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倒芯片倒装芯片焊剂清洗液合明科技分享:芯片互连超声键合技术连接机制探讨

发布日期:2021-10-25 发布者:合明科技Unibright 浏览次数:897

倒芯片倒装芯片焊剂清洗液合明科技分享:芯片互连超声键合技术连接机制探讨


合明科技专注精密电子清洗技术20多年,是SMT贴装/DIP封装,功率半导体器件及芯片封装精密清洗工艺技术方案、产品、清洗设备提供商。精密电子清洗除焊后助焊剂、锡膏、焊膏、球焊膏、焊锡膏、锡渣等残留物。水基系列产品,精细化对应涵盖从半导体封测到PCBA组件终端,包括有水基和半水基清洗剂,碱性和中性的水基清洗剂等。具体表现在,在同等的清洗力的情况下,合明科技的兼容性较佳. 先进封装包括倒装芯片、WLCSP晶圆级芯片封装、3D IC集成电路封装、SiP系统级封装、细间距封装等等。




摘 要:超声键合是实现集成电路封装中芯片互连的关键技术之一。对于超声键合过程焊点形成机理以及超声在键合过程中发挥的作用的正确理解是实现参数优化和获得可靠焊点的关键。综述了超声键合技术连接机理, 归纳总结并探讨了四种键合机制, 包括 :摩擦生热键合理论 、位错理论 、滑动摩擦及变形理论和微滑移理论。

关键词 :超声键合 ;连接机理 ;芯片互连


集成电路(IC)封装中 ,有三种方法可以实现芯片的电气互连:倒芯片 、载带自动焊及丝线键合。其中丝线键合在工业上占集成电路 芯片互连的 95%,每年有超过4万亿的丝线键合焊点产生 [ 1] 。根据施加能量的不同,丝线键合分三种类型 :热压键合 、超声楔焊与热超声丝球键合。其中热超声丝球键合同时应用超声与热能实现连接过程, 键合工具采用对称的毛细管形劈刀 ,在工艺上具有较高的灵活性 。Au丝球热超声健合第一焊点(球形焊点)形成过程示意图 [ 2]如图 1所示 。在丝线尾部通过电火花加热形成 Au丝球;劈刀向下运动, 使 Au丝球与芯片焊盘接触 ,通过劈刀施加键合力, 同时劈刀在超声作用下作水平方向振动形成球形焊点(如果此时没有施加超声能量 ,即为热压键合 )。

美国国家标准技术研究所(NIST)的 George Harman院士撰写的《丝焊技术-微电子材料、工艺及可靠性》一书中指出:尽管丝线键合在工业上是成熟的制造工艺, 但是仍旧缺乏对丝线键合机理的定量的、科学理论意义上的理解 。电子工业小型化及高集成度的需求推动丝线键合技术朝着高精度方向的发展,新材料的应用对原有键合工艺以及焊点的可靠性提出了新的挑战 。现代丝球键合设备参数多而复杂,试错方法工艺优化过分依赖于试验 。据统计, 半导体器件的失效大约有 1 /3 ~1 /4是在丝线键合工艺环节中产生的, 因而正确理解键合机理无论是对于参数优化设计及工艺控制, 还是对电子产品的长期使用可靠性都具有深远的意义。本文将对超声键合过程焊点形成物理机制进行综述 , 分析焊点键合过程各个工艺因素的影响作用, 这将为丝球键合技术提供理论基础 , 对芯片互连丝线键合工艺具有一定的指导作用。


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1 影响键合质量的工艺因素分析

热超声键合过程中共有四个主要的工艺参数:超声能量、键合力 、键合时间及键合温度。芯片互连中丝线超声键合与热压键合的区别之处就是超声能量的作用,有很多研究试图理解超声键合过程的本质及超声是通过什么方式影响键合过程, 但是目前还没有一个统一的完全有根据的理论 。根据一些研究结果 ,现在可以认为 ,超声丝线键合的本质 , 属于固态连接过程。

  1. 1 超声能量的作用

关于超声对金属的作用,有两个著名的 “非线性 ”效应 :超声软化和硬化。超声软化, 就是在应用超声的过程中,声学发射降低了金属材料塑性变形所需的静态应力。另一方面 ,在超声软化之后可以观察到超声硬化 。

Langencker研究了超声对金属变形特征的影响 [ 3] 。通过对高纯度铝单晶的拉伸试验得出的应力应变曲线表明,随着超声能量的增加,金属的剪切应力下降。

能量密度较大的超声和温度似乎对剪切应力的影响规律相似。但是明显的区别是当超声能量仅仅是热能的 10- 7时 ,就可以导致零应力的产生 。所需能量的不同已经被归结为在位错集中的地方比较容易吸收声能。假定声能只能在金属晶格中的由于塑性变形产生的位错和晶界处吸收, 而在无缺陷的晶体区域发现了声能的衰减。但是热能却均匀分布在晶体的所有原子位置 ,包括那些没有参与塑性变形的部分原子。因此通过热量产生塑性变形就比超声的效率低 。

超声软化将使A l和 Au的连接区域没有冷加工金相结构 。A l-Al超声焊的连接区域 TEM 观察表明发现了小角度晶界、位错环 ,但是没有发现高密度位错区,这表明丝线和基板的连接区域在连接过程发生了退火 。进一步的研究表明, A l-A l楔焊过程丝线和基板经历了动态回复和再结晶。丝线原始组织为具有细小的(10 μm 左右 )的等轴晶粒结构。楔焊后,在经历了超过 50%的压缩变形后, 仍然保持细小的等轴晶粒, 带有较低的位错密度。基板由于尺寸上的限制,没有产生明显的宏观变形 ,但是晶粒转变成细小的等轴结构,同时产生了位错环。超声硬化 ,与超声能量相关的另一个现象,在应用足够的振幅后产生。Langenecker观察到, 如果将15 W /cm2 能量密度的超声能量应用到Zn单晶上,在超声能量停止后 , 将会产生一个残余效应 , 即硬化。致使 Zn单晶变形所需的剪切应力将高于没有施加超声能量所需的应力。

Langencker的超声软化和硬化效应是基于单晶铝和单晶锌得出来的结果, 对于丝球键合技术上普遍应用的 Au丝和即将普及的 Cu 丝目前还没有很有利的证明。

1.  2键合力时间及温度的作用

超声键合过程中,键合力的作用是起到紧密夹持待焊丝线,以便使超声能量传递到键合界面。键合力通过 “阻尼效应”影响键合质量。在相同的超声功率作用下 ,劈刀端部的振幅随着键合力的增加呈指数关系下降。

热超声键合的时间通常在20 m s ~1 000 m s范围内 ,工业生产中通常需要较短的键合时间来提高生产效率 。

热超声键合温度的影响作用表现在:金属的屈服强度随着温度的提高而下降, 因而使丝线在键合过程中容易变形而实现结合 。

1.  3 超声键合焊点质量评价

热超声丝球键合是通过键合工具施加键合力,通过超声和热的作用实现丝球和芯片焊盘的连接。

丝球焊点形成后,通常通过剪切试验来判断焊点质量的好坏。剪切试验示意图如图 2所示。焊点在剪切工具水平方向的力的作用下,与芯片焊盘脱离,剪切设备同时记录剪切力的大小 ,以判断焊点的结合强度。同时 ,通过观察剪切断面上金属间化合物的生成情况判断丝球与焊盘的结合程度。Au球焊点剪切断面上 Au球底部金属间化合物生成情况如图3所示。因为芯片上通常采用A l作为焊盘金属化层 ,而 Au和 A l很容易在超声键合过程中生成金属间化合物, Au -Al化合物越多,说明结合状况越好。

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2 超声键合机理

关于芯片互连中丝线超声键合技术的机理,可以归纳总结为以下四种理论。

 2. 1 摩擦生热键合理论

摩擦生热键合理论认为:在超声键合过程中,在丝线 -基板焊盘表面产生滑动与摩擦, 因此产生热量 。在微小接触区域产生的热量使其周围的少量金属熔化,因此形成了熔化连接区域。在超声丝线键合研究的早些年代 ,热理论占据主要位置 。但是一些反面的证据使得热理论并不成立。

研究人员采用薄的快速响应的热电偶测量了超声丝线键合过程中温度响应 [ 4] 。测量结果发现温度在80 ℃~177 ℃之间。这些温升对于产生熔融的焊点是不可能的。关于这种测量方法存在争议,因为测得的温度只是平均温度而不是峰值温度, 但是现在没有证据能够证明产生了熔焊焊点。因为一个熔焊焊点应该具有凝固的铸态晶体结构, 但是在超声丝线键合的连接区域的金相组织观察和 TEM都没有发现这种晶体结构。

H arm an等人在液氮 ( - 195 ℃)的环境下实现了超声键合[ 5] 。在键合过程中没有发现氮气的气泡, 这表明超声键合过程中温度的上升不足以产生足够的冶金效应。

2.  2 位错理论

Levine在 Langencke r的 “超声软化 ”理论基础上, 提出来的位错理论认为 [ 6] :超声能量使材料的屈服强度下降,产生了位错的迁移和较高的位错密度,因而在晶格内产生了滑移机制 。同时施加的连接力使材料发生进一步屈服和变形。当有变形产生时,材料产生了应变硬化。当硬化的材料将能量传递到丝线 -焊盘界面的时候 ,滑移面在界面处升高,产生一个新鲜洁净的材料表面缺口 , 洁净的材料表面之间的接触和扩散导致了连接的形成 。

位错理论提出了一个新鲜洁净的金属表面生成机制,对解释键合机理非常有用。但是 ,位错理论只能解释在键合面的部分区域产生了纳米尺度的连接, 虽然这些纳米尺度的连接对焊点的形成可能会有些贡献 ,但是并不能说明在整个区域可以形成牢固的冶金结合 。另外 ,位错理论还认为在界面存在扩散 ,而超声键合界面处的温度和键合时间的限制,扩散会对键合界面强度的作用可能微乎其微 。因此, 位错理论对于解释丝线键合焊点的形成仍然存在不足。

2. 3 滑动摩擦与变形理论

研究表明 :A l丝与 A l焊盘超声键合楔形焊点的接触区域,只有边缘部分实现了连接 ,而中心区域并未焊合 。H arm an认为 :在超声键合过程中, A l丝的变形表现为两个阶段。第一阶段主要发生 A l丝与 A l焊盘的摩擦过程;在第二阶段, A l丝与 A l焊盘已经发生了部分连接,主要发生的是劈刀与 A l丝之间的滑动过程 。同时, A l丝由于压力的作用发生塑性变形。由于材料的不同, 两个阶段的时间将有变化 ,同时连接的机理也不同 。铝丝 -铝膜键合时,摩擦系数大,滑动摩擦很快停止。中心未连接,而只在边缘发生连接。流动与超声方向垂直 。变形的第一阶段很短,而第二阶段长。如果是 A l丝与 Au 焊盘之间进行超声键合,则情形完全相反。在键合中心区域将会实现连接。原因可能是因为铝丝 -金焊盘键合时 ,由于摩擦系数小, A l丝与 Au焊盘之间将在长时间内相互滑动摩擦 , 中心部位有与超声振动方向平行的流动, 而在其外侧有垂直方向的流动 。变形的第一阶段长而第二阶段短。

Mayer通过原位的微传感器测量了 Au丝球热超声键合过程中产生的应力和温度变化。结果表明 ,键合过程中球与基板焊盘之间的相对运动对于焊点的形成非常重要 。如果界面没有相对滑动产生 ,将不会实现结合。连接界面的滑动示意图如图4所示。

     Takahashi等人 [ 7]认为球形焊点中心区域未焊合是由于变形过程造成的, 而不是摩擦的作用 。与接触界面垂直的应力主要是由劈刀工具施加的外力产生的 ,这个力很大, 致使丝的表面不能在引线上产生滑动 。所以周边连接区域的形成主要是由于连接丝线横向变型造成的界面变形(延展 )产生的。

变形理论认为超声键合的原理与热压键合相似,因而忽略了超声能量对焊点形成的作用。认为通过材料变形破坏氧化膜产生连接, 超声只起到了增加变形量的作用。但是 Norm an Zhou等人的研究结果表明 [ 8] ,带有超声和没有超声的焊点 ,在经历了同样的变形之后, 焊点的结合程度和强度是不同的 。很明显 ,超声不只是增加了变形量,对焊点的形成起到了其他的作用 。

2.  4 微滑移理论

很多研究将热超声键合中的丝球与基板焊盘的结合简化为在正应力和剪切力作用下的接触对。Mindlin[ 9] 研究了两个理想的弹性球体在正应力(N )和剪切力(S)作用下的相对运动 。当两个球体在正应力作用下接触时, 接触区域是半径为 a 的圆形, 且 a与 N 1 / 3成正比 。当剪切力超过 μsN (这里 μs为静态摩擦系数)时, 将会产生宏观的滑动。相反,如果剪切力小于 μsN 时, 将会在接触区内引入一个剪切牵引力 (q)。如果接触区域没有滑移产生, 该牵引力将会无穷大。很明显, 这个无穷大的牵引力是不可能获得的。因此接触区的周边将会产生滑移以释放应力, 通常该滑移在 0. 25 μm ~2. 5 μm 。

M indlin给出了计算接触区周边微滑移区域的尺寸公式 :


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式中 :N —正应力;

        S—剪切力;

    μs—静态摩擦系数;

    a′—同心圆内内圆半径;

    a—接触区半径。

a′为同心圆内内圆半径如图5(a)所示。因此,微滑移区域将在 a′<r <a 之间产生。而在半径为a′的圆形区域内没有微滑移产生(静止区域 )。微滑移的同心圆区域随着剪切力的增加而向内扩展,直到达到接触区的中心 ,如图 5(b)所示。


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Chen等人基于 Mindlin的弹性接触理论 , 提出了超声键合过程的微观滑移理论 [ 10] 。微滑移理论的观点如下:连接是在接触面上粗糙的突起之间产生的 ,而这些粗糙的突起是两个清洁的金属表面接触的时候在正向和切向方向的力的共同作用产生的。为了释放横向剪切应力, 在接触区域的周边同心圆区域产生微观滑移,因此在同心圆内产生连接 。

Johnson研究了超声震荡的切向力对金属板和金属球体接触表面的影响 [ 11] 。研究结果似乎可以为Mindlin理论提供证据。Johnson研究发现当切向力较小但是还没有产生整体滑动时, 可以在接触面的周边同心圆区域产生微滑移造成表面磨损。随着切向力的增加,磨损的同心圆区域增大,直至中心。

Lum [ 12]在研究金丝球焊过程中发现了相似的现象,随着超声能量的增加 (切向力 ), 在 Au丝球焊焊点剪切界面上发现了连接的同心圆区域面积增加,如图 6所示。由此提出了在键合过程中产生了微滑移向整体滑动的过渡的机制。该键合机制示意图如图 7所示。其中灰色区域表明发生了磨损,点化线区域表示键合劈刀内径 ,连接密度通过斜线密度表示 。


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Mindlin的理论是基于弹性假设的基础上, 并没有考虑材料的塑性行为。而在实际键合过程中 ,当两个金属表面在正向力和切向力的作用下相互接触时,材料会发生塑性变形, 切向力的作用将会使接触面积呈增加的趋势。而 Johnson的试验和 Lum 的试验在超声作用下,金属应该产生了塑性变形 ,但是为什么实验与基于弹性假设的微滑移理论能够符合,两者之间的矛盾至今还不明确 。另外 ,如果超声键合过程产生微滑移, 必定产生摩擦和磨损。但是微滑移理论并没有提到超声键合中发生的磨损现象。热超声丝线键合过程中, 超声的作用使得丝球和基板焊盘界面往返运动 ,键合劈刀的端部振幅与超声能量成正比。球与基板焊盘的相对滑动将会使键合材料表面产生磨损 ,磨损程度可以根据接触面相对运动公式进行计算 [ 13] :

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式中 :

t—所需时间 ;

d—材料磨损深度;

P —平均压力;

H —材料硬度;

K —磨损系数;

V—滑动速度。

    键合过程中材料表面磨损的发生将有助于去掉表面的氧化膜和污染物质。

3 结束语

通过对超声键合过程焊点形成机制的综述可以发现,以上各种键合理论都存在各自的不完善之处,特别是超声对键合焊点形成所起的作用一直是学者专家们致力于解决的问题。对于超声键合机制的正确理解又是参数优化设计、工艺控制的关键 ,也有助于控制键合过程中缺陷的形成, 提高电子产品的可靠性 。随着新材料不断在集成电路封装中获得应用, 对于芯片互连超声键合机制的理论研究仍然是丝球键合技术中的关键所在。

(end)

作者 : 田艳红



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