熱超聲鍵合第二焊點(diǎn)研究進(jìn)展

徐慶升，陳悅霖

（合肥通富微電子有限公司，合肥 230601）

1 引言

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，從1947年就開始應(yīng)用引線鍵合作為初級互連技術(shù)[1-2]。與新興的倒裝芯片和硅通孔等互連技術(shù)相比，引線鍵合技術(shù)具有靈活性好、成本低和可靠性好等優(yōu)勢，仍是目前應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體芯片互連技術(shù)[3-7]。引線鍵合技術(shù)包括超聲鍵合、熱壓鍵合和熱超聲鍵合三種。熱超聲鍵合由于耗時(shí)短、鍵合溫度低和便于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，成為了工業(yè)生產(chǎn)中最主要的引線鍵合方法[1,3,7]。熱超聲鍵合的第一焊點(diǎn)為球形，第二焊點(diǎn)為楔形，所以又稱為“球-楔鍵合”。第一焊點(diǎn)的形成過程、參數(shù)的優(yōu)化、材料學(xué)機(jī)制、可靠性失效模式與機(jī)理等方面均有較為深入和系統(tǒng)的研究和論述[8-13]。因?yàn)閮蓚€(gè)焊點(diǎn)的外觀形狀、鍵合過程和焊點(diǎn)冶金特性均不相同，所以第一焊點(diǎn)的相關(guān)研究結(jié)果不適用于第二焊點(diǎn)。雖然針對第二焊點(diǎn)（后簡稱“二焊點(diǎn)”）的研究也有很多[14-17]，但是仍然缺乏較為系統(tǒng)的總結(jié)，不能夠很好地幫助工程技術(shù)人員解決在研發(fā)和生產(chǎn)中遇到的問題。因?yàn)榇蠹s有95%的電子器件采用塑料封裝[1]，所以本文較為系統(tǒng)地介紹了塑封器件中第二焊點(diǎn)的研究進(jìn)展，為鍵合工藝優(yōu)化和良率的提升提供參考，也對相關(guān)研究有借鑒意義。

2 二焊點(diǎn)鍵合過程

圖1展示了熱超聲引線鍵合第二焊點(diǎn)的形成過程。劈刀從搜索高度勻速下降到焊接表面后，在超聲能量和鍵合壓力共同作用下，鍵合絲受擠壓而變形；同時(shí)，鍵合絲和引線腳鍍層之間相互擴(kuò)散，形成鍵合界面。之后,焊頭上升到線尾高度，線夾關(guān)閉，扯斷線尾。

圖1 熱超聲鍵合第二焊點(diǎn)鍵合過程

從圖2（a）中可以觀察到，在扯斷線尾之前，二焊點(diǎn)包括新月狀焊接區(qū)域（習(xí)慣上稱為“魚尾”）和尾焊點(diǎn)。二焊點(diǎn)的跟部（Heel）是指“魚尾”和正常鍵合絲的連接處。扯斷線尾之后，二焊點(diǎn)只有“魚尾”部分，因此二焊點(diǎn)鍵合強(qiáng)度通常是指“魚尾”和框架上內(nèi)引腳之間的結(jié)合強(qiáng)度。尾焊點(diǎn)則會通過影響線尾的形狀和長度，間接影響下一根焊線的空氣球質(zhì)量。從圖2（b）（c）中可以看出，劈刀的頂端直徑（Tip）、外側(cè)倒圓半徑（Outer Radius，OR）和端面傾角（Face Angle，F(xiàn)A）會影響第二焊點(diǎn)“魚尾”的形狀，從而影響二焊點(diǎn)拉力的大??；而尾焊點(diǎn)則與劈刀的內(nèi)倒角直徑（Chamfer Diameter，CD）和內(nèi)倒角角度（Inner Chamfer Angle）關(guān)系密切。

圖2 焊點(diǎn)外形及其與劈刀的關(guān)系

3 二焊點(diǎn)鍵合理論研究

3.1 超聲鍵合機(jī)制

由于金屬在空氣中會氧化和吸附氣體，故而其表面存在著表面層，習(xí)慣上稱為氧化膜。當(dāng)兩塊金屬互相接觸，并在壓力作用下發(fā)生塑性形變時(shí)，接觸面會延展變大，氧化膜會被撕裂而破碎。這使得兩塊金屬在氧化膜被清除的地方產(chǎn)生潔凈表面并緊密接觸，在金屬鍵和范德華力的作用下，兩塊金屬產(chǎn)生結(jié)合強(qiáng)度，這種現(xiàn)象被稱為冷壓焊[19-21]。在冷壓焊機(jī)制下結(jié)合強(qiáng)度與表面延展率和正壓力之間的關(guān)系為[21]：

其中σB是結(jié)合強(qiáng)度，σO是基材金屬強(qiáng)度，β是污染物破裂機(jī)制區(qū)域占總接觸面積的比例，Y是結(jié)合處的表面裸露率，p是基材金屬表面的正壓力，pE是擠出壓力，Y′是臨界表面暴露率。該理論可以很好地解釋熱壓鍵合工藝中鍵合強(qiáng)度的成因[22]，但是無法解釋超聲輸出在超聲鍵合和熱超聲鍵合中所起的重要作用。

當(dāng)鍵合工具對焊點(diǎn)施加鍵合壓力和超聲振動(dòng)時(shí)，將會對鍵合界面產(chǎn)生正壓力和剪切力。當(dāng)剪切力小于某一臨界值時(shí)，接觸區(qū)域中心部分處于相對靜止的狀態(tài)，而其邊緣將會產(chǎn)生微滑移。當(dāng)接觸區(qū)域?yàn)閳A形時(shí)，微滑移區(qū)域?yàn)榄h(huán)狀，微滑移區(qū)域內(nèi)徑可由下面的公式計(jì)算[23]：

其中a′為微滑移環(huán)內(nèi)徑，a為接觸區(qū)域半徑（即微滑移環(huán)外徑），S為剪切力，N為正壓力，μ為靜摩擦系數(shù)。當(dāng)剪切力大于臨界值μN(yùn)時(shí)，鍵合界面兩側(cè)的材料產(chǎn)生整體滑移。這樣的相對運(yùn)動(dòng)可以破壞金屬表面的氧化膜，使整體金屬產(chǎn)生緊密接觸，從而產(chǎn)生鍵合強(qiáng)度。上述理論被稱為微滑移理論，其在一定程度上說明了超聲振動(dòng)在鍵合過程中所起的作用，彌補(bǔ)了冷壓焊機(jī)制的不足，被用于解釋超聲和熱超聲鍵合強(qiáng)度產(chǎn)生的原因[23-25]。但是，鍵合中發(fā)生的很多物理化學(xué)過程，微滑移理論并未考慮。尤其是無法解釋超聲鍵合過程中的擴(kuò)散速率遠(yuǎn)高于同溫度下的熱擴(kuò)散速率這一現(xiàn)象。

金屬中原子在晶界和位錯(cuò)等晶體缺陷處的擴(kuò)散速率要高于在晶內(nèi)的擴(kuò)散速率，這些缺陷形成了短路擴(kuò)散通道。在超聲鍵合過程中，金屬原子是在濃度梯度、化學(xué)位梯度和應(yīng)力梯度的驅(qū)動(dòng)下，通過短路通道進(jìn)行快速擴(kuò)散[26-27]?！岸搪窋U(kuò)散”理論將鍵合過程分成了三個(gè)階段：

（1）物理接觸階段。在超聲振動(dòng)和鍵合壓力作用下，焊點(diǎn)金屬因位錯(cuò)增殖、滑移而產(chǎn)生大量晶體缺陷，同時(shí)發(fā)生塑性流變，表面脆氧化層破裂。

（2）接觸界面擴(kuò)散階段。原子沿接觸界面、晶界和位錯(cuò)等通道快速擴(kuò)散，形成結(jié)合層。

（3）結(jié)合層增厚階段。鍵合界面的原子在超聲振動(dòng)、溫度和鍵合壓力作用下繼續(xù)擴(kuò)散，結(jié)合層厚度不斷增加，從而得到足夠的鍵合強(qiáng)度。

“短路擴(kuò)散”理論闡述了超聲鍵合中鍵合強(qiáng)度產(chǎn)生的過程，指出了金屬原子擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力和通道，解釋了超聲鍵合過程中發(fā)生原子快速擴(kuò)散的原因。該理論結(jié)合了冷壓焊機(jī)制和微滑移理論，并克服了前兩者的不足。但是，目前關(guān)于超聲鍵合機(jī)制的理論側(cè)重于定性說明，仍然沒有構(gòu)建起可靠的數(shù)學(xué)模型。這使得生產(chǎn)中工藝的優(yōu)化十分依賴經(jīng)驗(yàn)且效率低下。建立鍵合工藝參數(shù)和金屬原子擴(kuò)散之間的定量關(guān)系是一個(gè)亟待解決的問題。

3.2 材料學(xué)研究

不同種類的金屬之間相互擴(kuò)散，可能產(chǎn)生固溶體，也可能產(chǎn)生金屬間化合物（Intermetallic Compound，IMC）。IMC往往較硬較脆、導(dǎo)電性較差，會帶來一定的可靠性風(fēng)險(xiǎn)[1,3]。與一焊點(diǎn)不同，二焊點(diǎn)鍵合中常見的Au-Ag和Cu-Ag冶金系統(tǒng)不會產(chǎn)生IMC[3,28-29]，只會發(fā)生兩種金屬互溶。二焊點(diǎn)鍵合強(qiáng)度的主要來源是鍵合絲與內(nèi)引腳鍍層之間的機(jī)械嚙合以及超聲、溫度和壓力導(dǎo)致的相互擴(kuò)散。

文獻(xiàn)[30]利用透射電子顯微鏡對銅線和鍍銀框架鍵合形成的二焊點(diǎn)進(jìn)行了研究，確認(rèn)了在裸銅線和銀鍍層之間存在幾十納米厚的擴(kuò)散層，并無IMC存在。對鍍鈀銅線和鍍銀框架鍵合情況的研究表明鍍鈀銅線中的鍍鈀層在二焊點(diǎn)鍵合過程中起到了兩個(gè)作用：一是有效避免銅線表面氧化；二是在阻礙Cu-Ag相互擴(kuò)散的同時(shí)，形成了Cu-Pd和Ag-Pd的互擴(kuò)散區(qū)域[30-31]。

雖然Cu-Au冶金系統(tǒng)存在Cu3Au、CuAu和CuAu3三種IMC[29]，但是文獻(xiàn)[32]表明常溫超聲鍵合時(shí)，在Cu-Au界面沒有IMC存在?？紤]到鍵合溫度上的顯著差異，熱超聲鍵合中Cu-Au鍵合界面是否會形成IMC需要加以研究。

針對二焊點(diǎn)的材料學(xué)研究仍有兩方面不足。一方面，已有研究都是以鍵合后的焊點(diǎn)為對象，缺乏對鍵合過程的動(dòng)態(tài)觀察，不能很好地支持鍵合理論研究。另一方面，金屬間擴(kuò)散層的微觀結(jié)構(gòu)會影響其力學(xué)性能，對鍵合強(qiáng)度產(chǎn)生重要的影響，然而目前尚缺乏對擴(kuò)散層微觀結(jié)構(gòu)的研究。因此，需要在鍵合過程原位觀察和擴(kuò)散層微觀結(jié)構(gòu)兩方面開展相關(guān)研究。

3.3 數(shù)值模擬

因?yàn)闊岢曟I合焊接持續(xù)時(shí)間短、作用力復(fù)雜且外觀尺寸很小，所以鍵合中的力學(xué)過程很少有原位、動(dòng)態(tài)的研究，相關(guān)研究大部分是采用數(shù)值模擬方法，其中最常用的是有限元法。關(guān)于熱超聲鍵合第二焊點(diǎn)數(shù)值模擬的研究相對較少。文獻(xiàn)[17]通過有限元法得到了二焊點(diǎn)的Mises應(yīng)力分布和等效塑性應(yīng)變。二焊點(diǎn)跟部和尾焊點(diǎn)部分所受應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變均較大。尾焊點(diǎn)部分應(yīng)力、應(yīng)變較大有利于扯斷線尾，但是跟部應(yīng)力、應(yīng)變較大會增加跟部裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

4 二焊點(diǎn)鍵合質(zhì)量

4.1 二焊點(diǎn)鍵合質(zhì)量檢測方法

4.1.1鍵合完整性測試

為了及時(shí)檢出不良產(chǎn)品，自動(dòng)焊線機(jī)在作業(yè)過程中會利用鍵合完整性測試系統(tǒng)（The Bond Integrity Test System，BITS）對鍵合過程進(jìn)行在線檢測。BITS系統(tǒng)能夠偵測二焊點(diǎn)相關(guān)異常為二焊點(diǎn)不粘（Not Stick on Lead，NSOL）和短尾（Short Tail，SHTL）。圖3（a）（b）為正常鍵合情況下二焊點(diǎn)BITS偵測過程的示意圖，其中芯片和內(nèi)引腳都已接地。在劈刀達(dá)到線尾高度后線夾會關(guān)閉。由于鍵合絲有一定的延展性，故而線夾關(guān)閉后，焊頭再上升一段距離后才會扯斷線尾。在此期間，機(jī)臺會進(jìn)行SHTL偵測。若線夾和芯片/內(nèi)引腳處于連通狀態(tài)，則說明線尾長度符合要求。在此之后，機(jī)臺開始進(jìn)行NSOL偵測。若線夾和芯片/內(nèi)引腳處于斷路狀態(tài)，則說明二焊點(diǎn)完整。

圖3 二焊點(diǎn)BITS偵測過程

如圖3（c）所示，在NSOL偵測過程中，如果線夾和芯片/內(nèi)引腳之間處于導(dǎo)通狀態(tài)，機(jī)臺會報(bào)警發(fā)生NSOL。導(dǎo)致NSOL報(bào)警的常見原因有鍵合參數(shù)不合適，機(jī)臺故障，產(chǎn)品壓合不良，劈刀沾污或磨損，內(nèi)引腳鍍層不良、沾污或氧化，線材沾污或氧化等。

如圖3（d）所示，在SHTL偵測過程中，如果在線夾和芯片/內(nèi)引腳之間處于斷路狀態(tài)，說明在焊頭到達(dá)機(jī)臺設(shè)定的扯斷線尾位置之前，線尾就已經(jīng)與內(nèi)引腳斷開，線尾長度小于需要的長度，這種情況下機(jī)臺就會發(fā)出SHTL報(bào)警。鍵合參數(shù)不佳，劈刀選擇不當(dāng)和材料異常都會引起短尾問題。在拉斷線尾之前，尾焊點(diǎn)部分鍵合絲與內(nèi)引腳之間的結(jié)合強(qiáng)度被稱為尾焊點(diǎn)強(qiáng)度。有研究表明，合適的尾焊點(diǎn)強(qiáng)度是避免SHTL的必要條件[33-35]。需要注意的是，使“魚尾”結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)的鍵合參數(shù)并不一定能夠使尾焊點(diǎn)強(qiáng)度也達(dá)到最優(yōu)[15]，優(yōu)化二焊點(diǎn)參數(shù)時(shí)需要兼顧兩者。

4.1.2二焊點(diǎn)拉力測試

因?yàn)樵谒芊猱a(chǎn)品中，框架、塑封料和鍵合絲的熱膨脹系數(shù)不匹配使線弧受到過大的應(yīng)力作用是產(chǎn)品中二焊點(diǎn)失效的重要原因之一，所以目前常用二焊點(diǎn)拉力測試來評估二焊點(diǎn)的牢固程度。二焊點(diǎn)拉力測試是指用鉤針在距離二焊點(diǎn)跟部一倍線徑處垂直向上鉤斷鍵合絲，測得拉力值。如圖4所示，F(xiàn)為鉤針?biāo)艿睦Γ蠢C(jī)測得的拉力），fwd和fwt分別為鍵合絲對一焊點(diǎn)和二焊點(diǎn)的沿線拉力，則有[1]：

圖4 拉力測試中鍵合絲受力

其中H為兩個(gè)焊點(diǎn)焊接表面的高度差，h為鉤針位置與較高焊接表面的高度差，d是線弧長度，ε為鉤針投影點(diǎn)距二焊點(diǎn)水平距離與兩個(gè)焊點(diǎn)間水平距離的比值，φ為鉤針拉力方向與垂直方向的夾角。

對于同一引線框架，H的大小主要由芯片厚度決定。若線弧形狀為標(biāo)準(zhǔn)線弧，在d和H一定時(shí)，h由線弧高度決定。當(dāng)鉤針垂直向上時(shí)，φ=0°，則式（4）可以化簡為：

從式（5）中可以看出二焊點(diǎn)拉力值會受到線弧高度、線弧長度、鉤針位置和芯片厚度等因素的影響。這說明二焊點(diǎn)拉力值并不完全由二焊點(diǎn)強(qiáng)度決定，只是對二焊點(diǎn)強(qiáng)度的一種定性評估方法。

在二焊點(diǎn)拉力測試中，除了二焊點(diǎn)拉力值之外，一般也需要考察拉力測試后二焊點(diǎn)失效模式和“魚尾”殘留比例。通過觀察失效模式和“魚尾”殘留比例可以確認(rèn)失效的原因是跟部強(qiáng)度低還是界面強(qiáng)度低。需要注意的是，二焊點(diǎn)處線弧與鍵合界面的夾角也會影響“魚尾”殘留比例，“魚尾”殘留比例也只是一種大致評估界面強(qiáng)度的方法。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要結(jié)合二焊點(diǎn)拉力值、失效模式和“魚尾”殘留比例等幾個(gè)方面來綜合評估二焊點(diǎn)強(qiáng)度。

4.2 二焊點(diǎn)質(zhì)量影響因素

4.2.1鍵合參數(shù)

傳統(tǒng)上，熱超聲鍵合的4個(gè)主要參數(shù)為鍵合溫度、超聲功率、鍵合時(shí)間和鍵合壓力。

鍵合溫度是熱超聲鍵合中最重要的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，鍵合溫度降低會使二焊點(diǎn)鍵合強(qiáng)度下降[36]。溫度降低會抑制原子熱運(yùn)動(dòng)，不利于鍵合界面處原子的擴(kuò)散，所以在條件允許的情況下，提高鍵合溫度會幫助提升鍵合強(qiáng)度。但是，溫度過高會導(dǎo)致有機(jī)基板轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)、引發(fā)引線框架銀鍍層及銅合金基材氧化、裝片膠空洞、塑封分層等問題[3]。一般鍵合溫度根據(jù)基板或框架的材質(zhì)、鍵合絲材質(zhì)、產(chǎn)品種類和特點(diǎn)來確定。

增大超聲功率也可以促進(jìn)原子擴(kuò)散，提升二焊點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度。但是過大的超聲功率會使二焊點(diǎn)的跟部和“魚尾”受損[16]，導(dǎo)致二焊點(diǎn)強(qiáng)度降低，甚至在可靠性試驗(yàn)中產(chǎn)生跟部斷裂。對于尾焊點(diǎn)，過大的超聲功率也會產(chǎn)生“過鍵合”，從而導(dǎo)致線尾長度或形狀異常，影響鍵合作業(yè)。鍵合劈刀的磨損也與二焊點(diǎn)的超聲功率有關(guān)。過大的二焊點(diǎn)超聲功率會顯著加重劈刀磨損，縮短其壽命。

鍵合時(shí)間決定了超聲功率作用的時(shí)間長短。過短則原子擴(kuò)散不充分，二焊點(diǎn)強(qiáng)度減弱；過長則可能會導(dǎo)致跟部產(chǎn)生裂紋，減弱二焊點(diǎn)強(qiáng)度。

鍵合絲在鍵合壓力作用下的塑性形變過程會清除焊接表面的氧化層，增加鍵合絲和內(nèi)引腳金屬的直接接觸面積，從而影響二焊點(diǎn)強(qiáng)度[37-38]。鍵合壓力過小會使得二焊點(diǎn)界面強(qiáng)度降低。在一定范圍內(nèi)，增加鍵合壓力可以增加二焊點(diǎn)強(qiáng)度[14]。當(dāng)有引線腳振動(dòng)問題存在時(shí)，利用適宜的超聲功率結(jié)合較大的鍵合壓力可以優(yōu)化“魚尾”撕裂的情況，并獲得良好的二焊點(diǎn)拉力值[35,39]。但是，增大鍵合壓力對二焊點(diǎn)強(qiáng)度的改善作用是有限的。當(dāng)超過臨界點(diǎn)后，再增加一定的壓力，拉力值不再增加，基本平穩(wěn)[14]。如果繼續(xù)加壓，壓力過大，則會抑制換能器和劈刀的振動(dòng)，降低二焊點(diǎn)界面強(qiáng)度；同時(shí)也增加了二焊點(diǎn)跟部產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，使二焊點(diǎn)拉力強(qiáng)度降低。

表1中展示了金線鍵合過程中超聲功率、鍵合壓力和鍵合時(shí)間對二焊點(diǎn)的影響。

表1 金線鍵合過程中超聲功率、鍵合壓力和鍵合時(shí)間對二焊點(diǎn)的影響[16]

此外，目前主流全自動(dòng)球焊機(jī)都添加了摩擦（Scrub）功能。開啟摩擦功能時(shí)，焊頭在X-Y工作臺的帶動(dòng)下，做直線或曲線運(yùn)動(dòng)，可以使劈刀端部在超聲振動(dòng)之外再增加一個(gè)運(yùn)動(dòng)分量，起到提高焊接強(qiáng)度和減少焊接時(shí)間的作用。在一些傳統(tǒng)參數(shù)無法有效鍵合的情況下，可以在摩擦功能的幫助下獲得理想的二焊點(diǎn)[40]。此外，使用摩擦功能也有助于增強(qiáng)工藝的穩(wěn)定性，提高生產(chǎn)效率[35,41]。合適的摩擦參數(shù)可以改善尾焊點(diǎn)，減少SHTL發(fā)生的幾率。在QFN等產(chǎn)品中，為了避免內(nèi)引腳與換能系統(tǒng)發(fā)生共振引起二焊點(diǎn)質(zhì)量問題，往往不使用超聲輸出，而用頻率較低的摩擦動(dòng)作，結(jié)合較大的鍵合壓力來完成二焊點(diǎn)焊接[17,42-43]。

4.2.2鍵合工具

熱超聲鍵合所用的鍵合工具，又稱劈刀或毛細(xì)管（Capillary），是球焊機(jī)和焊接點(diǎn)之間能量耦合的媒介。選擇合適的劈刀對提升二焊點(diǎn)的質(zhì)量非常重要。劈刀對二焊點(diǎn)的影響主要在兩個(gè)方面，其一是劈刀端部的外形尺寸直接影響二焊點(diǎn)的外形，其二是劈刀端面的后處理工藝（Finishing）會影響超聲能量的耦合情況。

如圖2（b）和（c）所示，劈刀的Tip大小會影響二焊點(diǎn)的長度，一般在條件允許的情況下Tip越大，二焊點(diǎn)拉力值越大。FA會影響二焊點(diǎn)的厚度，F(xiàn)A過大會導(dǎo)致“魚尾”過薄，過小會使得“魚尾”面積變小，都會導(dǎo)致二焊點(diǎn)拉力值降低。FA取值為4°、8°或11°的劈刀較為常見。OR會影響二焊點(diǎn)跟部形狀，也會在一定程度上影響二焊點(diǎn)的長度。過大的OR會使二焊點(diǎn)長度變短，過小會讓二焊點(diǎn)跟部變得脆弱。OR需要與FA配合選用，一般FA較小會搭配較大的OR，較大的FA會搭配較小的OR。尾焊點(diǎn)的外形主要受兩個(gè)劈刀外觀尺寸的影響，一個(gè)是CD與H的差值，另一個(gè)是ICA。它們會影響尾焊點(diǎn)的形狀與強(qiáng)度，在優(yōu)化SHTL時(shí)需要詳細(xì)考量。

劈刀端面的后處理工藝已經(jīng)從最初的光滑型發(fā)展出了啞光型以及用于銅線鍵合的粗糙型。各劈刀廠商往往還有自己獨(dú)特的后處理工藝。粗糙化的端面可以提升超聲能量的耦合效率，提升二焊點(diǎn)強(qiáng)度，減少SHTL發(fā)生次數(shù)，擴(kuò)大工藝窗口[44-46]。但是，當(dāng)鍵合絲和內(nèi)引腳鍍層較軟時(shí)，端面粗糙化會增大其被金屬碎屑沾污的幾率。

在批量生產(chǎn)中，劈刀會隨著使用過程逐漸磨損，其外形尺寸及端面粗糙度均會發(fā)生變化。這就要求在批量生產(chǎn)之前要對所用劈刀的壽命進(jìn)行驗(yàn)證，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。

4.2.3鍵合絲

鍵合絲的尺寸、材質(zhì)和鍍層工藝都會影響二焊點(diǎn)的質(zhì)量。隨著金鍵合絲的線徑變大，二焊點(diǎn)拉力值的平均值升高[47]。在熱超聲鍵合工藝中，常用的材質(zhì)有金、銀和銅等[48]。金線和銅線往往純度較高（～99.99%）；而由于純銀線強(qiáng)度較低，容易碰絲、塌絲，故而使用較少，實(shí)際應(yīng)用中往往使用銀合金線（銀含量為88%～98%）[5,7,49-51]。一般來說，純金線的強(qiáng)度低于銀合金線和銅線[52]，但是其容易焊接且可靠性能優(yōu)良。為了提升鍵合絲性能，很多種類的鍍層工藝也被應(yīng)用到鍵合絲的生產(chǎn)中[9,53-56]。最常見的鍍層工藝是在銅線表面鍍鈀，稱為鍍鈀銅線或鈀銅線。鍍鈀工藝防止銅線氧化，提升銅線強(qiáng)度和延展性，從而提升二焊點(diǎn)質(zhì)量，獲得更穩(wěn)定的工藝窗口和更好的可靠性。但是，鈀的硬度比銅高，使得焊接相對困難。為了改善上述不足，在鈀銅線的基礎(chǔ)上又發(fā)展了金鈀銅線。金鈀銅線是在鈀銅線上再閃鍍一層金（幾納米厚），以起到減少線材表面損傷和改善鈀銅線焊接性能的作用[57-58]。

4.2.4引線框架和基板

引線框架或基板上對二焊點(diǎn)質(zhì)量影響最大的地方是焊線區(qū)域的鍍層。常見的鍍層有銀鍍層、金（鎳金）鍍層、鎳鈀金鍍層等。

銀鍍層是最常見的二焊點(diǎn)焊區(qū)鍍層，大量應(yīng)用于引線框架類產(chǎn)品中。銀鍍層的厚度、硬度、粗糙度與晶粒尺寸都會影響二焊點(diǎn)的質(zhì)量[59-63]。此外，鍍銀層表面形成的氧化/硫化物以及污染物也會嚴(yán)重影響二焊點(diǎn)強(qiáng)度與可靠性。對于基材為銅合金的鍍銀框架，銀鍍層表面銅離子污染是導(dǎo)致NSOL和可靠性失效的一個(gè)重要因素。銀鍍層表面銅離子的來源有兩個(gè)，其一是電鍍過程帶來的銅離子殘留，其二是從基材中遷移到銀鍍層表面的銅離子[30,60,64-65]?；闹械你~離子會在溫度梯度和化學(xué)勢梯度的作用下，沿著銀鍍層中的晶界遷移到其表面，并在其表面發(fā)生氧化，生成CuO和Cu2O。塑封料的存在會促進(jìn)銅離子的遷移，這可能與塑封料中含有O和S元素有關(guān)[64]。

金（鎳金）鍍層也是一種常見的二焊點(diǎn)焊區(qū)鍍層。在銅基材表面鍍金之前，一般需要先鍍上若干微米厚的鎳作為擴(kuò)散阻擋層，從而形成Ni/Au結(jié)構(gòu)[66]。金鍍層的厚度、硬度和潔凈度會影響鍵合的質(zhì)量和可靠性[67]。

鎳鈀金鍍層在引線框架和基板中都有廣泛的應(yīng)用。鎳鈀金鍍層的厚度、硬度、粗糙度也會顯著影響二焊點(diǎn)強(qiáng)度[63,68-69]。與銀鍍層相比，鎳鈀金鍍層表面硬度要高很多，這會帶來諸如二焊點(diǎn)較難焊接、跟部易受損等問題，需要優(yōu)化工藝加以改善[40-41,70]。

因?yàn)橐€框架和基板在存儲、運(yùn)輸過程中和經(jīng)過裝片固化工序時(shí)，其表面存在有機(jī)物和氧化層，影響鍵合質(zhì)量。所以鍵合前需要進(jìn)行等離子清洗。等離子清洗可以在一定程度上去除引線框架或基板表面的有機(jī)沾污和氧化層，提高二焊點(diǎn)拉力值，增加拉力后“魚尾”殘留比例，減少焊接中出現(xiàn)“魚尾”撕裂的幾率[39，71-73]。需要注意的是，等離子清洗參數(shù)不合適和設(shè)備保養(yǎng)不佳會引起產(chǎn)品的二次污染，降低二焊點(diǎn)質(zhì)量。

5 二焊點(diǎn)可靠性

為了保證電子器件在工作環(huán)境中能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命，在封裝之后要對其可靠性進(jìn)行測試。常見的可靠性測試項(xiàng)目有高溫存儲、溫度循環(huán)、高壓蒸煮和高加速應(yīng)力測試等。

高溫存儲測試（High Temperature Storage，HTS）是將產(chǎn)品置于一個(gè)溫度恒定的高溫環(huán)境中一段時(shí)間，以驗(yàn)證產(chǎn)品抵御高溫的能力。在高溫環(huán)境中，因?yàn)殒I合絲、框架和塑封料的熱膨脹系數(shù)往往不一致，所以在測試過程中，二焊點(diǎn)會承受一定的機(jī)械應(yīng)力。跟部斷裂、二焊點(diǎn)腐蝕和二焊點(diǎn)剝落都可能發(fā)生在HTS測試過程中。造成產(chǎn)品在HTS測試中失效的原因有參數(shù)不合適、內(nèi)引腳存在沾污或氧化現(xiàn)象和塑封料中有含Cl和S的雜質(zhì)等[28]。

溫度循環(huán)測試（Temperature Cycling，TC）是將產(chǎn)品反復(fù)至于冷熱環(huán)境中，以驗(yàn)證產(chǎn)品抵抗高低溫交替而產(chǎn)生應(yīng)力的能力。因?yàn)闇囟确磸?fù)升高和降低，所以在TC測試過程中，二焊點(diǎn)會承受交變應(yīng)力，產(chǎn)生疲勞。如果存在參數(shù)不合適、跟部有微裂紋、鍵合過程中內(nèi)引腳有振動(dòng)或沾污等情況，都使二焊點(diǎn)在TC測試中發(fā)生剝落或者跟部斷裂，導(dǎo)致產(chǎn)品失效[1]。

高壓蒸煮（Pressure Cooker Test，PCT）和高加速應(yīng)力測試（Highly Accelerated Stress Test，HAST）的具體測試條件不同，適用產(chǎn)品類型不同，但都是為了驗(yàn)證產(chǎn)品抵御高溫高濕環(huán)境影響的能力。與HTS測試相比，PCT和HAST測試中二焊點(diǎn)腐蝕斷裂導(dǎo)致的失效更為常見。塑料封裝是非氣密型封裝，使用的塑封料會有千分之幾的吸水率[6]，并且其中往往含有S、Cl或Br等元素。因此，在PCT和HAST測試中，鹵素和水的存在使塑封體內(nèi)產(chǎn)生酸性環(huán)境[13]，腐蝕鍵合用的銅鍵合絲和鍍銀框架。而高溫環(huán)境又會加速腐蝕反應(yīng)速率，從而造成二焊點(diǎn)腐蝕斷裂。帶偏壓的高加速應(yīng)力測試（bHAST）是在一般HAST測試條件的基礎(chǔ)上再向產(chǎn)品施加電場作用，用以評估產(chǎn)品在高溫高濕環(huán)境中正常工作的能力。bHAST測試常見的失效模式與HAST測試相似，但外加電場會同時(shí)增加焊點(diǎn)局部溫度，促進(jìn)腐蝕反應(yīng)，測試條件更為嚴(yán)苛，使得各種失效模式都更容易在bHAST測試中發(fā)生。

6 結(jié)論

本文從鍵合過程、鍵合機(jī)制、鍵合質(zhì)量以及可靠性測試4個(gè)方面較為系統(tǒng)地總結(jié)了熱超聲引線鍵合第二焊點(diǎn)的研究進(jìn)展，為解決研發(fā)和生產(chǎn)中遇到的挑戰(zhàn)、改善良率、提高產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性提供了有益的參考。

為了更好地滿足高I/O芯片、3D封裝和微機(jī)電系統(tǒng)等應(yīng)用對熱超聲鍵合技術(shù)的需求，仍需在以下幾個(gè)方面對熱超聲鍵合第二焊點(diǎn)開展更進(jìn)一步的研究：

1）深化鍵合機(jī)制研究，探討各鍵合參數(shù)在微觀上對金屬間相互擴(kuò)散過程的影響；

2）詳細(xì)分析熱效應(yīng)和超聲振動(dòng)等對焊點(diǎn)上應(yīng)力、應(yīng)變的影響；

3）發(fā)展實(shí)用、高效、準(zhǔn)確的二焊點(diǎn)鍵合質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測和監(jiān)控技術(shù)；

4）憑借大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，發(fā)展簡單高效的二焊點(diǎn)鍵合參數(shù)優(yōu)化方法和可靠性失效分析方法。