台面型焊盘的引线键合工艺研究

邱颖霞，刘炳龙

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230031）

台面型焊盘的引线键合工艺研究

邱颖霞，刘炳龙

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230031）

引线键合工艺是微电子封装的基础工艺，广泛应用于军品和民品芯片的封装。特殊结构焊盘的引线键合失效问题是键合工艺研究的重要方向。文章主要针对台面型焊盘，从热压键合、超声键合、热超声键合原理进行了分析，对台面型焊盘的工艺适应性给出了建议。使用热超声键合工艺进行台面型焊盘的引线键合需要尽可能降低超声功率，避免键合焊盘的机械损伤，并通过平衡其他各变量保证键合点的强度。侧重于热超声键合工艺的应用，分析台面型焊盘与热超声键合过程相关的失效现象，通过样件及小批量试制，对工艺参数进行了优化验证，针对故障件统计分类给出了相应的解决途径。

台面型焊盘；引线键合；凸台

1 引言

引线键合焊盘多为平面结构，即键合焊盘与芯片表面处于同一平面（图1）。台面型焊盘，键合面高于芯片平面，是一个数十微米凸台结构的上表面（图2）。台面型焊盘多应用于PIN二极管管芯，凸台集成I、P功能层和键合焊盘，键合焊盘面积影响管芯寄生电容，通常兼顾后道封装工艺尽量做小。台面型焊盘PIN二极管管芯具有高功率、低插入损耗（10GHz时0.1dB）、高频率的特点。

2 工艺适应性

台面型焊盘属易受损伤结构形式，薄保护钝化层、小焊盘设计都对后道封装中引线键合工艺提出了较为苛刻的要求。键合区表面金属通常为铝、镍/金。引线键合是在加热或超声状态下，通过劈刀向引线金属施加压力，促使引线金属和下面的芯片键合区表面金属或基板电路金属镀层发生塑性变形和原子间互扩散形成合金层的过程。引线键合工艺根据键合能量不同分为热压键合、超声键合、热超声键合。

热压键合利用压力使键合面互相接触并产生局部塑性变形破坏界面氧化膜，形成扩散区域，在加热条件下，随时间的延长紧密接触的部位由于蠕变变形和扩散形成键合。与其他引线键合工艺相比，热压键合是台面型焊盘引线键合的最佳方式。在实际运用中，由于该工序器件温升较高，器件、材料选用受到一定限制。

超声键合是在常温下利用超声机械振动带动键合丝与焊盘表面进行摩擦，破坏氧化膜，金属表面相互接触，摩擦产生的热量使金属之间发生扩散，实现键合。键合过程分为键合丝与焊盘表面的摩擦、劈刀与丝之间的滑动两个阶段。对超声键合焊点进行加热老化处理，键合点剪切强度上升并趋于稳定，这是由于加热使界面金属之间进一步扩散。超声键合中高频率的摩擦减小了接触面的粗糙度，消除了接触面的氧化物，有助于分子间的接触。但过高的超声振动幅度易对台面型管芯边缘产生损伤，并对材料本身的缺陷进行放大。通常的损伤现象是在焊盘的边缘形成锯齿状的崩损（图3），严重时会造成焊盘缺损（图4）。

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热超声键合同时采用了热压键合的变量和表面之间的超声振动。与热压键合相比，热超声键合所需的压力小，器件温升较低。与超声压接相比，经过加热老化之后键合点的剪切强度几乎不发生改变或只发生很小的变化。热超声键合由于机械去膜更为充分，首先在接触面上分散地形成了扩散的核心，然后在超声振动方向上形成合金层，并逐渐生长扩及整个接触面。热超声键合结合了热压键合和超声键合的优点，是目前引线键合工艺的主流方式。台面型焊盘具有小凸台的结构特点，使用热超声键合工艺需要尽可能降低超声功率，避免键合焊盘的机械损伤，通过平衡其他各变量保证键合点的强度。综上所述，台面型管芯与键合工艺的匹配性比较见表1。

3 失效现象

由于受封装材料和工序温升的限制，台面型焊盘键合我们采用热超声键合工艺，键合示意见图5。采用该工艺能够实现组件整体温升小于100℃，但对整个工艺要求较高。台面型焊盘管芯与键合工艺相关的主要失效现象为：（1）焊盘局部或整体脱落（图6、7），无法键合；（2）焊盘功能层损伤，后期测试中电性能参数表现异常；（3）焊盘钝化保护层损伤，在长期恶劣环境下电刺激，材料缺陷及损伤易引发管芯渐变失效。前两种现象都是可见和可测的，能够及时发现剔除。第三种情况具有一定的隐蔽性和滞后性。钝化保护层损伤情况只能通过破坏性腐蚀后进行SEM分析，无法在生产过程中实现全检；渐变性失效模式使得失效暴露的时间后延，易发生批量问题。

4 试验、验证及结论

根据以上三种与键合相关的失效现象我们开展了以下几个方面的工作。

加强来料检验，剔除存在明显焊盘缺陷的芯片。键合点键合丝的直径变化范围一般为原直径的1.2～1.5倍，电讯设计中载流量、匹配性能应基于与键合焊盘尺寸一致的键合丝直径。利用正交试验法，优化键合工艺参数，以最小的超声功率实现可靠键合为原则。在验证工艺的可行性过程中我们采用了样件确认的方式（图8），经过破坏性腐蚀后进行SEM分析，样件存在材料缺陷，键合过程中没有引入明显的损伤（图9）。

使用同一款台面管芯，在两个产品上同时随机装配进行小批量验证。优化的工艺参数下第一、第二种失效现象出现率低于5%。在机、料、法、环一定的条件下，对初测合格的管芯故障件进行了分析（图10），故障件随机分布于两产品中；不同操作者相关故障件的分布与总分布相符合。键合工序可能引入的问题有：劈刀对位偏差易造成凸台型结构焊盘的边缘钝化保护层损伤，使得功能层在长期恶劣环境中电刺激下易在材料缺陷及损伤处产生电击穿，可靠性降低。钝化保护层的损伤难以在过程镜检、电性能初测中及时发现。钝化保护层损伤和材料缺陷、使用环境、电刺激等因素综合作用引发的管芯失效为渐变模式，可通过后期的例行试验进行筛选。

5 结束语

台面型焊盘键合优选热压键合工艺，可采用优化的热超声键合工艺。引线键合工艺作为微电子封装的基础工艺之一，广泛应用于大量军品和民品芯片的封装，但对于特殊结构焊盘的键合工艺技术的应用还有待进一步研究。

［1］Tapan K Gupta，等. 厚薄膜混合微电子学手册[M]. 北京：电子工业出版社，2005.

［2］Richard Brown，等. 射频和微波混合电路——基础、材料和工艺[M]. 北京：电子工业出版社，2006.

［3］查尔斯A. 哈珀，等. 电子封装材料与工艺[M]. 北京：化学工业出版社，2006.

Wire Bonding Technique Research of Mesa Type Pad

QIU Ying-xia, LIU Bing-long
（China Electronics Technology Group Corporation No.38Research Institute,Hefei230031,China）

The wire bonding technique, which is the basic technology of micro-electronic packaging, is widely used in chip packaging of military and civil products. Wire bonding failures of chip pads with specific structure is the major direction of the bonding technology research. In this paper, suggestions on technique adaptability of mesa type pads were introduced by analyzing the principles of thermocompression bonding, ultrasonic bonding and thermosonic bonding. In order to avoid mechanical damage to bonding pads, the ultrasonic power should be minimized when using thermosonic bonding technique. And the strength of bonding points should be ensured by balancing the other variables. Focus on the application of thermosonic bonding technique, failure phenomena of mesa type pads related to thermosonic bonding were analyzed. Technique parameters were optimized and verified through samples and small-scaled trial-manufacture. Effective solutions were also presented based on by cognizing and classifying the failures.

mesa type pad; wire bonding; convex plate

TN305.94

A

1681-1070（2011）05-0034-04

2011-03-21

邱颖霞（1979—），女，云南丽江人，工程师，本科，2001年毕业于华中科技大学，现在中国电子科技集团公司第38研究所从事微组装工艺技术研究。

产品、应用与市场