内容发布更新时间 : 2024/5/18 12:03:58星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
混合集成电路的外引线键合技术
混合集成电路的外引线键合技术
1.引言 混合集成电路多采用引线键合的方式实现基板与管壳引线柱之间的互连，即混合电路的外引线键合。实现外引线键合的方式通常有以下几种；SiAl丝超声焊、Au丝热压焊、Au丝球焊、Au丝点焊、粗Al丝超声焊、Cu丝超声焊和Cu丝点焊等。与混合集成电路内引线键合不同，外引线键合时，键合丝的1端在厚膜或薄膜的金属化层上，另一端不在IC芯片上，而在管壳的引线柱上。有关内引线键合研究的文献报道很多
[1][2][3]。大家从键合的机理、键合工艺、键合机器、键合丝材料以及IC的金属化层、薄膜金属化层、厚膜金属化层等各个不同的角度对内引线键合的质量进行研究。对引线键合可靠性的研究基本上都集中在金属间化合物的形成、生长，金属焊区的清洗等方面。有关外引线键合的研究，大多都集中在金属管壳的镀层结构、材料和镀层厚度对键合质量的影响[4]。本文针对混合集成电路的外引线键合，对不同的键合工艺及其对应的金属学系统进行研究，并对Au丝球焊、Au丝点焊和SiAl丝超声焊的结果进行了对比，认为采用Au丝点焊工艺键合混合电路外引线的效果最佳。 2.实验方法 选取某电路所用的基片和配套的TP13管壳13套，管壳的引脚采用可伐镀金工艺。采用正常的组装工艺进行操作。制作实验用的电路样品，每只样品有10个外引线镀金引脚。在每1只实验样品中，分别采用40μm的SiAl丝超声焊、40μm的Au丝球焊和40μm的Au丝点焊3种键合方式进行键合。其中每个实验样品中，SiAl丝超声焊和Au丝点焊各3个外引线引脚，Au丝球焊4个外引线引脚。键合完成后，抽取1只样品在室温下做破坏性键合强度实验，剩余的12只样品分为3组，每组4只样品，分别做300℃、1h，300℃、2h和300℃、3h的高温存贮实验。然后再做破坏性键合强度实验，对比3种键合方式的键合强度的实验结果。 3.实验结果 采用上述3种键合方式键合的样品，经过常温和300℃不同时间存贮后的键合强度值如表1所示。表1中，失效模式正常是指从键合点的颈部或键合丝的中部断裂。镀金层脱焊是指从外引线柱顶端的镀金层处脱落。表1 3种键合方式的键合强度的比较 样品 金丝焊球 金丝热压焊 硅铝丝超声焊 常温 1＃ 14.712.813.715.5 13.613.215.0 11.813.614.3 300℃1h 2＃ 13.715.114.411.5 12.912.011.5 1.00.42.2 3＃ 14.615.213.514.4 12.514.514.5 0.40.60.1 4＃ 15.317.915.516.2 13.516.115.1 0.30.30.5 5
＃ 13.916.115.217.0 10.111.618.0 0.80.50.9 300℃2h 6＃ 14.013.515.112.9 15.014.614.3 1.10.91.3 7＃ 16.316.414.114.3 18.318.218.7 2.41.41.6 8＃ 12.212.816.716.2 17.313.415.0 0.80.52.2 9
＃ 15.315.615.715.8 21.017.116.4 3.41.61.7 300℃2h 10＃ 16.313.711.913.8 14.413.914.3 1.70.30.3 11＃ 13.915.64.815.2 18.313.010.4 0.50.21.5 12＃ 15.213.811.312.7 14.110.215.0 0.30.90.8 13
＃ 13.111.14.813.4 22.622.614.5 1.80.20.0 失效模式 正常 正常 镀金层脱焊 常温时，Au丝球焊，Au丝点焊和SiAl丝超声焊3种键合方式的键合强度平均值几乎没有差别，分别为14.18gf，13.93gf和13.20gf。经过300℃、1h的高温存贮后，
Au丝球焊和Au丝点焊的键合强度值基本不变，分别为14.97gf和13.69gf，但是SiAl丝超声键合的键合强度值急剧下降，从常温时的13.20gf下降到0.67gf，而且此时SiAl丝超声键合的键合强度最大值只有0.9gf，最小值为0.1gf。再经过300℃、2h的高温存贮后，Au丝球焊的键合强度值维持不变，为14.8bgf，而Au丝点焊的键合强度值有所上升，为16.60gf，SiAl丝超声键合的键合强度值依然很小，为1.58gf。经过300℃、3h的高温存贮后，金丝球焊的键合强度值开始下降，从原来的14gf下降为12.56gf，而Au丝点焊的键合强度值没有下降，为16.10gf，和300℃、2h的结果相同，SiAl丝超声焊的键合强度值出现了零克点。可见，Au丝球焊和Au丝点焊经过300℃的高温考核后，其键合强度变化较小，而SiAl丝超声键合的键合强度值急速退化，直至出现零克点。 4.分析与讨论 4.1压焊的原理 压焊是微电子器件焊接中应用最广泛的1种焊接技术。顾名思义，压焊时，被焊接的金属无论是否加热都需要施加一定的压力。金属受压后产生一定的塑性变形，而2种金属的原始交接面处几乎接近原子力的范围，2种金属原子产生相互扩散，形成牢固的焊接[5]。为了保证热压焊接能形成可靠的连接，适于热压焊接的金属材料有以下几类： （1）在固态时可形成一系列的固熔体，并具有良好的相互扩散能力的金属材料，如AgAu、AuCu等。 （2）相互间可形成低温固熔体的材料，如AlSi、AuSi等。 （3）通过相互扩散作用，能形成金属间化合物或低共熔点的合金，如AuAl、AuSn等。 热压焊时，由于被焊接的金属不需要象熔焊那样全部熔融，也不需要象钎焊那样添加任何填料，所以AuAu系统、AuAl系统和全铝系统的点焊、热压焊技术已经广泛地应用在微电子技术中。 4.2引线键合强度的退化机理 无论是金丝和铝金属化层还是铝丝和金的金属化层的键合都会形成AuAl金属化间化合物。 金和铝接触时生成的金属间化合物共有5种：Au4Al、Au5Al2、Au2Al、AuAl和AuAl2。通常由于金含量远多于铝含量，故在AuAl键合界面处观察到的金属间化合物只有3种或4种，即Au4Al、Au5Al2、Au2Al和AuAl2。当Au的含量高时，即靠近外引柱镀金层的富Au区，Au4Al是主要的合金相，当Al的含量相对高时，即靠近Al丝的富Al区，主要生成的是AuAl2。当Au和Al的含量相当时，就会产生AuAl和AuAl2。其中AuAl2呈紫色，俗称“紫斑”，是1种良导体，300K时，其电阻率是8×10－6Ω·cm，熔点为1060℃。Au2Al颜色呈白色，俗称“白斑”，是1种很脆的绝缘体，熔点只有624℃。由于“白斑”Au2Al的危害更大，更具脆性，所以对焊点的可靠性危害更大。由于这些金属间化合物的晶格常数不同，机械性能和热性能也不同，故反应时会产生物质移动，从而在界面层形成可见的Kirkendal洞或产生龟裂，从而易在此处引起焊点失效。随着时间的延长和温度的提高，金属间化合物的厚度会逐渐增加，其增长状态满足下列简单的扩散关系： X2=Dt(1) 式中，X是扩散深度；D是扩散系数；t是扩散时间。 表2列出实测的Au-Al金属间化合物厚度随高温处理呈现增长的情况〖7〗。 表2 Au-Al金属间化合物厚度的增长 温度/℃ 加热时间/min 厚度/μm 温度/℃ 加热时间/min 厚度/μm 300 2 35 250 8 21 300 4 44 250 10 23 300 8 50 200 6 8.9 300 10 60 200 8 9.9 250 2 14 200 10 10.9 250 4 17 显然，要提高Au-Al系统的键合强度，一定要想方设法控制和减少Au-Al金属间化合物的不断生长。4.3实验结果分析 4.3.1金丝球焊 金丝球焊采用衬底加热，将金丝的1端烧成球，在一定的压力和温度下，使得金球和外引线柱上的镀金层形成牢固的键合。由于AuAu系统中没有其他物质生成，所以经过300℃、2h的高温存贮后，其键合强度值没有变化。但是由于外引线柱表面镀金层中的杂质和镀金层表面吸附的有机物不能在键合时有效地剔除，导致300℃、长时间的高温存贮后键合强度下降，如图1所示。 4.3.2金丝点焊 金丝点焊属于1种电阻焊，也叫接触焊。在点焊过程中，需要对被焊接的金属施加一定的压力和热量，使被焊接的金属产生足够的塑性变形，并使焊区金属局部熔化，当热源消
失以后，熔融的金属在继续施加的压力作用下凝固，形成牢固的焊接。由于点焊时两种金属都被熔化，点焊的中心由凝固的金属组成，所以300℃、1h后金丝点焊的键合强度没有变化。经过300℃、2h的高温贮存后，Au原子的相互扩散得以加强，金属熔融得更加充分，金丝点焊的键合强度从300℃、1h后的13.69gf增加到16.60gf。再延长时间，其键合强度维持不变。4.3.3 SiAl丝超声焊 根据上述分析结果，Au-Al键合系统会产生多种金属间化合物，尤其是“白斑”Au2Al的生成和金属与金属间化合物的界面处产生的Kirkendahl洞对键合点的键合强度损害最大。随着温度的升高和时间的延长，金属间化合物也在生长，同时Kirkendahl洞及其周围的裂纹也在扩展，导致了Si-Al丝超声焊在外引线镀金层表面键合点的键合强度从常温时的13.20gf急剧下降到300℃、1h后的
0.66gf。另外，镀金层中的杂质以及镀金层表面吸附的有机物也加剧了Au-Al系统中金属间化合物和Kirkendahl洞在高温存贮后的生长。在引线柱上进行超声键合时，由于引线柱的振动，超声能量不能集中，能量损失较大，也是造成键合强度不高的原因之一。 5.结论 经过上述的实验结果和分析讨论，可以得出以下结论。对于混合集成电路镀金外引线的键合，金丝点焊、金丝球焊和Si-Al丝超声焊都能满足要求。但是，金丝点焊和金丝球焊要优于Si-Al丝超声焊，其中，经过高温、长时间存贮后，金丝点焊的结果要优于金丝球焊。
金丝和AL PAD焊接微观变化
无论是金丝和铝金属化层还是铝丝和金的金属化层的键合都会形成AuAl金属化间化合物。 金和铝接触时生成的金属间化合物共有5种：Au4Al、Au5Al2、Au2Al、AuAl和AuAl2。通常由于金含量远多于铝含量，故在AuAl键合界面处观察到的金属间化合物只有3种或4种，即Au4Al、Au5Al2、Au2Al和AuAl2。当Au的含量高时，即靠近外引柱镀金层的富Au区，Au4Al是主要的合金相，当Al的含量相对高时，即靠近Al丝的富Al区，主要生成的是AuAl2。当Au和Al的含量相当时，就会产生AuAl和AuAl2。其中AuAl2呈紫色，俗称“紫斑”，是1种良导体，300K时，其电阻率是8×10－6Ω·cm，熔点为1060℃。Au2Al颜色呈白色，俗称“白斑”，是1种很脆的绝缘体，熔点只有624℃。由于“白斑”Au2Al的危害更大，更具脆性，所以对焊点的可靠性危害更大。由于这些金属间化合物的晶格常数不同，机械性能和热性能也不同，故反应时会产生物质移动，从而在界面层形成可见的Kirkendal洞或产生龟裂，从而易在此处引起焊点失效。