鍵合工藝技術(shù)是半導(dǎo)體封裝環(huán)節(jié)中的重要技術(shù)方法， 而鍵合系統(tǒng)相關(guān)的失效也直接影響著電子元器件的互連可靠性。雖然同為鍵合區(qū)域的失效， 但失效機(jī)理卻千差萬(wàn)別。針對(duì)性地討論了 Au-Al、 Cu-Al 和 Al-Al這 3 個(gè)鍵合系統(tǒng)中常見的基于材料特性和工藝過程的失效模式。

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鍵合裂紋又稱為 “彈坑”， 最易發(fā)生在 Cu-Al鍵合體系中。金鍵合的工藝是相對(duì)早期發(fā)展起來(lái)的， 工藝較為成熟， 但隨著規(guī)模的擴(kuò)大、 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇， 降低成本成了封裝產(chǎn)業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。銅鍵合由于其低成本優(yōu)勢(shì)和優(yōu)越的物理和電學(xué)性能從中脫穎而出， 并且工藝平臺(tái)和金鍵合的相差不大所以容易被移植， 逐步成為消費(fèi)類市場(chǎng)鍵合工藝的趨勢(shì)。但同時(shí)也由于鍵合過程 （接觸、 預(yù)鍵合和鍵合） 的參數(shù)的提升， 使得該種方式與其他材料的特性參數(shù)不匹配而引起鍵合開裂的現(xiàn)象。

鍵合開裂的檢測(cè)一般可用化學(xué)方法開封后采用光學(xué)或電子顯微鏡進(jìn)行觀察， 利用強(qiáng)腐蝕性的酸類（硫酸和發(fā)煙硝酸） 去除模塑化合物后暴露芯片鍵合區(qū)， 部分情況下尤其是鍵合功率過高的情況， 可以直接在 PAD 表面看到分層甚至開裂現(xiàn)象， 如圖2 所示。在無(wú)法充分觀察的情況下， 可以選擇用強(qiáng)酸對(duì)鍵合區(qū)域進(jìn)行去層 （去鍵合點(diǎn)及頂層 Al） 處理后， 在 PAD 區(qū)域進(jìn)行觀察。典型的去層后的在SEM 觀察下呈現(xiàn)的介質(zhì)層開裂形貌如圖 3 所示。

圖 2 某傳感器開封后芯片表面鍵合點(diǎn)處的裂紋

圖 3 電源芯片去鋁后 PAD 的裂紋形貌

在整個(gè)銅鍵合過程中有幾個(gè)關(guān)鍵的影響因素，如果鍵合壓力足夠大， 會(huì)使這一階段中銅球充分發(fā)生形變， 接下來(lái)鍵合過程中的超聲功率就可以被均勻地施加在接觸界面從而形成良好的結(jié)合。但如果在銅球沒有充分形變的情況下就已經(jīng)開始施加較大的超聲能量， 則會(huì)被直接作用于銅-鋁結(jié)合界面， 這樣會(huì)對(duì)下面的電介質(zhì)層造成損傷， 隨即產(chǎn)生裂紋。

除了調(diào)整過程的工藝參數(shù)外， 也可以選擇從結(jié)構(gòu)上來(lái)優(yōu)化銅-鋁鍵合系統(tǒng)。通過增加鋁層的厚度也可以明顯地降低裂紋風(fēng)險(xiǎn)。PAD 上的頂層金屬鋁具有良好的延展性， 增加金屬厚度可以有效地緩沖電介質(zhì)的受力情況?；蛘?， 通過改變通孔陣列（常用鎢通孔）， 提升通孔陣列密度， 增加介質(zhì)層強(qiáng)度， 改善開裂情況。

在鍵合系統(tǒng)中由于 2 種不同金屬間的過度擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致脆弱的金屬間化合物大量積累， 從而使界面的結(jié)合強(qiáng)度下降， 接觸電阻變大， 引發(fā)產(chǎn)品失效。

對(duì)于 Au-Al 鍵合由于兩者化學(xué)勢(shì)不同， 在高溫條件下會(huì)產(chǎn)生多種金屬間化合物， 在高于 200 ℃的形況下易生成 5 種金屬間化合物， 即：Au2Al、AuAl、 AuAl2、 Au4Al 和 Au5Al2， 其中以 Au5Al2 為主。由于各種 IMC 的晶格常數(shù)和 CTE 不同， 再加上形成階段導(dǎo)致體積分?jǐn)?shù)不一致， 所以不同形成和適用環(huán)境條件作用下使得其差異較大。元器件經(jīng)過高溫或長(zhǎng)期使用后就容易出現(xiàn)結(jié)合面變脆、 鍵合強(qiáng)度下降等情況， 嚴(yán)重的會(huì)使得產(chǎn)品出現(xiàn)功耗變大甚至開路等失效模式。通過化學(xué)或機(jī)械方式開封后可以通過光學(xué)顯微鏡觀察到 “紫斑” 或 “白斑” 的現(xiàn)象， 即 AuAl2 或 Au2Al 呈現(xiàn)的顏色。對(duì)鍵合點(diǎn)做切片截面可以觀察到 IMC 的厚度變化。

Au-Al相關(guān)的另 一 種失效模式是柯肯達(dá)爾（kirkendall）效應(yīng)， 主要發(fā)生在金面， 這是因?yàn)樵诟邷貤l件下金的擴(kuò)散速度比鋁快， 金向鋁的迅速擴(kuò)散產(chǎn)生大量 Au2Al， 并在金面產(chǎn)生細(xì)小的空洞和裂紋， 在后續(xù)的應(yīng)用微空洞逐漸聚集連和并擴(kuò)展， 導(dǎo)致最終脫落?？驴线_(dá)爾空洞一般很少發(fā)生于 Cu-Al界面， 很大程度上是因?yàn)殂~鋁的金屬間化合物的生成速度相較之下慢。同樣在 200 ℃的條件下 Au-Al形成100 A的合金層需要的時(shí)間不到0.3s， 而Cu-Al 則需要約 20 s 的時(shí)間。

對(duì)于 Cu-Al 鍵合系統(tǒng)而言， 在高溫條件下金屬 間 相 互 擴(kuò) 散 形 成 金 屬 間 化 合 物 ， 即 ：CuAl2、CuAl 和 Cu9Al4 。一般情況下， 銅鋁界面的 IMC會(huì)隨著不斷使用和時(shí)間延續(xù)而不斷加厚， 這樣會(huì)降低金屬間的結(jié)合強(qiáng)度使結(jié)合系統(tǒng)脆性增加， 最終出現(xiàn)接觸電阻變大甚至開路。在元器件的可靠性試驗(yàn)中一般通過高溫存貯試驗(yàn) （HTSL） 來(lái)加速 IMC 生長(zhǎng)， 來(lái)評(píng)價(jià)器件的可靠性與使用壽命。

楊建偉等通過試驗(yàn)觀察了不同材料的鍵合絲組成的鍵合點(diǎn)的IMC隨時(shí)間生長(zhǎng)的變化情況（如圖 4 所示）， 可以看出在 500 h 的高溫試驗(yàn)后IMC 的厚度出現(xiàn)明顯加劇， 在1 000 h后 Au 和鍵合點(diǎn)的 IMC 達(dá)到了接近 3.5 μm。此外， 在銅絲中摻雜鈀元素能有效抑制其 IMC 增長(zhǎng)。

圖4 IMC 隨時(shí)間生長(zhǎng)變化情況 （175 ℃）

當(dāng)不同種類的金屬在電解液或類電解液的環(huán)境中產(chǎn)生電接觸時(shí)， 由于電位差產(chǎn)生了電流 （電子傳輸）， 出現(xiàn)類似于原電池的工作機(jī)制。低電位的金屬為陰極， 高電位的金屬為陽(yáng)極， 陽(yáng)極金屬被逐漸消耗腐蝕。通常來(lái)說電勢(shì)差越大， 接觸腐蝕發(fā)生的概率越大， 腐蝕現(xiàn)象也會(huì)越嚴(yán)重。以 Cu-Al 鍵合系統(tǒng)舉例， 在銅鋁接觸里銅為陰極、 鋁為陽(yáng)極， 陰極鋁在這個(gè)過程中被慢慢消耗同時(shí)使得銅鋁界面產(chǎn)生裂紋， 化學(xué)反應(yīng)式如下：

接觸腐蝕的失效模式多表現(xiàn)為鍵合點(diǎn)的接觸電阻異常甚至開路， 這種失效機(jī)制一般不會(huì)直接引起漏電或短路風(fēng)險(xiǎn)。用化學(xué)開封觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)鍵合點(diǎn)很容易脫落， 圖 5 化開后可見銅鍵合點(diǎn)脫落， 剩下鍵合點(diǎn)周圍的鋁金屬和局部裸露下方的介質(zhì)層。區(qū)別于前文提到的鍵合工藝裂紋現(xiàn)象， 接觸腐蝕并不會(huì)對(duì)鋁層下方的介質(zhì)層造成裂紋等物理性的破環(huán)， 所以可以對(duì)鍵合區(qū)域去層觀察下方介質(zhì)層是否存在開裂形貌來(lái)加以辨別。對(duì)接觸腐蝕的鍵合點(diǎn)做切面，為了更好地觀察到 IMC 和腐蝕形貌可以先對(duì)其進(jìn)行離子研磨后再在掃描電子顯微鏡 （SEM） 下觀察， 圖 6 中銅鍵合有明顯開裂現(xiàn)象， 四周的鋁焊盤連接處存在明顯的腐蝕現(xiàn)象。在嚴(yán)重腐蝕的鍵合點(diǎn)也可用 EDX 檢測(cè)出鹵素。

圖 5 某電源芯片開封后鍵合點(diǎn)局部脫落形貌

圖 6 Cu-Al 鍵合點(diǎn)切片+離子研磨后的 SEM 形貌

已知金屬 Au 的電極電位為+1.498 V， Cu 的電極電位為+0.337 V， Al 的電極電位是-1.662 V 的情況下， 為什么接觸腐蝕更易發(fā)生在電位差相對(duì)較小的 Cu-Al 之間呢？這就又要提到不同 IMC 的形成速率， 上文中說過 Au-Al 之間的反應(yīng)速度更快，這將直接導(dǎo)致其 IMC 更厚， 而在接觸腐蝕的機(jī)理中厚的 IMC 起到了更好的緩沖作用平穩(wěn)了電勢(shì)差，相反， Cu-Al 之間缺乏這種有效的緩沖。另外， 由于 Cu 相比 Au 更容易在潮濕的環(huán)境中出現(xiàn)氧化反應(yīng)， 而生成的 Cu2+又搶奪了鋁的電子發(fā)生還原反應(yīng)， 最終導(dǎo)致 Al 被氧化， 這樣的不斷反應(yīng)使 Cu界面出現(xiàn)裂紋而 Al 金屬被腐蝕消耗。

可通過以下方法來(lái)減少出現(xiàn)鍵合點(diǎn)接觸腐蝕概率：首先， 可以通過譬如提高鍵合溫度來(lái)增加Cu-Al 的 IMC 厚度來(lái)增強(qiáng)鍵合點(diǎn)本身的可靠性；其次， 可以選擇采用低吸水量和更少鹵素含量的封裝材料來(lái)降低氧化和腐蝕反應(yīng)發(fā)生的可能性；再次， 可以通過采用鍍鈀銅線 （PCC） 更好地阻止接觸腐蝕發(fā)生。

功率器件的鍵合絲退化往往難以單獨(dú)觀測(cè)， 這是因?yàn)樵趨?shù)退化的階段結(jié)構(gòu)上沒有伴隨著明顯的失效， 而且這種老化是以組合的方式來(lái)激發(fā)器件內(nèi)各種材料和幾何結(jié)構(gòu)的退化。一旦鍵合絲脫離斷開時(shí)， 由于大電流的加載， 分離界面會(huì)瞬間產(chǎn)生飛弧打火燒蝕甚至損壞器件， 也破壞了原始形貌特征。

一般會(huì)采用可靠性試驗(yàn)的方法來(lái)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)器件退化。針對(duì)上文中所述的一些鍵合失效常使用到的可靠性驗(yàn)證是通過溫度循環(huán)或溫度沖擊等試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 這相當(dāng)于是對(duì)元器件施加了一個(gè)外界的環(huán)境應(yīng)力。當(dāng)然， 有些情況下也會(huì)給器件通電， 但由于試驗(yàn)主要是模擬環(huán)境溫度變化， 所以電流和電壓對(duì)其影響并不大， 其主要目的在于激發(fā)各種不同材料結(jié)合界面由于熱膨脹系數(shù)的差異和循環(huán)變化帶來(lái)的應(yīng)力激發(fā)和變化。而對(duì)于本節(jié)所述的針對(duì)功率器件的可靠性試驗(yàn)還需要選擇功率循環(huán)試驗(yàn)， 它是通過給器件一定的電流使自身產(chǎn)生的消耗主動(dòng)加熱再斷電后被動(dòng)降溫， 從而讓每個(gè)周期內(nèi)器件結(jié)溫變化 （ΔTj） 保持在一個(gè)恒定值 （通常來(lái)說是 100、 125 或 150 ℃）。在每一個(gè)溫度波動(dòng)期間， 不同材料 CTE 的差異與器件本身的幾何構(gòu)建之間不同方向的溫度梯度產(chǎn)生應(yīng)力從而造成材料與其連接的疲勞。正常規(guī)律下， 器件在經(jīng)歷一定的循環(huán)周期之后熱阻開始緩慢增加， 而更長(zhǎng)時(shí)間 （一般大于 5 000 個(gè)循環(huán)） 后電參數(shù) VCE 開始逐步升高，通常標(biāo)志著鍵合絲已經(jīng)在發(fā)生退化， 繼續(xù)試驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)鍵合絲的開裂甚至脫離。鍵合點(diǎn)的退化也會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)， 鍵合點(diǎn)在不斷退化的過程中接觸電阻會(huì)逐漸變大， 這將使得器件的功耗增大溫度持續(xù)升高， 亦會(huì)引起焊料的退化導(dǎo)致散熱的退化， 既影響芯片焊接的可靠性又影響了鍵合點(diǎn)?？梢酝ㄟ^檢測(cè)VCE 的變化來(lái)判斷鍵合的狀態(tài)， 譬如當(dāng)這個(gè)增漲超過 5%的時(shí)候判據(jù)終點(diǎn)。

通過功率循環(huán)試驗(yàn)可以觀察到鋁鍵合的退化的示意圖 （如圖 7 所示）， 從圖 7 中可以看出鍵合絲發(fā)生了一定的位移并在鍵合點(diǎn)發(fā)生脫離。還有一種退化情況是鍵合點(diǎn)根部開裂 （如圖 8 所示）。對(duì)于MOS管一般采用機(jī)械方法去除表面模塑， 對(duì)于 IGBT 一般采用機(jī)械開封去除外殼， 再用化學(xué)方法去除有機(jī)硅凝膠或環(huán)氧灌封樹脂， 隨即對(duì)鍵合點(diǎn)進(jìn)行觀察。

圖 7 老化后鍵合絲脫離 （lift-off） 示意圖

圖 8 鍵合絲根部開裂

圖 7 中的鍵合點(diǎn)脫離主要是因?yàn)椴煌牧祥g CTE差異導(dǎo)致產(chǎn)生剪切力使芯片表面金屬疲勞。圖 8 中的鍵合開裂則是由于鍵合絲的熱膨脹及由與其幾何形狀相關(guān)的應(yīng)力形變所導(dǎo)致。試驗(yàn)證明  鋁鍵合絲的根部開裂與鍵合絲自身的高寬比例相關(guān)， 相對(duì)較低的高度易引起鍵合絲的根部開裂， 可通過調(diào)整鍵合過程中的拉弧參數(shù)提升拉弧高度來(lái)改善這一情況。

5、芯片封裝清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對(duì)清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會(huì)作為一個(gè)長(zhǎng)期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長(zhǎng)枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤(rùn)濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來(lái)而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

合明科技運(yùn)用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國(guó)外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國(guó)產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。

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