键合工艺手艺是半导体封装环节中的主要手艺要领， 而键合系统相关的失效也直接影响着电子元器件的互连可靠性
。虽然同为键合区域的失效， 但失效机理却千差万别
。针对性地讨论了 Au-Al、 Cu-Al 和 Al-Al这 3 个键合系统中常见的基于质料特征和工艺历程的失效模式
。

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键合裂纹又称为 “弹坑”， 最易爆发在 Cu-Al键合系统中
。金键合的工艺是相对早期生长起来的， 工艺较为成熟， 但随着规模的扩大、 市场竞争的一直加剧， 降低本钱成了封装工业关注的焦点
。铜键合由于其低本钱优势和优越的物理和电学性能从中脱颖而出， 并且工艺平台和金键合的相差不大以是容易被移植， 逐步成为消耗类市场键合工艺的趋势
。但同时也由于键合历程 （接触、 预键合和键合） 的参数的提升， 使得该种方法与其他质料的特征参数不匹配而引起键合开裂的征象
。

键合开裂的检测一样平常可用化学要领开封后接纳光学或电子显微镜举行视察， 使用强侵蚀性的酸类（硫酸和发烟硝酸） 去除模塑化合物后袒露芯片键合区， 部分情形下尤其是键合功率过高的情形， 可以直接在 PAD 外貌看到分层甚至开裂征象， 如图2 所示
。在无法充分视察的情形下， 可以选择用强酸对键合区域举行去层 （去键合点及顶层 Al） 处置惩罚后， 在 PAD 区域举行视察
。典范的去层后的在SEM 视察下泛起的介质层开裂形貌如图 3 所示
。

图 2 某传感器开封后芯片外貌键合点处的裂纹

图 3 电源芯片去铝后 PAD 的裂纹形貌

在整个铜键合历程中有几个要害的影响因素，若是键合压力足够大， 会使这一阶段中铜球充分爆发形变， 接下来键合历程中的超声功率就可以被匀称地施加在接触界面从而形成优异的连系
。但若是在铜球没有充分形变的情形下就已经最先施加较大的超声能量， 则会被直接作用于铜-铝连系界面， 这样会对下面的电介质层造成损伤， 随即爆发裂纹
。

除了调解历程的工艺参数外， 也可以选择从结构上来优化铜-铝键合系统
。通过增添铝层的厚度也可以显着地降低裂纹危害
。PAD 上的顶层金属铝具有优异的延展性， 增添金属厚度可以有用地缓冲电介质的受力情形
；蛘， 通过改变通孔阵列（常用钨通孔）， 提升通孔阵列密度， 增添介质层强度， 改善开裂情形
。

在键合系统中由于 2 种差别金属间的太过扩散会导致懦弱的金属间化合物大宗积累， 从而使界面的连系强度下降， 接触电阻变大， 引发产品失效
。

关于 Au-Al 键合由于两者化学势差别， 在高温条件下会爆发多种金属间化合物， 在高于 200 ℃的形况下易天生 5 种金属间化合物， 即：Au2Al、AuAl、 AuAl2、 Au4Al 和 Au5Al2， 其中以 Au5Al2 为主
。由于种种 IMC 的晶格常数和 CTE 差别， 再加上形成阶段导致体积分数纷歧致， 以是差别形成和适用情形条件作用下使得其差别较大
。元器件经由高温或恒久使用后就容易泛起连系面变脆、 键合强度下降等情形， 严重的会使得产品泛起功耗变大甚至开路等失效模式
。通过化学或机械方法开封后可以通过光学显微镜视察到 “紫斑” 或 “白斑” 的征象， 即 AuAl2 或 Au2Al 泛起的颜色
。对键合点做切片截面可以视察到 IMC 的厚度转变
。

Au-Al相关的另 一 种失效模式是柯肯达尔（kirkendall）效应， 主要爆发在金面， 这是由于在高温条件下金的扩散速率比铝快， 金向铝的迅速扩散爆发大宗 Au2Al， 并在金面爆发细小的朴陋和裂纹， 在后续的应用微朴陋逐渐群集连和并扩展， 导致最终脱落
？驴洗锒勇谎匠：苌俦⒂ Cu-Al界面， 很洪流平上是由于铜铝的金属间化合物的天生速率相较之下慢
。同样在 200 ℃的条件下 Au-Al形成100 A的合金层需要的时间不到0.3s， 而Cu-Al 则需要约 20 s 的时间
。

关于 Cu-Al 键合系统而言， 在高温条件下金属 间 相 互 扩 散 形 成 金 属 间 化 合 物 ， 即 ：CuAl2、CuAl 和 Cu9Al4
。一样平常情形下， 铜铝界面的 IMC会随着一直使用和时间延续而一直加厚， 这样会降低金属间的连系强度使连系系统脆性增添， 最终泛起接触电阻变大甚至开路
。在元器件的可靠性试验中一样平常通过高温存贮试验 （HTSL） 来加速 IMC 生长， 来评价器件的可靠性与使用寿命
。

杨建伟等通过试验视察了差别质料的键合丝组成的键合点的IMC随时间生长的转变情形（如图 4 所示）， 可以看出在 500 h 的高温试验后IMC 的厚度泛起显着加剧， 在1 000 h后 Au 和键合点的 IMC 抵达了靠近 3.5 μm
。别的， 在铜丝中掺杂钯元素能有用抑制其 IMC 增添
。

图4 IMC 随时间生长转变情形 （175 ℃）

当差别种类的金属在电解液或类电解液的情形中爆发电接触时， 由于电位差爆发了电流 （电子传输）， 泛起类似于原电池的事情机制
。低电位的金属为阴极， 高电位的金属为阳极， 阳极金属被逐渐消耗侵蚀
。通常来说电势差越大， 接触侵蚀爆发的概率越大， 侵蚀征象也会越严重
。以 Cu-Al 键合系统举例， 在铜铝接触里铜为阴极、 铝为阳极， 阴极铝在这个历程中被逐步消耗同时使得铜铝界面爆发裂纹， 化学反应式如下：

接触侵蚀的失效模式多体现为键合点的接触电阻异常甚至开路， 这种失效机制一样平常不会直接引起泄电或短路危害
。用化学开封视察会发明键合点很容易脱落， 图 5 化开后可见铜键合点脱落， 剩下键合点周围的铝金属和局部裸露下方的介质层
。区别于前文提到的键合工艺裂纹征象， 接触侵蚀并不会对铝层下方的介质层造成裂纹等物理性的破环， 以是可以对键合区域去层视察下方介质层是否保存开裂形貌来加以区分
。对接触侵蚀的键合点做切面，为了更好地视察到 IMC 和侵蚀形貌可以先对其举行离子研磨后再在扫描电子显微镜 （SEM） 下视察， 图 6 中铜键合有显着开裂征象， 周围的铝焊盘毗连处保存显着的侵蚀征象
。在严重侵蚀的键合点也可用 EDX 检测出卤素
。

图 5 某电源芯片开封后键合点局部脱落形貌

图 6 Cu-Al 键合点切片+离子研磨后的 SEM 形貌

已知金属 Au 的电极电位为+1.498 V， Cu 的电极电位为+0.337 V， Al 的电极电位是-1.662 V 的情形下， 为什么接触侵蚀更易爆发在电位差相对较小的 Cu-Al 之间呢？这就又要提到差别 IMC 的形成速率， 上文中说过 Au-Al 之间的反应速率更快，这将直接导致其 IMC 更厚， 而在接触侵蚀的机理中厚的 IMC 起到了更好的缓冲作用平稳了电势差，相反， Cu-Al 之间缺乏这种有用的缓冲
。另外， 由于 Cu 相比 Au 更容易在湿润的情形中泛起氧化反应， 而天生的 Cu2+又抢夺了铝的电子爆发还原反应， 最终导致 Al 被氧化， 这样的一直反应使 Cu界面泛起裂纹而 Al 金属被侵蚀消耗
。

可通过以下要领来镌汰泛起键合点接触侵蚀概率：首先， 可以通过譬如提高键合温度来增添Cu-Al 的 IMC 厚度来增强键合点自己的可靠性；其次， 可以选择接纳低吸水量和更少卤素含量的封装质料来降低氧化和侵蚀反应爆发的可能性；再次， 可以通过接纳镀钯铜线 （PCC） 更好地阻止接触侵蚀爆发
。

功率器件的键合丝退化往往难以单独视察， 这是由于在参数退化的阶段结构上没有陪同着显着的失效， 并且这种老化是以组合的方法来引发器件内种种质料和几何结构的退化
。一旦键合丝脱离断开时， 由于大电流的加载， 疏散界面会瞬间爆发飞弧打火烧蚀甚至损坏器件， 也破损了原始形貌特征
。

一样平常会接纳可靠性试验的要领来监测和检测器件退化
。针对上文中所述的一些键合失效常使用到的可靠性验证是通过温度循环或温度攻击等试验模拟情形转变来实现的， 这相当于是对元器件施加了一个外界的情形应力
。虽然， 有些情形下也会给器件通电， 但由于试验主要是模拟情形温度转变， 以是电流和电压对其影响并不大， 其主要目的在于引发州差别质料连系界面由于热膨胀系数的差别和循环转变带来的应力引发和转变
。而关于本节所述的针对功率器件的可靠性试验还需要选择功率循环试验， 它是通过给器件一定的电流使自身爆发的消耗自动加热再断电后被动降温， 从而让每个周期内器件结温转变 （ΔTj） 坚持在一个恒定值 （通常来说是 100、 125 或 150 ℃）
。在每一个温度波动时代， 差别质料 CTE 的差别与器件自己的几何构建之间差别偏向的温度梯度爆发应力从而造成质料与其毗连的疲劳
。正通例律下， 器件在履历一定的循环周期之后热阻最先缓慢增添， 而更长时间 （一样平常大于 5 000 个循环） 后电参数 VCE 最先逐步升高，通常标记着键合丝已经在爆发退化， 继续试验会泛起键合丝的开裂甚至脱离
。键合点的退化也会引发连锁反应， 键合点在一直退化的历程中接触电阻会逐渐变大， 这将使得器件的功耗增大温度一连升高， 亦会引起焊料的退化导致散热的退化， 既影响芯片焊接的可靠性又影响了键合点
？梢酝ü觳釼CE 的转变来判断键合的状态， 譬如当这个增涨凌驾 5%的时间判据终点
。

通过功率循环试验可以视察到铝键合的退化的示意图 （如图 7 所示）， 从图 7 中可以看出键合丝爆发了一定的位移并在键合点爆发脱离
Ｉ杏幸恢滞嘶樾问羌系愀靠 （如图 8 所示）
。关于MOS管一样平常接纳机械要领去除外貌模塑， 关于 IGBT 一样平常接纳机械开封去除外壳， 再用化学要领去除有机硅凝胶或环氧灌封树脂， 随即对键合点举行视察
。

图 7 老化后键合丝脱离 （lift-off） 示意图

图 8 键合丝根部开裂

图 7 中的键合点脱离主要是由于差别质料间 CTE差别导致爆发剪切力使芯片外貌金属疲劳
。图 8 中的键合开裂则是由于键合丝的热膨胀及由与其几何形状相关的应力形变所导致
。试验证实  铝键合丝的根部开裂与键合丝自身的高宽比例相关， 相对较低的高度易引起键合丝的根部开裂， 可通过调解键合历程中的拉弧参数提升拉弧高度来改善这一情形
。

5、芯片封装洗濯剂选择：

水基洗濯的工艺和装备设置选择对洗濯细密器件尤其主要，一旦选定，就会作为一个恒久的使用和运行方法
。水基洗濯剂必需知足洗濯、漂洗、干燥的全工艺流程
。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类
。离子型污染物接触到情形中的湿气，通电后爆发电化学迁徙，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破损了电路板功效
。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶
。除了离子型和非离子型污染物，尚有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、灰尘等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、爆发气孔、短路等等多种不良征象
。

这么多污染物，究竟哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种因素，焊后必定保存热改性天生物，这些物质在所有污染物中的占有主导，从产品失效情形来而言，焊后剩余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁徙使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必需举行严酷的洗濯，才华包管电路板的质量
。

尊龙凯时科技研发的水基洗濯剂配合合适的洗濯工艺能为芯片封装条件供清洁的界面条件
。

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推荐使用尊龙凯时科技水基洗濯剂产品
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