王曉珍，傅 莉，李亞鵬，李林峰

(西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072)

隨著集成電路的發(fā)展，先進(jìn)封裝技術(shù)不斷發(fā)展變化以適應(yīng)各種半導(dǎo)體新工藝和新材料的要求和挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體封裝內(nèi)部芯片和外部管腳以及芯片之間的引線鍵合，決定了器件信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，成為整個(gè)封裝過(guò)程中的關(guān)鍵[1]。引線鍵合以工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低廉、適用多種封裝形式而在連接方式中占主導(dǎo)地位，目前所有封裝管腳的90%以上都采用引線鍵合連接[2?3]。引線鍵合工藝主要分為3種：熱壓鍵合、超聲波鍵合與熱壓超聲波鍵合；鍵合的基本形式有兩種：球鍵合和楔鍵合，其中應(yīng)用最為廣泛的是熱壓超聲Au絲球鍵合[4?5]。由于鍵合技術(shù)所涉及的學(xué)科非常廣泛，且鍵合過(guò)程速度快、時(shí)間短、鍵合面小，國(guó)內(nèi)外關(guān)于其機(jī)理的研究結(jié)論并不統(tǒng)一，主要包括摩擦熱鍵合機(jī)理[6]、位錯(cuò)與變形機(jī)理[7]和微觀滑移機(jī)理[8]等。目前，研究人員已經(jīng)將微動(dòng)力學(xué)理論應(yīng)用在引線鍵合機(jī)理解釋方面，試圖找出它們之間的關(guān)聯(lián)，推動(dòng)了引線鍵合技術(shù)的發(fā)展[9]。

M IT是一種新型的用于近紅外光電探測(cè)的Ⅱ-Ⅵ/Ⅲ-Ⅵ 族化合物半導(dǎo)體材料，它具有較高的光導(dǎo)量子效率、良好的溫度穩(wěn)定性和抗輻射性能。基于金屬/M IT接觸特性制備出的非制冷短波紅外探測(cè)器，在航空制導(dǎo)技術(shù)、太空與航天探測(cè)技術(shù)等國(guó)防領(lǐng)域，以及光纖通信、核電站安全監(jiān)測(cè)等民用領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景[10?12]。M IT紅外探測(cè)器芯片與外部管腳的引線鍵合質(zhì)量直接決定著光電信號(hào)輸出的可靠性。影響引線鍵合可焊性與可靠性的因素很多，從焊接設(shè)備來(lái)看，它與超聲功率、鍵合壓力和鍵合時(shí)間等有關(guān)；從芯片焊接表面來(lái)看，它與被鍵合表面清潔度、材料性質(zhì)和處理工藝等有關(guān)[13]。超聲功率和鍵合壓力對(duì)鍵合質(zhì)量和外觀影響最大，而半導(dǎo)體與金屬電極接觸界面特性差、電極強(qiáng)度低、均勻性不好、表面有污染等也會(huì)造成可焊性與可靠性嚴(yán)重降低[14]。由于M IT晶體具有強(qiáng)度低、脆性大的特點(diǎn)，使其接觸電極與外引線很難實(shí)現(xiàn)可靠性的連接，目前尚未見(jiàn)到有關(guān)的研究報(bào)道。本文作者擬通過(guò)改變金屬電極厚度和組成來(lái)提高M(jìn) IT接觸電極與外引線的鍵合成功率，同時(shí)探索了鍵合工藝參數(shù)對(duì)第一焊點(diǎn)外觀形貌和鍵合強(qiáng)度的影響規(guī)律，優(yōu)化M IT芯片引線連接工藝方案，可為實(shí)現(xiàn)M IT芯片引線鍵合的可靠性和紅外探測(cè)器的制備提供理論和實(shí)踐的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 MIT晶片的表面處理與電極制備

本實(shí)驗(yàn)中所采用的M IT晶體由垂直布里奇曼法生長(zhǎng)，將生長(zhǎng)好的晶錠沿著垂直于軸向切割成5 mm×5mm×1mm的晶片，并對(duì)其進(jìn)行機(jī)械拋光以獲得光滑潔凈的表面，然后用2%Br2-C3H7NO(體積分?jǐn)?shù))溶液化學(xué)拋光2min去除表面的機(jī)械損傷層，減少表面粗糙度。實(shí)驗(yàn)采用Dimension Icon型原子力顯微鏡(Atomic forcem icroscope,AFM)觀察晶片化學(xué)拋光前后的表面形貌。對(duì)拋光后的晶片依次采用丙酮、去離子水超聲清洗，氮?dú)獯蹈珊螳@得干凈無(wú)污染的晶片表面。采用HHV Auto 306型真空熱阻蒸發(fā)鍍膜儀制備金屬電極，電極鍍層制備過(guò)程中真空度優(yōu)于1×10?5mbar，蒸發(fā)速率約為1.4?/s，制備的金屬化層致密且均勻，膜層厚度由鍍膜儀所配制的晶振片監(jiān)測(cè)。本實(shí)驗(yàn)中通過(guò)金屬電極厚度及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來(lái)提高鍵合率，實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)電極分別是：0.7、0.8和1.0μm 的Au電極及0.2μm In+1.0μm Au組成的復(fù)合電極。

1.2 MIT金屬電極與引線的鍵合

采用F&K公司5310熱壓超聲焊機(jī)實(shí)現(xiàn)M IT金屬電極與金引線的球?楔鍵合，本實(shí)驗(yàn)中，采用為直徑25μm加入微量合金元素的金絲，鍵合過(guò)程中，先用高壓電火花使金絲在劈刀外的伸出部分熔化，同時(shí)在表面張力作用下熔融金屬凝固形成標(biāo)準(zhǔn)球形。通過(guò)劈刀向金屬球施加壓力，同時(shí)在超聲波的作用下，在金球和芯片電極金屬之間發(fā)生塑性變形，且伴隨著原子間互擴(kuò)散，完成第一焊點(diǎn)的鍵合[15?20]。然后劈刀運(yùn)動(dòng)到第二鍵合位置，通過(guò)劈刀外壁對(duì)金屬線施加壓力以楔焊的方式完成第二焊點(diǎn)的鍵合。本實(shí)驗(yàn)中對(duì)制備的不同厚度和結(jié)構(gòu)的電極表面分別鍵合20次，并記錄鍵合成功次數(shù)，計(jì)算出鍵合率。通過(guò)ESCALAB 250Xi型X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)儀分析了In/Au復(fù)合電極與M IT界面元素間的互擴(kuò)散現(xiàn)象，推測(cè)促進(jìn)鍵合過(guò)程形成的原因。

1.3 MIT焊點(diǎn)形貌及鍵合強(qiáng)度的表征

通過(guò)ZEISSSUPRA場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(Field emission scanning electronmicroscopy,SEM)觀察 MIT金屬電極與引線熱壓超聲鍵合第一焊點(diǎn)的微觀形貌，通過(guò)觀察焊球變形的大小和計(jì)算焊球與引線的直徑比表征鍵合質(zhì)量的優(yōu)劣。對(duì)鍵合成功的試樣用引線鍵合拉力測(cè)試儀進(jìn)行拉力測(cè)試，通過(guò)引線斷裂的位置評(píng)價(jià)外引線與金屬電極的結(jié)合強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)拋光對(duì)表面形貌的影響

圖1所示為機(jī)械拋光和化學(xué)拋光后M IT晶片的表面形貌。由圖1(a)可見(jiàn)，機(jī)械拋光后晶片表面存在一些細(xì)微的劃痕和較多的機(jī)械損傷層，這些機(jī)械損傷會(huì)造成晶格畸變和應(yīng)力集中，導(dǎo)致金屬與半導(dǎo)體間結(jié)合性變差，從而使鍵合率降低、可靠性減小。而采用2%Br2-C3H7ON化學(xué)拋光2min后表面粗糙度由機(jī)械拋光后的3.80 nm降低為2.41 nm，如圖1(b)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：化學(xué)拋光可以有效地去除M IT晶體表面的機(jī)械損傷層，降低M IT晶體表面的粗糙度，從而使蒸鍍的金屬電極表面平整且均勻性好，同時(shí)，改善金屬電極與半導(dǎo)體間的接觸特性，減少焊接表面對(duì)鍵合質(zhì)量的影響。

圖1 不同表面處理狀態(tài)下M IT晶片的表面形貌Fig.1 Surface morphologies of MIT wafer under different surface treatments:(a)Mechanical polishing;(b)Chem ical polishing by 2%Br2-C3H7NO for about2m in

2.2 復(fù)合電極設(shè)計(jì)對(duì)鍵合率的影響

金屬電極的強(qiáng)度、厚度、金屬電極與芯片及引線間的結(jié)合強(qiáng)度、金屬間化合物的形成等對(duì)連接的可焊性和可靠性都會(huì)產(chǎn)生重要影響。在引線鍵合過(guò)程中，如果金屬電極的強(qiáng)度低且厚度較薄將會(huì)對(duì)電極下面的半導(dǎo)體材料造成一定的損傷，即焊盤出坑。據(jù)文獻(xiàn)[15]，0.6μm以下厚度的金屬電極可能存在問(wèn)題，1～3 μm厚的金屬電極焊盤損傷比較小，這是因?yàn)殡S鍍層厚度的增加，芯片受到的壓應(yīng)力和剪切力逐漸減小[15,21]。通常，芯片與金屬電極、金屬電極與引線間結(jié)合力差會(huì)使金屬電極與引線間難以實(shí)現(xiàn)完整的鍵合；即使鍵合成功后也會(huì)在器件使用過(guò)程中因結(jié)合力差而使引線與金屬電極間脫焊；焊盤金屬間化合物的形成使鍵合強(qiáng)度降低、變脆，易造成碎裂而脫鍵，同時(shí)它使導(dǎo)電性能下降、接觸電阻增大，從而造成器件的光電性能退化。

由于Au-Au系統(tǒng)可靠性非常好，不存在界面腐蝕和金屬間化合物形成等問(wèn)題，因而，本實(shí)驗(yàn)中選用Au電極。另外，考慮金屬電極厚度和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性兩方面的因素，Au電極厚度從0.7μm開始熱壓超聲鍵合。實(shí)驗(yàn)中M IT芯片金屬電極與金絲引線鍵合的工藝參數(shù)為：鍵合壓力0.6N，超聲功率0.6W，超聲時(shí)間30 ms，弧高895μm，弧長(zhǎng)1085.6μm，室溫下鍵合。在此工藝參數(shù)下，0.7、0.8和1.0μm的Au電極和1.2μm In/Au復(fù)合電極的鍵合率如表1所列。

表1 MIT金屬電極厚度和結(jié)構(gòu)對(duì)其引線間鍵合率的影響Table 1 Influences of MIT metal electrode thickness and structure on bonding ratio

當(dāng)Au電極厚度為0.7μm時(shí)，未鍵合成功的焊點(diǎn)失效形貌如圖2(a)所示，由于金屬電極層過(guò)薄，劈刀下壓過(guò)程中膜層被破壞，且由于M IT屬于脆性材料，因而會(huì)對(duì)M IT芯片造成損傷，出現(xiàn)焊盤出坑現(xiàn)象。當(dāng)Au電極厚度為1.0μm時(shí)，未鍵合點(diǎn)形貌出現(xiàn)如圖2(b)所示的現(xiàn)象，即Au電極被金球剝離。引起這種現(xiàn)象的主要原因是Au電極與M IT晶體間的熱膨脹系數(shù)相差很大，20℃時(shí)M IT熱膨脹系數(shù)為?2.6×10?6K；而Au的熱膨脹系數(shù)為14.7×10?6K，Au電極層與M IT晶片間產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低了Au與M IT間的結(jié)合力。因此，在引線鍵合的過(guò)程中，極易使引線與金屬電極間脫焊。為了提高金屬電極與M IT芯片間的結(jié)合力，實(shí)驗(yàn)中以蒸鍍0.2μm In作為中間過(guò)渡層制備In/Au復(fù)合電極。為了進(jìn)一步研究作為過(guò)渡層的In與Au電極相互作用機(jī)制，通過(guò)XPS深度剖析對(duì)Au/In/M IT接觸的金屬電極界面Au和In的芯能級(jí)進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出：隨著刻蝕時(shí)間遞增，Au 4f峰值急劇遞減，而In 3d峰值緩慢降低，且Hg 4f、Te 3d峰值出現(xiàn)。另外，從圖3可以得知，In/Au界面處所有元素的結(jié)合能并未發(fā)生偏移，因而可以推測(cè)在In/Au界面處并未形成金屬間化合物。綜合上述分析可以推測(cè)In在Au電極和M IT界面都存在顯著的擴(kuò)散，這種擴(kuò)散現(xiàn)象不僅提高了In/Au復(fù)合電極與M IT芯片間的結(jié)合力，而且有利于使鍵合過(guò)程中所施加的鍵合壓力在In過(guò)渡層中緩沖，減小內(nèi)應(yīng)力，從而使鍵合率和鍵合質(zhì)量大大提高[22]。因此，In/Au復(fù)合電極是較佳的金屬電極組成，在本實(shí)驗(yàn)條件下，其復(fù)合電極的鍵合率可達(dá)到100%(見(jiàn)表1)。

圖2 MIT金屬電極與引線未鍵合的焊點(diǎn)形貌Fig.2 SEM morphologies of failure joints between MIT metal electrode and down-lead w ire:(a)Pit on die;(b)Metal electrode peeling

圖3 Au/In/M IT界面的XPS全譜Fig.3 Survey XPS spectra of Au/In/M IT interface(Black line representing Ar+etching at interface about 30 s and red line representing etching about120 s)

2.3 鍵合工藝參數(shù)對(duì)第一焊點(diǎn)形貌及鍵合強(qiáng)度的影響

通常超聲功率和鍵合壓力對(duì)鍵合質(zhì)量和焊球外觀形貌影響最大，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致金球小，使引線與金屬電極間無(wú)連接，過(guò)大容易導(dǎo)致芯片破裂或內(nèi)部出現(xiàn)裂紋。一般超聲功率和鍵合壓力是一對(duì)相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)，增大超聲功率需要增大鍵合壓力使超聲能量通過(guò)鍵合工具傳遞到鍵合點(diǎn)處，過(guò)大的鍵合壓力會(huì)阻礙鍵合工具的運(yùn)動(dòng)，抑制超聲能量的傳導(dǎo)，導(dǎo)致污染物和氧化物被推到鍵合區(qū)域的中心，形成中心未鍵合區(qū)域[23?24]。焊點(diǎn)的外觀是評(píng)價(jià)鍵合質(zhì)量最簡(jiǎn)單直接的定性方法，對(duì)于球鍵合，標(biāo)準(zhǔn)且形態(tài)良好的球一般鍵合質(zhì)量較好，可靠性較高，通過(guò)SEM觀測(cè)焊點(diǎn)外形，可初步判斷鍵合質(zhì)量的優(yōu)劣。標(biāo)準(zhǔn)且形態(tài)良好的球應(yīng)具有以下特點(diǎn)：第一焊點(diǎn)焊球直徑為引線直徑的3～3.5倍，厚度適中且焊球與線弧過(guò)渡平滑[5,23]。本實(shí)驗(yàn)在超聲時(shí)間為30ms條件下，獲得超聲功率和鍵合壓力對(duì)M IT復(fù)合電極表面焊球與引線的直徑比的影響規(guī)律如表2所列。

表2 不同鍵合工藝參數(shù)下M IT復(fù)合電極表面焊球與引線的直徑比Table 2 Diameter ratio of golden ball and w ire on surface of MIT composite electrodew ith differentbonding parameters

從表2可以看出，隨著超聲功率和鍵合壓力的增加，焊球與引線的直徑比逐漸增大。這是由于隨著超聲功率和鍵合壓力的增加，金球和M IT芯片電極金屬間塑性變形增大，使得焊球與引線的直徑比略有增加。另外，超聲功率與鍵合壓力對(duì)第一焊點(diǎn)焊球的外觀形貌也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)鍵合壓力為0.5～0.6N，超聲功率為0.45～0.55W時(shí)，焊球與引線的直徑比約為3.5，焊球變形適中，飽滿且層次分明，如圖4(a)所示，說(shuō)明此時(shí)有效鍵合面積較大，鍵合強(qiáng)度較高，焊點(diǎn)結(jié)合均勻牢固且產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象較小。當(dāng)鍵合壓力增加到0.8～0.9N、超聲功率增加到0.75～0.85W時(shí)，焊接區(qū)域變大，焊球與引線的直徑比達(dá)到4.2左右，焊球變形較大，金球坍塌且形狀已偏離標(biāo)準(zhǔn)的半球狀，如圖4(b)所示，說(shuō)明此時(shí)引線與金屬電極間形成了過(guò)鍵合，局部產(chǎn)生了較大塑性變形與殘余應(yīng)力，導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度降低。本實(shí)驗(yàn)預(yù)先選定鍵合壓力為0.5N，超聲功率分別為0.35、0.45和0.55W；在固定超聲功率為0.45W時(shí)，鍵合壓力分別為：0.4、0.5和0.6N，觀察焊點(diǎn)外觀形貌，計(jì)算焊球與引線的直徑比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在這兩種鍵合工藝條件下，焊點(diǎn)形貌與直徑比幾乎沒(méi)有變化，這說(shuō)明超聲功率和鍵合壓力是一對(duì)相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)，兩者需協(xié)調(diào)改變，才能達(dá)到最好鍵合的目的。

圖4 鍵合工藝參數(shù)對(duì)鍵合點(diǎn)形貌及鍵合質(zhì)量的影響Fig.4 Effects of bonding parameters on morphology and bonding quality of w ire bonding joints:(a)Bondingmass 50 g,USpower0.45W;(b)Bondingmass 90 g,USpower 0.85W

對(duì)不同工藝參數(shù)下的鍵合成功的試樣進(jìn)行拉力測(cè)試，通過(guò)觀察鍵合失效位置可以分析出失效的原因如下。若失效位置斷裂在引腳(Heel)處，說(shuō)明鍵合過(guò)程中選用的焊接參數(shù)偏小，造成鍵合不充分；若失效位置斷裂在引線頸部(Neck)，說(shuō)明鍵合過(guò)程中做球參數(shù)選擇以及做球操作等不合適，或著參數(shù)偏大引起金絲損傷而導(dǎo)致失效；若斷裂位置在引線(Wire)處，此處為拉力失效實(shí)驗(yàn)正常斷裂的位置，說(shuō)明鍵合過(guò)程中焊接參數(shù)選擇較優(yōu)，鍵合質(zhì)量較好；若斷裂位置在焊盤(Pad)上，說(shuō)明焊接時(shí)參數(shù)選擇偏大，使芯片焊盤損傷[13]。圖5所示為采用表2所示鍵合工藝參數(shù)時(shí)，M IT復(fù)合電極與引線鍵合失效位置統(tǒng)計(jì)圖。從圖5可以看出：當(dāng)鍵合壓力和超聲功率較小時(shí)，在Heel位置斷裂的幾率較大；當(dāng)鍵合壓力為0.5～0.6N、超聲功率為0.45～0.55W時(shí)，鍵合失效位置約90%以上斷裂在引線位置處，表明此時(shí)焊球與金屬電極間的結(jié)合力較強(qiáng)，鍵合強(qiáng)度較高，可靠性較好；當(dāng)鍵合壓力和超聲功率分別大于0.7N和0.65W 時(shí)，在Neck位置斷裂的幾率增大，這跟選取的鍵合工藝參數(shù)偏大有關(guān)。

圖5 MIT復(fù)合電極與引線鍵合失效位置統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Bonding failure chartsof MIT composite electrode and down-lead wire underbonding parametersof Table 2

3 結(jié)論

1)經(jīng)2%Br2-C3H7NO化學(xué)拋光2m in后的M IT晶片，表面粗糙度由機(jī)械拋光后的3.80 nm降低為2.41 nm，表面機(jī)械損傷層被明顯去除，化學(xué)拋光能有效地減小晶格畸變與應(yīng)力集中，改善制備金屬電極的平整度與均勻性，提高金屬電極與M IT的接觸特性。

2)金屬電極的厚度、金屬電極與M IT間的結(jié)合力對(duì)鍵合率的影響至關(guān)重要。金屬電極太薄，鍵合過(guò)程容易對(duì)M IT芯片造成損傷，使芯片破裂或暗裂；Au與M IT間的結(jié)合力較差，使得鍵合過(guò)程中Au電極容易被剝落，當(dāng)加入0.2μm In作為中間過(guò)渡層，同時(shí)Au膜厚度為 1.0μm制備 In/Au復(fù)合電極(0.2μm In+1.0μm Au)時(shí)，鍵合率將顯著提高，達(dá)到100%。Au/In/M IT界面XPS全譜分析結(jié)果表明，復(fù)合電極與M IT間存在一定的互擴(kuò)散促進(jìn)了鍵合過(guò)程的形成。

3)超聲功率和鍵合壓力對(duì)鍵合質(zhì)量和鍵合強(qiáng)度影響最大。若超聲功率與鍵合壓力過(guò)小，則在鍵合過(guò)程中無(wú)法產(chǎn)生足夠的塑性變形，不能形成足夠的鍵合強(qiáng)度，焊點(diǎn)不牢，易剝離脫鍵；若超聲功率與鍵合壓力過(guò)大，則焊點(diǎn)變形太大，會(huì)形成過(guò)鍵合，鍵合強(qiáng)度降低，易造成根部折斷或焊盤損傷。對(duì)于M IT芯片金屬電極與引線的熱壓超聲鍵合，當(dāng)鍵合壓力為0.5～0.6 N、超聲功率為0.45～0.55W時(shí)，焊球與引線的直徑比約為3.5，焊點(diǎn)變形適中，有效鍵合面積較大，拉力測(cè)試結(jié)果90% 以上斷裂在引線位置處，表明此種工藝參數(shù)下形成的鍵合強(qiáng)度高、可靠性好。

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