新型Hg3 In2Te6芯片引線的鍵合機制

王曉珍，傅 莉，李亞鵬，李林峰

(西北工業(yè)大學 材料學院 凝固技術國家重點實驗室，西安710072)

隨著集成電路的發(fā)展，先進封裝技術不斷發(fā)展變化以適應各種半導體新工藝和新材料的要求和挑戰(zhàn)。半導體封裝內(nèi)部芯片和外部管腳以及芯片之間的引線鍵合，決定了器件信號傳輸?shù)目煽啃?，成為整個封裝過程中的關鍵[1]。引線鍵合以工藝實現(xiàn)簡單、成本低廉、適用多種封裝形式而在連接方式中占主導地位，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，其中應用最為廣泛的是熱壓超聲Au絲球鍵合[4?5]。由于鍵合技術所涉及的學科非常廣泛，且鍵合過程速度快、時間短、鍵合面小，國內(nèi)外關于其機理的研究結論并不統(tǒng)一，主要包括摩擦熱鍵合機理[6]、位錯與變形機理[7]和微觀滑移機理[8]等。目前，研究人員已經(jīng)將微動力學理論應用在引線鍵合機理解釋方面，試圖找出它們之間的關聯(lián)，推動了引線鍵合技術的發(fā)展[9]。

M IT是一種新型的用于近紅外光電探測的Ⅱ-Ⅵ/Ⅲ-Ⅵ 族化合物半導體材料，它具有較高的光導量子效率、良好的溫度穩(wěn)定性和抗輻射性能?；诮饘?M IT接觸特性制備出的非制冷短波紅外探測器，在航空制導技術、太空與航天探測技術等國防領域，以及光纖通信、核電站安全監(jiān)測等民用領域都具有廣闊的應用前景[10?12]。M IT紅外探測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，從焊接設備來看，它與超聲功率、鍵合壓力和鍵合時間等有關；從芯片焊接表面來看，它與被鍵合表面清潔度、材料性質(zhì)和處理工藝等有關[13]。超聲功率和鍵合壓力對鍵合質(zhì)量和外觀影響最大，而半導體與金屬電極接觸界面特性差、電極強度低、均勻性不好、表面有污染等也會造成可焊性與可靠性嚴重降低[14]。由于M IT晶體具有強度低、脆性大的特點，使其接觸電極與外引線很難實現(xiàn)可靠性的連接，目前尚未見到有關的研究報道。本文作者擬通過改變金屬電極厚度和組成來提高M IT接觸電極與外引線的鍵合成功率，同時探索了鍵合工藝參數(shù)對第一焊點外觀形貌和鍵合強度的影響規(guī)律，優(yōu)化M IT芯片引線連接工藝方案，可為實現(xiàn)M IT芯片引線鍵合的可靠性和紅外探測器的制備提供理論和實踐的依據(jù)。

1 實驗

1.1 MIT晶片的表面處理與電極制備

本實驗中所采用的M IT晶體由垂直布里奇曼法生長，將生長好的晶錠沿著垂直于軸向切割成5 mm×5mm×1mm的晶片，并對其進行機械拋光以獲得光滑潔凈的表面，然后用2%Br2-C3H7NO(體積分數(shù))溶液化學拋光2min去除表面的機械損傷層，減少表面粗糙度。實驗采用Dimension Icon型原子力顯微鏡(Atomic forcem icroscope,AFM)觀察晶片化學拋光前后的表面形貌。對拋光后的晶片依次采用丙酮、去離子水超聲清洗，氮氣吹干后獲得干凈無污染的晶片表面。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。本實驗中通過金屬電極厚度及結構的優(yōu)化來提高鍵合率，實驗中所設計電極分別是：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熱壓超聲焊機實現(xiàn)M IT金屬電極與金引線的球?楔鍵合，本實驗中，采用為直徑25μm加入微量合金元素的金絲，鍵合過程中，先用高壓電火花使金絲在劈刀外的伸出部分熔化，同時在表面張力作用下熔融金屬凝固形成標準球形。通過劈刀向金屬球施加壓力，同時在超聲波的作用下，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散，完成第一焊點的鍵合[15?20]。然后劈刀運動到第二鍵合位置，通過劈刀外壁對金屬線施加壓力以楔焊的方式完成第二焊點的鍵合。本實驗中對制備的不同厚度和結構的電極表面分別鍵合20次，并記錄鍵合成功次數(shù)，計算出鍵合率。通過ESCALAB 250Xi型X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)儀分析了In/Au復合電極與M IT界面元素間的互擴散現(xiàn)象，推測促進鍵合過程形成的原因。

1.3 MIT焊點形貌及鍵合強度的表征

通過ZEISSSUPRA場發(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的微觀形貌，通過觀察焊球變形的大小和計算焊球與引線的直徑比表征鍵合質(zhì)量的優(yōu)劣。對鍵合成功的試樣用引線鍵合拉力測試儀進行拉力測試，通過引線斷裂的位置評價外引線與金屬電極的結合強度。

2 結果與分析

2.1 化學拋光對表面形貌的影響

圖1所示為機械拋光和化學拋光后M IT晶片的表面形貌。由圖1(a)可見，機械拋光后晶片表面存在一些細微的劃痕和較多的機械損傷層，這些機械損傷會造成晶格畸變和應力集中，導致金屬與半導體間結合性變差，從而使鍵合率降低、可靠性減小。而采用2%Br2-C3H7ON化學拋光2min后表面粗糙度由機械拋光后的3.80 nm降低為2.41 nm，如圖1(b)所示。實驗結果表明：化學拋光可以有效地去除M IT晶體表面的機械損傷層，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，改善金屬電極與半導體間的接觸特性，減少焊接表面對鍵合質(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 復合電極設計對鍵合率的影響

金屬電極的強度、厚度、金屬電極與芯片及引線間的結合強度、金屬間化合物的形成等對連接的可焊性和可靠性都會產(chǎn)生重要影響。在引線鍵合過程中，如果金屬電極的強度低且厚度較薄將會對電極下面的半導體材料造成一定的損傷，即焊盤出坑。據(jù)文獻[15]，0.6μm以下厚度的金屬電極可能存在問題，1～3 μm厚的金屬電極焊盤損傷比較小，這是因為隨鍍層厚度的增加，芯片受到的壓應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合力差會使金屬電極與引線間難以實現(xiàn)完整的鍵合；即使鍵合成功后也會在器件使用過程中因結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度降低、變脆，易造成碎裂而脫鍵，同時它使導電性能下降、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題，因而，本實驗中選用Au電極。另外，考慮金屬電極厚度和經(jīng)濟實用性兩方面的因素，Au電極厚度從0.7μm開始熱壓超聲鍵合。實驗中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，超聲時間30 ms，弧高895μm，弧長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復合電極的鍵合率如表1所列。

表1 MIT金屬電極厚度和結構對其引線間鍵合率的影響Table 1 Influences of MIT metal electrode thickness and structure on bonding ratio

當Au電極厚度為0.7μm時，未鍵合成功的焊點失效形貌如圖2(a)所示，由于金屬電極層過薄，劈刀下壓過程中膜層被破壞，且由于M IT屬于脆性材料，因而會對M IT芯片造成損傷，出現(xiàn)焊盤出坑現(xiàn)象。當Au電極厚度為1.0μm時，未鍵合點形貌出現(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)應力，降低了Au與M IT間的結合力。因此，在引線鍵合的過程中，極易使引線與金屬電極間脫焊。為了提高金屬電極與M IT芯片間的結合力，實驗中以蒸鍍0.2μm In作為中間過渡層制備In/Au復合電極。為了進一步研究作為過渡層的In與Au電極相互作用機制，通過XPS深度剖析對Au/In/M IT接觸的金屬電極界面Au和In的芯能級進行測試，其結果如圖3所示。從圖3可以看出：隨著刻蝕時間遞增，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合能并未發(fā)生偏移，因而可以推測在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In在Au電極和M IT界面都存在顯著的擴散，這種擴散現(xiàn)象不僅提高了In/Au復合電極與M IT芯片間的結合力，而且有利于使鍵合過程中所施加的鍵合壓力在In過渡層中緩沖，減小內(nèi)應力，從而使鍵合率和鍵合質(zhì)量大大提高[22]。因此，In/Au復合電極是較佳的金屬電極組成，在本實驗條件下，其復合電極的鍵合率可達到100%(見表1)。

圖2 MIT金屬電極與引線未鍵合的焊點形貌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)對第一焊點形貌及鍵合強度的影響

通常超聲功率和鍵合壓力對鍵合質(zhì)量和焊球外觀形貌影響最大，過小會導致金球小，使引線與金屬電極間無連接，過大容易導致芯片破裂或內(nèi)部出現(xiàn)裂紋。一般超聲功率和鍵合壓力是一對相互關聯(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鍵合工具傳遞到鍵合點處，過大的鍵合壓力會阻礙鍵合工具的運動，抑制超聲能量的傳導，導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]。焊點的外觀是評價鍵合質(zhì)量最簡單直接的定性方法，對于球鍵合，標準且形態(tài)良好的球一般鍵合質(zhì)量較好，可靠性較高，通過SEM觀測焊點外形，可初步判斷鍵合質(zhì)量的優(yōu)劣。標準且形態(tài)良好的球應具有以下特點：第一焊點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渡平滑[5,23]。本實驗在超聲時間為30ms條件下，獲得超聲功率和鍵合壓力對M IT復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第一焊點焊球的外觀形貌也會產(chǎn)生一定的影響，當鍵合壓力為0.5～0.6N，超聲功率為0.45～0.55W時，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，說明此時有效鍵合面積較大，鍵合強度較高，焊點結合均勻牢固且產(chǎn)生的應力集中現(xiàn)象較小。當鍵合壓力增加到0.8～0.9N、超聲功率增加到0.75～0.85W時，焊接區(qū)域變大，焊球與引線的直徑比達到4.2左右，焊球變形較大，金球坍塌且形狀已偏離標準的半球狀，如圖4(b)所示，說明此時引線與金屬電極間形成了過鍵合，局部產(chǎn)生了較大塑性變形與殘余應力，導致鍵合強度降低。本實驗預先選定鍵合壓力為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，鍵合壓力分別為：0.4、0.5和0.6N，觀察焊點外觀形貌，計算焊球與引線的直徑比。結果發(fā)現(xiàn)，在這兩種鍵合工藝條件下，焊點形貌與直徑比幾乎沒有變化，這說明超聲功率和鍵合壓力是一對相互關聯(lián)的參數(shù)，兩者需協(xié)調(diào)改變，才能達到最好鍵合的目的。

圖4 鍵合工藝參數(shù)對鍵合點形貌及鍵合質(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

對不同工藝參數(shù)下的鍵合成功的試樣進行拉力測試，通過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，說明鍵合過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)，說明鍵合過程中做球參數(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致失效；若斷裂位置在引線(Wire)處，此處為拉力失效實驗正常斷裂的位置，說明鍵合過程中焊接參數(shù)選擇較優(yōu)，鍵合質(zhì)量較好；若斷裂位置在焊盤(Pad)上，說明焊接時參數(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，M IT復合電極與引線鍵合失效位置統(tǒng)計圖。從圖5可以看出：當鍵合壓力和超聲功率較小時，在Heel位置斷裂的幾率較大；當鍵合壓力為0.5～0.6N、超聲功率為0.45～0.55W時，鍵合失效位置約90%以上斷裂在引線位置處，表明此時焊球與金屬電極間的結合力較強，鍵合強度較高，可靠性較好；當鍵合壓力和超聲功率分別大于0.7N和0.65W 時，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。

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

3 結論

1)經(jīng)2%Br2-C3H7NO化學拋光2m in后的M IT晶片，表面粗糙度由機械拋光后的3.80 nm降低為2.41 nm，表面機械損傷層被明顯去除，化學拋光能有效地減小晶格畸變與應力集中，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間的結合力對鍵合率的影響至關重要。金屬電極太薄，鍵合過程容易對M IT芯片造成損傷，使芯片破裂或暗裂；Au與M IT間的結合力較差，使得鍵合過程中Au電極容易被剝落，當加入0.2μm In作為中間過渡層，同時Au膜厚度為 1.0μm制備 In/Au復合電極(0.2μm In+1.0μm Au)時，鍵合率將顯著提高，達到100%。Au/In/M IT界面XPS全譜分析結果表明，復合電極與M IT間存在一定的互擴散促進了鍵合過程的形成。

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

[1]何 田.引線鍵合技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].電子工業(yè)專用設備,2004,33(10):12?14.HE Tian.Research state and progress on technology of w ire bonding[J].Special Equipment for the Electronics Industry,2004,33(10):12?14.

[2]晁宇晴,楊兆健,喬海靈.引線鍵合技術進展[J].電子工藝技術,2007,28(4):205?210.CHAO Yu-qing,YANG Zhao-jian,QIAO Hai-ling.Progress on technology of w ire bonding[J].Electronics Process Technology,2007,28(4):205?210.

[3]ZHONG Fei,WANG Zhi-jie,XU Yan-bo,YE De-hong,SHU Ai-peng,CHEN Quan.A review on w ire bonding process in electronic manufacturing[J].Electronic&Packaging,2013,13(1):1?8.

[4]董永謙.熱聲焊機的研制與工藝研究[J].電子工藝技術,2004,25(2):84?85.DONG Yong-qian. Design and development of ultrasonic/thermosonic soldering equipment[J]. Electronics Process Technology,2004,25(2):84?85.

[5]李元升.引線鍵合機工藝技術分析[J].電子工業(yè)專用設備,2004,33(2):78?81.LIYuan-sheng.Technology analysis of w ire bonder[J].Special Equipment for the Electronics Industry,2004,33(2):78?81.

[6]JELLISON J.Effect of surface contamination on the thermocompression bondability of gold[J].IEEE transactions on parts,hybridsand packaging,1975,11(3):206?211.

[7]TU K N.Irreversible processes of spontaneous whisker grow th in bimetallic Cu-Sn thin-film reaction[J].Physical Review B,1994,49(3):2030?2034.

[8]CHEN G K C.The role of micro-sip ultrasonic bonding of micro-electronic dimensions[C]//1972 International M icroelectronic Symposium.Washington,DC,1972:5A11?5A19.

[9]M INDLIN R D.Compliance of elasticbodies in contact[J].Journalof Applied Mechanics,1949,16:259?268.

[10]GRUSHKA O G,BAKHTINOV A P,GRUSHKA Z M.Advanced semiconductor compound Hg3In2Te6[J].Journal of Advanced Materials,1997(4):36?39.

[11]MALIK A,VIERA M,FERNANDES M,MAGARICO F,GRUSHKA Z M.Near-infrared photodetectors based on HgInTe-semiconductor compound[C]//Proceedings of SPIE Conference on Photodetectors:Materials and Devices IV.California:Society of Photo-optical Instrumentation Engineers,1999:433?442.

[12]SUN J,FU L,LIU HW,LIY P,RINGER SP,LIU ZW.On the morphology and crystallography of Hg5In2Te8precipitation in Hg3In2Te6[J].Journal of A lloys and Compounds,2014,601:298?306.

[13]朱炳金,林 磊,宋開臣,王 晶.InSb紅外探測器芯片金絲引線鍵和工藝研究[J].紅外與激光工程,2013,42(1):46?50.ZHU Bing-jin,LIN Lei,SONG Kai-chen,WANG Jing.InSb infrared detector chip gold w ire bonding process study[J].Infrared and Laser Engineering,2013,42(1):46?50.

[14]田立萍,朱穎峰,王 微,徐世春,董 黎,熊 雄.制冷型紅外焦平面探測器引線鍵合質(zhì)量優(yōu)化研究[J].紅外技術,2012,34(12):699?703.TIAN Li-ping,ZHU Ying-feng,WANG Wei,XU Shi-chun,DONG Li,XIONG Xiong.Study on optimum of w ire bonding for the cooled infrared focal plane detector[J].Infrared Technology,2012,34(12):699?703.

[15]馬 鑫,何小琦.集成電路內(nèi)引線鍵合工藝材料失效機制及可靠性[J].電子工藝技術,2001,22(5):185?191.MA Xin,HE Xiao-qi.W ire bonding for IC technology materials failure mechanism and reliability[J]. Electronics Process Technology,2001,22(5):185?191.

[16]HARMAN G G,ALBERS J.The ultrasonic weldingmechanism asapplied toaluminum-and gold-wirebonding inmicroelectronics[J].IEEE Transactions on Parts,Hybrids,and Packaging,1977,13(4):406?412.

[17]JOSHI K C.The formation of ultrasonic bonds between metals[J].Welding Journal,1971,50(12):840?848.

[18]HARMAN G G,LEEDY K O.An experimental modal of the microelectronic w ire bonding mechanism[C]//Proceeding 10th Annual on Reliability Physics Symposium.Las Vegas,1972,8(4):49?56.

[19]LANGENECKER B.Effects on ultrasound on deformation characteristics of metals[J].IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics,1966,13(1):1?8.

[20]CHEVALIER J L,GIBBONS D F,LEONARD L.High frequency fatigue in aluminum[J].Journal of Applied Physics,1972,43(1):73?77.

[21]姜 威,常保華,都 東,黃 華,周運鴻.引線鍵合中材料參數(shù)對硅基板應力狀態(tài)的影響[J].焊接學報,2012,33(3):13?17.JIANG Wei,CHANG Bao-hua,DOU Dong,HUANG Hua,ZHOU Yun-hong.Wire bondingmaterial parameters in the effect of stress on silicon substrate[J].Transactions of the China Welding Institution,2012,33(3):13?17.

[22]KIM J,JEONG B,CHIAOM,LIN LW.Ultrasonic bonding for MEMS sealing and packaging[J].IEEE Transactions on Advanced Packaging,2002,32(2):461?466.

[23]蔡偉智.發(fā)光二極管引線鍵合可靠性探討[J].可靠性分析與研究(質(zhì)量工程卷),2007(4):34?36.CAIWei-zhi.Wire bonding reliability for lightemitting diode[J].Reliability Analysis and Research (Quality Engineering),2007(4):34?36.

[24]ROONEY D T,NAGER D P,GEIGER D,AHANGUAN D.Evaluation ofw ire bonding performance,process conditions and metallurgical integrity of chip on board w ire bonds[J].M icroelectronics Reliability,2005,45(2):379?390.