高温烘烤对金线键合机能的影响及改进研究

陈志钊，徐 俊，肖 鹏，马文珍，陈 琼

择要 ：

微电子行业中，一样平常利用引线键合工艺完成微电子器件中固态电路内部互连接线的连接。
在引线键合工艺前，须要先把芯片焊接在器件上，但是，芯片焊接（Die Bond, DB）工艺中利用的高温烘烤制程随意马虎使镀层质量劣化，导致引线键合质量低落。
尤其是，基于本钱需求，业界近年来方向于把金层厚度从常用的 1m ～ 1.25m 调薄至 0.3m ～ 0.5m，但是，在实践中创造，镀金层减薄后更随意马虎由于高温烘烤导致引线键合失落效，此问题对器件封装良率造成了严重影响。
本文中，作者研究并解释了高温烘烤后引线键合质量低落的缘故原由，并给出理解决方案。

引线键合是集成电路封装中连接芯片与引线框架的首选工艺之一，占商用集成电路生产的 90% 以上。
引线键合技能可以根据键合方法（球 - 楔或楔 - 楔）或在引线和焊盘之间产生金属互连的实际机制（热压、超声波或热超声）进行分类。
利用金线进行键合时，一样平常采取球楔法，球楔法的金线键合过程如下 ：键合线穿过劈刀，电火花浸染于在键合线末端形成“球”。
在加热（热压）、超声波能量的浸染下，球被压到焊盘上（超声波）或两者（热声），建立第一个键。
将劈刀移动到目标焊盘，在那里通过加热、加压、超声波能量的浸染下连接引线，利用劈刀的边缘形成“楔形”。
末了夹住引线时移除劈刀，使引线撕裂。

由于引线键合过程本身受到劈刀几何形状、焊盘表面条件和环境效应等诸多成分的影响，以是键合连接的粘接性和粘接机理仍存在重大争议，但毋容置疑的是，微电子封装中线键的力学可靠性在很大程度上取决于键合线与焊盘界面上金属间化合物的形成和发展，这是成功键合的必要条件。
传统的焊盘镀层由一个 3m ～ 5m 厚的镍层、1m ～ 1.25m 厚的金层组成，近年来，随着金价的上升，较厚的金层对厂商造成了较大的本钱压力，因此，厂商越来越方向于利用更薄的镀层，比如0.3m ～ 0.5m 的金层厚度来替代现常用的 1m ～ 1.25m 金层厚度。
但是，在实践中创造，金层减薄后，引线较随意马虎发生键合不良的情形，尤其是经由高温烘烤后，引线键合质量不良的发生频率明显上升。
此问题对封装厂家的生产良率造成了严重影响，阻碍了薄金镀层的推广运用。

本文中，作者重点剖析了镍合金镀层经高温烘烤后引线键合质量发生明显低落的机理，并通过一系列的实际验证，提出了改进此征象的手段。

1  高温烘烤失落效机理

焊盘的镀覆办法紧张由电镀和化镀两种，相对化镀工艺，电镀工艺镀覆的镀层具有延展性好，耐堕落，焊接性能好、可靠性佳、可镀厚度范围宽的优点，但其缺陷是产品必须要有引线设计，通电后才可发生反应，有一定的局限性，其余，镀层厚度均匀性较差，对设备的哀求较高。
对付射频或功率封装产品，一样平常采取电镀镍金的工艺进行。
对镍金镀层来说，金层是表面焊接层，焊接过程中与键合线间形成金属间化合物，镍层是阻隔层，浸染是防止高温过程中金和铜基材之间发生相互扩散。
一样平常来说，金层可以对下方的镍层起保护浸染，防止镍层发生氧化。
但是，微不雅观上来看，电镀的金层实际上含有很多孔隙，高温下，氧气可通过这些孔隙毛病侵蚀打仗到下方的镍层，导致镍层发生氧化，并扩散至金层表面，阻碍键合线与金层间形成金属间化合物，终极导致引线键合时发生焊接不良。

为验证以上理论，作者分别对无烘烤、200℃烘烤 2h、250℃烘烤 2h 的电镀镍金样品进行 X 射线光电子能谱测试（XPS），以确定不同烘烤状态的镀层表面元素及其化学状态。
测试利用 X射线能谱仪 INCA X-max 20 进行，可以对特定的斑点状位置进行元素全谱扫描和高精度扫描。
本论文中测试的管壳由广东华智芯电子科技有限公司供应，一样平常产品的焊盘镍层和金层厚度分别为 4m ～ 8m 和 0.3m ～ 0.5m。

作者首先对不同样品的表面进行元素全谱扫描，谱图显示样品 表 面 含 C、N、O、S、Ni、Au 元 素，其 中，C、N、Na 均 为 X射线光电子能谱测试中常涌现的元素，与样品随意马虎粘附的大气污染物有关，S 为靠近产品测试位置的框架材料带来的噪音旗子暗记。
为确定样品烘烤前后表面元素的变革，对全谱扫描中涌现的元素进行了高精度扫描，并对各元素比例进行了统计。
结果显示，无烘烤、200℃烘烤 2h 和 250℃烘烤 2h 的样品的 Ni2p 元素百分比分别为 1.91%、9.22% 和 11.84%，解释镀层经高温烘烤后，表面镍元素的含量发生了明显上升。
为确认镍元素是否发生了氧化，对镍元素进行价态剖析，结果表明镍以二价的形式存在，解释镍发生了氧化。

为验证表面镍含量的升高是否与引线键合质量有关，可以利用镍的活性较高，金的活性较为惰性的特点，利用稀酸洗涤焊盘表面，从而将镍撤除。
作者把经由 250℃ 2h 烘烤的管壳利用浓度为 2% 的稀硫酸浸泡 10s，洗涤干燥后重新进行打线。
结果表明，管壳烘烤前、管壳烘烤后、管壳烘烤并稀硫酸洗涤后的焊线均匀拉力值分别为 11.94g、4.47g、11.47g，CPK 值分别为 3.92、1.02、3.83。
可见，原来打线性能良好的管壳在经由高温烘烤后焊线拉力值和 CPK 值均明显低落，而经由稀硫酸洗涤后，焊线拉力值和 CPK 值基本规复到未烘烤水平。
可以推断，经由酸洗后，阻碍金线和焊盘金层结合的氧化镍被去除，从而金线和焊盘金层可以良好结合。

为证明以上不雅观点，作者对 250℃烘烤后、250℃烘烤并稀硫酸洗涤后的管壳分别进行 X 射线光电子能谱测试，并对不同元素进行高精度扫描。
首先对不同样品的表面进行元素全谱扫描，谱图显示样品表面都含有 C、N、O、S、Ni、Au 元素，个中，C、N、Na 均为 X 射线光电子能谱测试中常涌现的元素，与样品随意马虎粘附的大气污染物有关，S 为靠近产品测试位置的框架材料带来的噪音旗子暗记。
为确定样品烘烤前后表面元素的变革，对全谱扫描中涌现的元素进行了高精度扫描，并对各元素比例进行了统计。
结果表明，稀硫酸洗涤后的焊盘表面镍元素百分比比例从 11.84%降到了 2.83%，解释稀硫酸洗涤后焊盘表面的镍被去除，从而使得焊盘焊线性能发生了明显的改进。

综合以上试验解释，焊盘高温烘烤后引线键合不良的紧张缘故原由是高温烘烤过程中，镍层发生了氧化并扩散至镀层表面，阻碍金线与焊盘表面镀金层结合产生金属间化合物，终极导致引线键合拉力值降落，引线键合质量低落。

2  试验及结果

在上一章节中，作者提出了薄金镀层经高温烘烤后焊线质量明显低落的缘故原由，证明了引线键合质量受镍层氧化的影响。
接下来，作者针对此成分安排了一系列的试验，考试测验改进高温烘烤后镍层的氧化，从而办理产品高温烘烤后引线键合性能明显低落的问题，试验及结果详述如下。

2.1  增加金层厚度

金层孔隙率与金层厚度直接干系，一方面，金层越厚，金的金属晶体成长得越大，晶界等毛病越少，另一方面，金层越厚，金层中孔隙的路径越长，外界环境中的堕落性气体更难到达镍层的位置。
因此，金层越厚，金层孔隙率就越低，尤其是当金层厚度小于 0.3m 时，金层很随意马虎产生针孔，高温或湿气环境下，环境中的微量堕落气体就随意马虎透过此类针孔对底层金属产生堕落。

作者 对 不 同 金 层 厚 度 的 焊 盘 经 200 ℃ 2h 烘 烤 后 的引线 键 合 拉 力 进 行 了 研 究。
结 果 表 明，当 金 层 厚 度 区 间 为0.1m ～ 0.2m 时，引线键合拉力均匀值为 3.72g，CPK 值为 0.94，金层厚度为 0.3m-0.5m 时，引线键合拉力均匀值为 8.75g，CPK值为 1.51，金层厚度为 0.8m-1.2m 时，引线键合拉力均匀值为10.35g，CPK 值为 3.28，金层厚度为 1.6m-2.0m 时，引线键合拉力均匀值为 11.15g，CPK 值为 3.92。
可见，随着金层厚度的增加，引线键合拉力逐步上升，CPK 也逐渐增加，金层厚度大于 0.8m后，引线键合拉力上升趋势趋于平缓，解释高温烘烤不再是影响引线键合质量的紧张成分，这是由于当金层达到一定厚度后，镀金层中的微孔隙密度会有明显低落，同时孔隙的路径越长，下层的镍在高温烘烤过程中能更好地被金层保护，不易发生氧化和扩散。

2.2  改进镍层抗堕落性

镀金过程中，金层会沿着镍层晶体成长，因此，当表层的镍存在较多的晶界、孔隙和位错等毛病时，与之打仗的金层也会存在较多的孔隙，尤其是当金层较薄时，金层晶体的成长受镍层晶体毛病的影响更大。
由于这些毛病部位更随意马虎被堕落，会导致高温烘烤后的焊线性能明显低落，因此需只管即便降落镍层的晶体毛病密度。

改进镍层晶体毛病密度的方法有多种，个中一种方法是利用镍磷镀层替代纯镍镀层。
高含磷的镍磷合金为无晶态，无晶界，因此，较高磷含量的镍层具有更好的耐堕落性，并可大大降落金层作为保护层所需的厚度。
作者利用佛山华智芯电子科技有限公司供应的化镀镍磷 - 电镀金（金层厚度 0.3m ～ 0.5m）管壳样品进行验证，250℃ 2h 后焊线，焊线均匀拉力值为 9.66g，CPK 值为 2.15，而相同处理条件的普通电镀管壳的焊线均匀拉力值为 4.47g，CPK 值为 1.02。
可见，利用镍磷镀层替代纯镍镀层后，焊盘耐高温氧化的性能明显改进，引线拉力值和 CPK 均符合哀求。

其余，还可以通过改进电镀参数的方法改进镍层晶体毛病，如降落电流密度、加大镍层厚度等。
这是由于电流密度越小，镍层的成长就越致密，晶界、孔隙和位错等毛病越少。
而加大镍层厚度的改进事理是，镍晶体在成长过程中逐步终年夜，镍层厚度越厚，与金层打仗的表层镍的晶体就越大，从而可减少表层的晶界、孔隙和位错等毛病。
作者利用佛山华智芯电子科技有限公司供应的低电流密度（金层厚度 0.3m ～ 0.5m，镍层厚度3~5m）管壳样品和加大镍层厚度（金层厚度 0.3m ～ 0.5m，镍层厚度 9~12m）管壳样品进行验证，250℃ 2h 后焊线，低电流密度管壳样品和加大镍层厚度管壳样品的焊线均匀拉力值分别为 8.18g、9.04g，CPK 值分别为 1.94、2.08，比拟正常产品，焊线质量有明显提升。
但需把稳的是，此类方法对电镀生产效率及电镀本钱有一定影响，在详细运用的过程中须要综合生产效率和电镀质量考虑。

还有一种方法是改进电镀过程中的搅拌方法。
从广义上来说，凡是导致电解液作各种流动的办法，都成为搅拌。
在电镀过程中，搅拌除了加速溶液的稠浊和使温度、浓度均匀同等外，还促进物质的通报过程，因此，大部分电镀工艺都采取了搅拌技能。
搅拌是如何影响镀层质量的呢？在谈论此问题前，先先容常用的搅拌的办法 ：（1）阴极移动 ；（2）空气搅拌 ；（3）镀液循环 ；（4）磁力搅拌 ；（5）超声搅拌 ；（6）螺旋桨搅拌。
对付不同的电镀厂，会按产品详细需求采取不同的搅拌办法，但是，搅拌越剧烈，越随意马虎使电镀过程中晶粒的成长变细，导致镀层存在更多的晶界、孔隙和位错等毛病。
因此，挑选搅拌方法和设定搅拌参数的过程中应只管即便谨慎，在只管即便担保镀液均匀的条件下，选择较平缓的搅拌办法，降落搅拌的剧烈程度。

2.3  镀层表面附膜

为避免外部堕落性身分通过金层微孔对镍层产生堕落，可以对镀层表面进行附膜处理，自组装单分子层膜（SAMs）在改进金属的堕落性能方面表现出了良好的效果。
SAMs 排列致密和稳定构造，且具有一定的疏水性，自组装过程不受金属表面形状的影响，可有效地防止大气或溶液中水分子、氧分子、其它环境污染气体和电子向金属表面的迁移和传输。
这些有机分子被吸附在其表面，形成有序的构造域。
SAMs 与底物之间的相互浸染可能或多或少地密集，这取决于分子是否具有具有强亲和力的头基团，将分子锚定在底物上。
SAMs 可以改变薄膜的孔隙率，从而提高耐堕落性，在 Cu/Ni/Au 多层体系中，如果这些分子在衬底的孔隙中积累，它们可以限定阻挡层对堕落性介质的可及性。
但须要把稳的是，选用的防护膜不能妨碍引线和焊盘间金属间化合物的形成，否则会对引线键合性能造成负面影响。

作者利用南京陌上化工公司的金保护试剂 Au-Sealing 785进行 验 证，将 金 保 护 试 剂 按 4% 比 例 与 纯 水 进 行 稀 释，使 用佛山 华 智 芯 电 子 科 技 有 限 公 司 提 供 的 管 壳 产 品（ 金 层 厚 度0.3m ～ 0.5m）在稀释液中浸泡 60s 后取出吹干，然后进行高温烘烤（250℃ 2h）和引线键合验证。
结果表明，经附膜处理的焊线均匀拉力值为 8.49g，CPK 值为 2.40。
可见，进行了金保护处理的镀金产品，纵然是经由高温烘烤后仍能保持较好的拉力值，解释高温下的镍氧化受到了明显抑制。

2.4  引线键合前处理

为理解决高温烘烤后镍层氧化扩散的问题，有的半导体封装厂会在引线键合前增加一道等离子处理步骤。
等离子处理的事理是利用对气体施加足够的能量使之离化成为等离子状态，等离子体的能量较高，一样平常约为几个至几十电子伏特，这些粒子很随意马虎和产品表面的污染物进行反应，终极形成二氧化碳和水蒸气被排出去。
通过利用不同的处理气体，可以授予等离子体氧化或还原的特性。
因此，焊盘的等离子处理可利用还原性气体进行，一样平常组成为 95% 的氩气和 5% 的氢气。
等离子处理过程中，分子态的氢气被转化为等离子态的原子氢，原子氢撞击镀层的表面，可以在比较低的温度下还原稳定的氧化物。
需把稳的是，等离子处理最好采取射频电源进行，利用中频电源进行的等离子处理稳定性不敷，随意马虎对焊盘造成负面影响。

作者 将 经 过 200 ℃ 2h 烘 烤 的 管 壳（ 金 层 厚 度0.3m ～ 0.5m）进行等离子处理，等离子处理设备为 SPV-60（东莞市晟鼎精密仪器有限公司），处理功率 600W，处理韶光 400s。
结果显示，经等离子处理的焊线均匀拉力值为 9.39g，CPK 值为2.26。
等离子处理后的管壳引线拉力值规复到未烘烤管壳的水平，解释还原性气体等离子处理对付改进镍层氧化导致的引线键合不良问题具有良好浸染。

等离子处理能有效改进镍的微氧化导致的焊线质量不良问题，但是，等离子处理对焊盘表面的氧化镍的还原效果有一定的局限性，当焊盘的镍氧化程度过于严重时，纵然进行等离子处理也不能达到较好的焊线效果。
为探究等离子处理对改进焊盘打线性能的有效程度，作者将管壳烘烤温度从 200℃提高至 250℃，其他条件不变。
管壳烘烤后进行等离子处理，处理功率为 600W，处理韶光为 400s。
等离子处理后进行焊线测试。
结果显示，经等离子处理的焊线均匀拉力值为 4.27g，CPK 值为 0.68，比拟 200℃烘烤的管壳焊线质量低落明显，解释等离子处理对较严重的镍氧化情形改进效果有限。

3  结论

焊盘高温烘烤后引线键合不良的根本缘故原由，是烘烤过程中外界的堕落性气体通过金层孔隙打仗到镍层，导致镍层氧化扩散到金层表面，阻碍金层与引线间形成金属间化合物。
为办理此问题，根本上来说，是要只管即便减少镀层表面的氧化镍，从而使金层合引线间可以形成良好的结合。
按此思路，作者进行了一系列试验，并得出以下结论 ：

（1）通过增加金层厚度，可以降落金层的孔隙率，并延长金层孔隙通道的长度，从而防止高温烘烤过程中外界的堕落性气体穿透金层打仗到镍层，使镍层发生氧化。
因此，增加金层的厚度可有效改进焊盘高温烘烤后发生的焊线质量明显低落的问题。
但需把稳的是，增加金层厚度会明显增加产品镀覆本钱，降落产品竞争力，因此并不推举进行此项改进。

（2）镍磷镀层比纯镍镀层具有更好的抗堕落、抗氧化性能，通过利用镍磷镀层替代纯镍镀层，镀层高温烘烤后的氧化扩散较少，引线拉力没有明显低落。

（3）通过调度镀镍参数，可以改进表面镍层的晶体描述，减少镀层的晶界、孔隙和位错等毛病，由于金层毛病较大程度上受基材毛病的影响，以是减少镍层的毛病可以降落金层的孔隙率，防止高温下镍层打仗空气氧化扩散。
需把稳的是，调度电镀参数对电镀生产效率及电镀本钱可能会带来一定影响，在详细运用的过程中须要综合生产效率和电镀质量考虑。

（4）通过改进镀镍过程中的搅拌方法，可以改进镍层的晶体描述，从而改进后续电镀过程中成长在其上的金层描述，降落高温过程中镍层发生的氧化征象，提高焊盘高温烘烤后的焊线质量。

（5）在镀层表面增加一层保护膜可以有效防止高温下外界气体打仗镀层，从而防止镍层被氧化，但须要把稳保护膜不能影响引线键合性能 ；

（6）在引线键合前对镀层进行等离子还原处理，可以使已氧化的镍还原至烘烤前的状态，也能有效改进引线键合性能。