芯片铝焊盘上不同金属丝键合质量研究

金属键合丝是半导体封装中非常关键的材料，它直接影响到键合的工艺表现和互连的可靠性。以不同金属丝（金丝、钯铜丝、金钯铜丝、银丝）和芯片铝焊盘第一焊点的键合为研究对象，分析对比各金属丝作为键合丝材料本身的基本性质、与铝焊盘键合第一焊点的工艺性能、与铝焊盘键合第一焊点的可靠性，发现其工艺性能和可靠性都满足半导体封装的键合要求。可靠性试验显示，各金属丝与铝焊盘之间的金属间化合物生长速度不同，但与可靠性失效无直接关系；可靠性失效都是由于金属丝焊球与铝焊盘脱落造成的；选择不同金属丝键合可满足不同的可靠性要求。

1 引言

键合工艺是半导体封装中一道十分重要的工艺，通过键合不同的金属丝材来完成器件内部芯片和器件外部引出端的互联，使芯片的功能得以实现。虽然有其他不用金属丝材的互联技术不断出现，但目前市场上80%的封装器件仍然使用金属丝材键合的方式来完成。金属丝材作为键合工艺的关键材料，对封装器件有极其重要的影响，随着技术改进，在器件质量不变的条件下，要求材料成本越来越低，金属丝材制造商不断开发出各种类型高性价比的金属丝材，以满足封装需求。

目前市场上金属丝材主要有金丝、铜丝、钯铜丝、铝丝、金钯铜丝、银丝，各金属丝材性能及使用范围不尽相同，本文分析对比了金丝、钯铜丝、金钯铜丝、银丝在芯片铝焊盘上第一键合焊点的球焊工艺性能表现和互联可靠性。

2 各金属丝材的基本特性

金属丝作为芯片和引脚的连接材料，其本身的材料属性会影响到键合工艺和可靠性。

2.1 金属丝的电性能和热性能

在导电性上，银丝比其他的金属丝都要好，在相同直径的条件下，银丝能够承受更大的电流，对于低电流器件，承载相同电流时银丝丝径可以更细，以满足更加密集的键合设计（如芯片铝焊盘间隙、引出端节距）。在导热性上，银丝比其他的金属丝要好，这意味着银丝可以在更大程度上导出热量，提升器件的散热性，对于高功耗器件，银丝优于其他金属丝。常用的4 种金属丝的电性能和热性能如表1 所示，其中金丝为4N 金丝（金含量99.99%），银丝为银含量大于95%的合金丝。

<!--[if gte vml 1]> 2.2 金属丝的机械性能

在机械硬度方面，金丝最低。在键合过程中，金属丝烧结成的金属球在一定的压力挤压下，使金属球和芯片铝焊盘键合在一起，通常情况下芯片铝焊盘厚度小于0.8μm 时，钯铜丝和金钯铜丝硬度大，很容易出现弹坑，造成铝焊盘损坏，如果铝焊盘下面有金属布线的话，会直接造成丝路损坏，导致器件异常。在选择不同材质的焊丝时，需要根据芯片的铝焊盘材质、金属层厚度和芯片布线结构来进行选择。

在热膨胀方面，在温度发生变化时金丝变化是最小的，在选取键合丝材时要综合考虑，结合器件其他材料的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion，缩写CTE），选择CTE 最接近的以防止CTE 差别太大，在温度反复变化后造成不同材料结合面出现分离，导致我们所常说的分层现象。

屈服强度用来衡量材料发生永久形变时所能承受的力，金丝的屈服强度最小，因此最容易形变，表明金丝无论是在键合时形变还是在丝弧成型时所需的力也都是最小的。

2.3 金属丝的化学特性

在抗氧化性方面，金丝毫无疑问是最好的，烧球时金丝不需要任何保护气体，在烧球过程中不会有任何氧化现象。相比之下，钯铜丝、金钯铜丝和银丝都需要保护气体，尤其是钯铜丝和金钯铜丝，即使加入了金和钯元素，烧球时没有保护气体就会使烧结的金属球表面氧化，出现一层氧化物质，这种氧化层会造成焊丝的异常，严重影响器件引线互联的可靠性。

<!--[if gte vml 1]> 金属氧化化学式如下：

铜的氧化反应：

4Cu+O2=2Cu2O（常温）；2Cu+O2=2CuO（高温）。

银的氧化反应：2Ag+O2=2AgO。

在抗腐蚀性方面，金丝也是最好的，最不容易被腐蚀。封装模塑料中存在少量氯离子等，一旦有水汽渗透或吸附，键合的金属丝就会受到酸性腐蚀，对于抗腐蚀性差的，很容易出现器件性能异常。

3 各金属丝材的球焊工艺性能

通过以上不同金属丝与金属-氧化层-半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，缩写为MOSFET）芯片铝焊盘组成材料为99.999%铝，厚度为4μm，尺寸为130μm×130μm，第一焊点使用K&S 键合机进行键合，对比其在键合工艺上的表现。

3.1 各金属丝的成球性能

不同金属丝进行烧球，调整到烧球直径相近，大约50μm，通过电镜对比自由空气球（Free air ball，缩写为FAB），各金属丝烧球无异常，成型较好，钯铜丝、金钯铜丝、银丝在有纯氮气的保护气氛下，球未见氧化层。

3.2 金属丝第一焊点键合

由于材料不同，各种丝材在键合时的参数也不相同，为了尽量减少键合工艺参数的不同带来的影响，键合设备为K&S Iconn； 金丝使用的劈刀为SU-30100-465F-ZU36TP，钯铜丝、金钯铜丝、银丝使用的劈刀为SU2-33150-585E-RU34；氮气流量为0.5L/min，分别优化后第一焊点键合参数，其中钯铜丝、金钯铜丝、银丝在键合中使用保护气体。

3.3 金属丝键合第一焊点推拉力

进行第一焊点金属丝焊球推拉力测试，金属丝焊球推力试验参考EIA/JESD22-B116 Wire bond shear test method（焊球推力测试方法）：用推刀在焊球上进行球剥离强度测试。金属丝拉力试验参考GJB548B-2005，方法2011，试验条件D：在引线中央施加垂直芯片表面的拉力，如图3所示。

<!--[if gte vml 1]> 对比不同丝材键合后的第一焊点球推力，金丝、银丝材质较软，球推力较小且数值比较集中，个体差异比较小；钯铜丝、金钯铜丝材质较硬，推力相对较大且数值比较分散，个体差异比较大；同时，拉力数据对比也显示出同样的趋势，金丝、银丝的拉力值相对更集中，差异更小，钯铜丝、金钯铜丝拉力比较分散，个体差异比较大，如图4所示。

<!--[if gte vml 1]> 3.4 焊球移除后铝焊盘状态

金属球受到一定的压力才会和芯片铝焊盘结合，不同材质金属球的键合压力也不同，对铝焊盘产生的挤压效果也不一样。在移除金属焊球后，4种金属丝的键合铝焊盘均没有铝焊盘挤压损坏的现象，说明几种金属丝和铝焊盘键合在达到键合要求时，都不会损坏铝焊盘。

<!--[if gte vml 1]> 3.5 与铝焊盘间的金属间化合物

在高温条件下，不同金属的键合结合层之间会产生一种金属间化合物（intermetallic compound，缩写为IMC），随着时间的推移，金属间所形成的IMC也会增加变厚，这种IMC 对金属间的结合有很大的危害，会降低金属间的键合强度，严重的甚至会造成金属间脱离，出现球脱，对器件的键合可靠性影响极大，试验表明，通过高温储存试验(High temperature storage test，缩写HTST)能够极大地加速IMC的生长速度。

<!--[if gte vml 1]> 将不同金属键合材料完成焊丝后，直接放入容器中，在高温下加速IMC的生成，在高倍扫描电镜（Scanning electron microscope，缩写为SEM）下观察第一焊点不同时间段金属与铝之间的IMC的变化。扫描电镜分析显示，金-铝和银-铝键合层之间最早出现金属间化合物，同时生长速度也是比较快的，而掺杂了钯元素的钯铜丝和金钯铜丝与铝焊盘之间生成IMC很慢，这说明在铜丝中掺杂钯元素能极大地抑制IMC的生长，延长器件键合强度退化的时间，提升器件键合的可靠性。

<!--[if gte vml 1]> 对比不同丝材第一焊点焊球与铝焊盘之间的IMC 变化趋势，这些金属丝材中IMC 的生长速度排序依次为：金-铝> 银-铝> 钯铜-铝> 金钯铜-铝，IMC 在0~500 h 之间生长速度明显较快，当IMC 生长到某一厚度以后，其生长速度越来越慢，不再按时间的增加等比例增长，而是进入滞长状态。

4 不同金属丝材键合的可靠性

4.1 不同金属丝键合器件的可靠性测试

将不同的金属丝键合的器件，塑封使用G760L 模塑料，然后进行JESD22 标准商用产品等级的可靠性测试：冷热循环测试（Temperature cycle test，缩写TCT）、高温存贮寿命测试，高温压力蒸煮测试 (Pressure cook test，缩写PCT)，并在不同的阶段进行功能测试，所有器件均通过可靠性测试（HTST 1000 h 参考JESD22，A103、TCT1000 循环参考JESD22，A104、PCT 168 h 参考JESD22，A102），没有器件功能测试失效。

通过高倍扫描电镜SEM 确认IMC 情况，发现金丝-铝焊盘之间的IMC 厚度均是最厚，虽然比较厚，但是其功能仍然是完好的，没有在功能测试中失效。在175℃高温下，金钯铜丝-铝焊盘之间的IMC 厚度最薄，说明在高温下，金钯铜丝-铝焊盘之间的结合层最稳定，可靠性最高；在121 ℃高压高湿下，钯铜丝-铝焊盘之间的IMC 最薄，说明在高压高湿条件下，钯铜丝-铝焊盘之间的结合层最稳定，可靠性最好。总而言之，不管是高温条件还是在高压高湿条件下，掺杂了钯元素的金属丝材都能够有效地抑制IMC 的形成和生长。

<!--[if gte vml 1]> IMC 金属化合层厚并不能说明器件的功能就一定失效，它并不是器件功能失效的决定因素。

将器件按照MIL-STD-883E 标准军用等级做可靠性测试，如表4 所示，增加无偏压高加速应力测试 (unbaised Highly accelerate stress test，缩写为uHAST)，在可靠性测试过程中不同阶段对器件进行功能测试。

<!--[if gte vml 1]> 测试结果显示，所有金属键合线都经过TCT 6 000 循环后，没有器件出现功能测试失效；经过HTST 2 000 h 后，有器件逐渐开始出现功能失效，金丝-铝焊盘键合器件最早出现功能失效；经过PCT 168 h后，金钯铜丝-铝焊盘键合器件最早出现功能测试失效，而钯铜丝-铝焊盘键合器件在经过504 h 的PCT后依旧全部功能完好；经过uHAST 240 h 后，银丝-铝焊盘键合器件出现功能测试失效，但金丝-铝焊盘和钯铜丝-铝焊盘键合器件经过336 h，uHAST 没有出现功能测试失效。在175℃高温环境中，金丝-铝焊盘键合器件最早出现功能失效；在高压高湿环境中，金钯铜丝-铝焊盘键合器件最早出现功能失效；在高温高湿环境中，银丝-铝焊盘键合器件最早出现功能失效，而钯铜丝-铝焊盘键合器件在所有测试环境中都没有出现功能失效。

<!--[if gte vml 1]> 4.2 可靠性试验失效器件的分析

将可靠性测试后功能失效的器件进行失效分析。解剖发现，凡是器件断路的基本上都是铝焊盘上金属球脱分层。

通过能谱分析（Energy dispersive x-ray spectrometry，缩写为EDX），确认金属分离层的元素成分，发现这些失效器件的金属结合层都有较厚的IMC，同时IMC 出现严重的柯肯达尔空洞现象，从而造成金属结合层分离，出现球脱，如图10 所示。

另外，在高压高湿的环境里，如PCT 条件下，由于塑封料含有Cl-离子，遇到水汽进入内部，会使内部呈弱酸性环境，在这样的条件下，金属丝-铝结合处被逐渐腐蚀，也会造成器件键合层腐蚀剥离，尤其是耐酸腐蚀性差的键合金属层，如金钯铜丝-铝焊盘和钯铜丝-铝焊盘键合器件。