“鱼尾”残留比例， “鱼尾”残留比例也只是一种大致评估界面强度的方法。
在实际生产中，须要结合二焊点拉力值、失落效模式和“鱼尾”残留比例等几个方面来综合评估二焊点强度。

4.2 二焊点质量影响成分

4.2.1 键合参数

传统上，热超声键合的 4 个紧张参数为键合温度、超声功率、键合时间和键合压力。

键合温度是热超声键合中最主要的参数。
实验表明，键合温度降落会使二焊点键合强度低落。
温度降落会抑制原子热运动，不利于键合界面处原子的扩散，以是在条件许可的情形下，提高键合温度会帮助提升键合强度。
但是，温度过高会导致有机基板转变为高弹态、引发引线框架银镀层及铜合金基材氧化、装片胶空洞、塑封分层等问题。
一样平常键合温度根据基板或框架的材质、键合丝材质、产品种类和特点来确定。

增大超声功率也可以促进原子扩散，提升二焊点结合强度。
但是过大的超声功率会使二焊点的跟部和“鱼尾”受损，导致二焊点强度降落，乃至在可靠性试验中产生跟部断裂。
对付尾焊点，过大的超声功率也会产生“过键合”，从而导致线尾长度或形状非常，影响键合作业。
键合劈刀的磨损也与二焊点的超声功率有关。
过大的二焊点超声功率会显著加重劈刀磨损，缩短其寿命。

键合时间决定了超声功率浸染的韶光是非。
过短则原子扩散不充分，二焊点强度减弱；过长则可能会导致跟部产生裂纹，减弱二焊点强度。

键合丝在键合压力浸染下的塑性形变过程会打消焊接表面的氧化层，增加键合丝和内引脚金属的直接打仗面积，从而影响二焊点强度。
键合压力过小会使得二焊点界面强度降落。
在一定范围内，增加键合压力可以增加二焊点强度。
当有引线脚振动问题存在时，利用适宜的超声功率结合较大的键合压力可以优化“鱼尾”撕裂的情形，并得到良好的二焊点拉力值 [35,39] 。
但是，增大键合压力对二焊点强度的改进浸染是有限的。
当超过临界点后，再增加一定的压力，拉力值不再增加，基本平稳。
如果连续加压，压力过大，则会抑制换能器和劈刀的振动，降落二焊点界面强度；同时也增加了二焊点跟部产生裂纹的风险，使二焊点拉力强度降落。

表 1 中展示了金线键合过程中超声功率、键合压力和键合时间对二焊点的影响。

此外，目前主流全自动球焊机都添加了摩擦（Scrub）功能。
开启摩擦功能时，焊头在 X-Y 事情台的带动下，做直线或曲线运动，可以使劈刀端部在超声振动之外再增加一个运动分量，起到提高焊接强度和减少焊接韶光的浸染。
在一些传统参数无法有效键合的情形下，可以在摩擦功能的帮助下得到空想的二焊点。
此外，利用摩擦功能也有助于增强工艺的稳定性，提高生产效率。
得当的摩擦参数可以改进尾焊点，减少 SHTL 发生的几率。
在 QFN 等产品中，为了避免内引脚与换能系统发生共振引起二焊点质量问题，每每不该用超声输出，而用频率较低的摩擦动作，结合较大的键合压力来完成二焊点焊接。

4.2.2 键合工具

热超声键合所用的键合工具，又称劈刀或毛细管（Capillary），是球焊机和焊接点之间能量耦合的媒介。
选择得当的劈刀对提升二焊点的质量非常主要。
劈刀对二焊点的影响紧张在两个方面，其一是劈刀端部的形状尺寸直接影响二焊点的形状，其二是劈刀端面的后处理工艺（Finishing）会影响超声能量的耦合情形。

如图 2（b）和（c）所示，劈刀的 Tip 大小会影响二焊点的长度，一样平常在条件许可的情形下 Tip 越大，二焊点拉力值越大。
FA 会影响二焊点的厚度，FA 过大会导致“鱼尾”过薄，过小会使得“鱼尾”面积变小，都会导致二焊点拉力值降落。
FA 取值为 4、8或 11的劈刀较为常见。
OR 会影响二焊点跟部形状，也会在一定程度上影响二焊点的长度。
过大的 OR 会使二焊点长度变短，过小会让二焊点跟部变得薄弱。
OR 须要与FA合营选用，一样平常 FA 较小会搭配较大的 OR，较大的FA会搭配较小的 OR。
尾焊点的形状紧张受两个劈刀外不雅观尺寸的影响，一个是 CD 与 H 的差值，另一个是ICA。
它们会影响尾焊点的形状与强度，在优化 SHTL时须要详细考量。

劈刀端面的后处理工艺已经从最初的光滑型发展出了哑光型以及用于铜线键合的粗糙型。
各劈刀厂商每每还有自己独特的后处理工艺。
粗糙化的端面可以提升超声能量的耦合效率，提升二焊点强度，减少SHTL 发生次数，扩大工艺窗口。
但是，当键合丝和内引脚镀层较软时，端面粗糙化会增大其被金属碎屑沾污的几率。

在批量生产中，劈刀会随着利用过程逐渐磨损，其形状尺寸及端面粗糙度均会发生变革。
这就哀求在批量生产之前要对所用劈刀的寿命进行验证，以担保产品质量。

4.2.3 键合丝

键合丝的尺寸、材质和镀层工艺都会影响二焊点的质量。
随着金键合丝的线径变大，二焊点拉力值的均匀值升高。
在热超声键合工艺中，常用的材质有金、银和铜等。
金线和铜线每每纯度较高（~99.99%）；而由于纯银线强度较低，随意马虎碰丝、塌丝，故而利用较少，实际运用中每每利用银合金线（银含量为 88%~98%）。
一样平常来说，纯金线的强度低于银合金线和铜线，但是其随意马虎焊接且可靠性能优秀。
为了提升键合丝性能，很多种类的镀层工艺也被运用到键合丝的生产中。
最常见的镀层工艺是在铜线表面镀钯，称为镀钯铜线或钯铜线。
镀钯工艺防止铜线氧化，提升铜线强度和延展性，从而提升二焊点质量，得到更稳定的工艺窗口和更好的可靠性。
但是，钯的硬度比铜高，使得焊接相对困难。
为了改进上述不敷，在钯铜线的根本上又发展了金钯铜线。
金钯铜线是在钯铜线上再闪镀一层金（几纳米厚），以起到减少线材表面损伤和改进钯铜线焊接性能的浸染。

4.2.4 引线框架和基板

引线框架或基板上对二焊点质量影响最大的地方是焊线区域的镀层。
常见的镀层有银镀层、金（镍金）镀层、镍钯金镀层等。

银镀层是最常见的二焊点焊区镀层，大量运用于引线框架类产品中。
银镀层的厚度、硬度、粗糙度与晶粒尺寸都会影响二焊点的质量。
此外，镀银层表面形成的氧化 / 硫化物以及污染物也会严重影响二焊点强度与可靠性。
对付基材为铜合金的镀银框架，银镀层表面铜离子污染是导致 NSOL 和可靠性失落效的一个主要成分。
银镀层表面铜离子的来源有两个，其一是电镀过程带来的铜离子残留，其二是从基材中迁移到银镀层表面的铜离子。
基材中的铜离子会在温度梯度和化学势梯度的浸染下，沿着银镀层中的晶界迁移到其表面，并在其表面发生氧化，天生 CuO 和Cu 2 O。
塑封料的存在会促进铜离子的迁移，这可能与塑封估中含有 O 和 S 元素有关。

金（镍金）镀层也是一种常见的二焊点焊区镀层。
在铜基材表面镀金之前，一样平常须要先镀上多少微米厚的镍作为扩散阻挡层，从而形成 Ni/Au 构造。
金镀层的厚度、硬度和清洁度会影响键合的质量和可靠性。

镍钯金镀层在引线框架和基板中都有广泛的运用。
镍钯金镀层的厚度、硬度、粗糙度也会显著影响二焊点强度。
与银镀层比较，镍钯金镀层表面硬度要高很多，这会带来诸如二焊点较难焊接、跟部易受损等问题，须要优化工艺加以改进。

由于引线框架和基板在存储、运输过程中和经由装片固化工序时，其表面存在有机物和氧化层，影响键合质量。
以是键合前须要进行等离子洗濯。
等离子洗濯可以在一定程度上去除引线框架或基板表面的有机沾污和氧化层，提高二焊点拉力值，增加拉力后“鱼尾”残留比例，减少焊接中涌现“鱼尾”撕裂的几率。
须要把稳的是，等离子洗濯参数不得当和设备保养不佳会引起产品的二次污染，降落二焊点质量。

5 二焊点可靠性

为了担保电子器件在事情环境中能正常运转，达到设计利用寿命，在封装之后要对其可靠性进行测试。
常见的可靠性测试项目有高温存储、温度循环、高压蒸煮和高加速应力测试等。

高温存储测试（High Temperature Storage，HTS）是将产品置于一个温度恒定的高温环境中一段韶光，以验证产品抵御高温的能力。
在高温环境中，由于键合丝、框架和塑封料的热膨胀系数每每不一致，以是在测试过程中，二焊点会承受一定的机器应力。
跟部断裂、二焊点堕落和二焊点剥落都可能发生在 HTS 测试过程中。
造成产品在 HTS 测试中失落效的缘故原由有参数不得当、内引脚存在沾污或氧化征象和塑封估中有含 Cl和 S 的杂质等。

温度循环测试（Temperature Cycling，TC）是将产品反复至于冷热心况中，以验证产品抵抗高低温交替而产生应力的能力。
由于温度反复升高和降落，以是在 TC 测试过程中，二焊点会承受交变应力，产生疲倦。
如果存在参数不得当、跟部有微裂纹、键合过程中内引脚有振动或沾污等情形，都使二焊点在 TC 测试中发生剥落或者跟部断裂，导致产品失落效。

高压蒸煮（Pressure Cooker Test，PCT）和高加速应力测试（Highly Accelerated Stress Test，HAST）的详细测试条件不同，适用产品类型不同，但都是为了验证产品抵御高温高湿环境影响的能力。
与 HTS 测试比较，PCT 和 HAST 测试中二焊点堕落断裂导致的失落效更为常见。
塑料封装是非气密型封装，利用的塑封料会有千分之几的吸水率，并且个中每每含有 S、Cl 或Br 等元素。
因此，在 PCT 和 HAST 测试中，卤素和水的存在使塑封体内产生酸性环境，堕落键合用的铜键合丝和镀银框架。
而高温环境又会加速堕落反应速率，从而造成二焊点堕落断裂。
带偏压的高加速应力测试（bHAST）是在一样平常 HAST 测试条件的根本上再向产品施加电场浸染，用以评估产品在高温高湿环境中正常事情的能力。
bHAST 测试常见的失落效模式与HAST 测试相似，但外加电场会同时增加焊点局部温度，促进堕落反应，测试条件更为严苛，使得各种失落效模式都更随意马虎在 bHAST 测试中发生。

6 结论

本文从键合过程、键合机制、键合质量以及可靠性测试 4 个方面较为系统地总结了热超声引线键合第二焊点的研究进展，为办理研发和生产中碰着的寻衅、改进良率、提高产品质量与可靠性供应了有益的参考。

为了更好地知足高 I/O 芯片、3D 封装和微机电系统等运用对热超声键合技能的需求，仍需在以下几个方面对热超声键合第二焊点开展更进一步的研究：

1）深化键合机制研究，磋商各键合参数在微不雅观上对金属间相互扩散过程的影响；

2）详细剖析热效应和超声振动等对焊点上应力、应变的影响；

3）发展实用、高效、准确的二焊点键合质量实时检测和监控技能；

4）凭借大数据和人工智能技能，发展大略高效的二焊点键合参数优化方法和可靠性失落效剖析方法。