微电子封装超声键合机理与技术中的科学问题

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阳极键合研究现状及影响因素

阳极键合研究现状及影响因素杜超;刘翠荣;阴旭;赵浩成【摘要】为了提高键合质量、优化键合材料,促进阳极键合技术在工业生产中的应用,本文以“硅/玻璃”的阳极键合为例,阐述了阳极键合作为新型连接工艺的键合机理及工艺过程,介绍了现阶段阳极键合在国内外工业生产中的应用实例及相关研究,尤其是在微电子封装领域所展现的杰出应用前景,同时结合阳极键合过程中对键合参数、材料处理等要求,给出了影响键合质量的各种因素,以及在键合过程中常出现的问题及其解决办法.本文立足于键合机理及键合工艺过程,结合不同材料特性,重点阐述了阳极键合这一新型连接工艺的国内外研究现状及影响键合的因素,为进一步提高键合质量、优化键合工艺、开发新的键合材料等提供理论依据.【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2018(026)005【总页数】7页(P82-88)【关键词】阳极键合;键合工艺;键合应用;研究现状;影响因素【作者】杜超;刘翠荣;阴旭;赵浩成【作者单位】太原科技大学材料科学与工程学院,太原030024;太原科技大学材料科学与工程学院,太原030024;太原科技大学材料科学与工程学院,太原030024;太原科技大学材料科学与工程学院,太原030024【正文语种】中文【中图分类】TG496阳极键合技术始于1968年美国学者Pomerantz的一次偶然实验，实验中相互重叠的玻璃和金属在加热时通入直流电后竟使金属牢固的连接到玻璃上.1年后，Pomerantz和Willis发表了关于玻璃(陶瓷)与金属在静电场下建立连接的报道[1-2].报道中提到将一片硅酸盐玻璃放置与两片金属之间并加热，而后在这两片金属两端施加一个静电场形成回路，经过一段时间后发现，连接阳极的金属片与玻璃发生连接，因而这种连接方式称之为“阳极键合”，或者“场助键合”[3].随着现代制造业及各种功能材料的发展，传统的金属与金属间连接已不能满足现代制造业的需求，因而更深层次的金属与非金属、非金属与非金属的连接成为发展趋势[4].阳极键合以其键合过程温度低，键合后材料变形小，机械强度高及键合工艺简单等，有效减少了传统焊接的高温热应力对工件的影响.进入21世纪以来，微电子加工业得到蓬勃发展，与此同时，阳极键合凭借优良的气密性和低温性更多地应用在电子器件的生产和封装过程中，各种功能材料与半导体之间的微型连接技术已经十分成熟，如微型加速度计、微型陀螺仪、微型电磁场传感器、微型压力传感器、微型制动器及微型流量计等[5-7].1 低温阳极键合工艺及键合机理1.1 键合工艺过程阳极键合对被连接材料的表面光洁度有较高的要求，因此，键合开始前的首要工作就是对材料表面进行处理，通常要求材料表面粗糙度低于50 nm，平行度小于5μm；其次用50～80 ℃的RCA溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O=1∶1∶5)清洗被连接晶片，并用去离子水漂洗，最后用纯氮气吹干.以玻璃和硅片键合为例，将所要连接的玻璃与硅片相互重叠放置在键合设备中，玻璃与阴极连接，硅片与阳极连接，如图1所示.实验前调整键合参数，包括预热温度200～400 ℃、预设电压500～800 V、键合压力0.1～1 MPa，键合时间6～15 min.在键合过程中，根据需要可以施加氮气保护.1—键合箱；2—压力杆；3—阳极；4—硅片；5—微晶玻璃；6—阴极； 7—集成加热装置(DC:直流电源、IR:数据采集系统、REC:记录计算模块、ICF：调节保护系统、TCS：温度控制系统)； 8—保护气加入口1-thermal bonding box；2-pressurizing pole； 3-anode；4-silicon； 5-glass；6-cathode；7-integrated heating device (DC: DC power supply, IR: data acquisition system, REC: recording calculation module, ICF: regulation protection system, TCS: temperature control system)；8-protective gas inlet图1 阳极键合设备示意图Fig.1 The apparatus used for anodic bonding1.2 低温阳极键合机理阳极键合的过程实质是一种物理热运动及固体电化学反应的集合，而在550 ℃以下的阳极键合称为低温键合.以硅和微晶玻璃为例，常温下这两种材料导电率很低，不能完成键合，但温度对玻璃导电性的影响很大.在实验前对材料进行加热(低于软化点温度)，玻璃内部的Na+被激活并向阴极移动，在靠近阳极一面的玻璃界面形成了被极化的碱金属离子(主要是Na+)耗尽层，造成大量负电荷(O2-)在这一面堆积，因而这一耗尽层内部产生了一个强电场(高达10 6V/cm)[8].在强静电场作用下，玻璃与硅片之间形成强大的静电吸引；在玻璃受热后弹性变形和粘性流动下，玻璃与硅片表面紧密贴合.与此同时，在玻璃/硅连接处O2-与硅发生不可逆的化学反应，形成了—Si—O—Si—键，并与玻璃耗尽层的O2-和内部结构形成硅/氧化合物，随着键合过程的进行，耗尽层逐渐增大，电场达到平衡，完成键合[9-11],如图2所示.图2 硅/玻璃阳极键合原理示意图Fig.2 The schematic diagram of silicon/glass anode bonding principle对于氧负离子的来源，Kreissing 等人的研究发现，在玻璃表层存在水分子，而水分子在温度和电场共同作用下分解出的O2-才是与Si形成氧化物的主要因素[12-13].孟庆森等经过对键合过程的研究发现，硅氧化合物的形成在上述原因之外，且与玻璃硅表面存在的OH-有关[10].硅和玻璃的紧密连接是外加压力、静电力以及OH-之间的吸引力共同作用而实现的.在键合过程中，硅表面的OH-具有极性，放大了玻璃表面离子堆积的作用，使得Si/O在硅表面聚集，并发生反应形成Si—O 键；同时，随着键合的进行，键合温度不断升高，OH-发生脱水聚合反应，氢键被Si—O—Si代替，从而形成稳定的硅氧化合物.关于阳极键合过程中离子反应和传输机制尚无统一定论，因而阳极键合的机理还需进一步研究.2 阳极键合现阶段主要应用2.1 玻璃/硅的阳极键合玻璃与硅的阳极键合以其键合温度低、键合强度大、键合工艺简单等优点，已广泛应用于微电子器件的制作和生产，其中Shoji等利用微晶玻璃优良的光学通透性，设计并开发出新型压力传感器[14]，如图3所示，研究表明，利用这种玻璃陶瓷的低温阳极键合工艺对电子器件进行封装是十分可靠的.Kober等人设计的电容式微型压力传感器中空腔的连接就是利用“玻璃/硅”的阳极键合而实现，在玻璃一侧压力发生变化，硅片材料上的电流值会发生变化从而检测出压力值[15]，这种键合工艺没有额外的钝化层，避免污染电子器件.Weichel等利用阳极键合技术实现了化学计量氮化硅与玻璃的连接，在键合性能优异的同时还增加了MEMS器件的一些附属功能[16]，其键合强度高达35 N/mm2.韩国的Lee等通过将硅片进行加工后利用阳极键合技术将玻璃键合到硅片上，开发出一种新型味探针药物注射器[17]，不仅可以对病灶进行少量药物精准注射，同时还能减少脑损伤的风险.日本的WU等通过刻蚀等中间制造工艺在玻璃表面加工出一个支点，利用阳极键合的方式将底部的玻璃和硅片进行连接，设计出球形硅微镜[18].图3 玻璃/硅压力传感器阳极键合示意图[14]Fig.3 The anode bonding diagram of Glass / Silicon Pressure Sensor[14]2.2 玻璃/金属的阳极键合金属优良的导电性和高强度使其广泛应用于各种传感器的生产制造过程.陈铮等设计开发出一种压力传感器，利用阳极键合技术对Kovar基体和玻璃基体进行连接，与传统的硅压电传感器相比，这种玻璃/金属键合后生产的压力传感器更适应不同的工作环境[19].Wang等通过溶胶-凝胶法在不锈钢片上镀一层SiO2，利用阳极键合实现了“玻璃/不锈钢”的连接[20].2.3 通过中间层进行的阳极键合Kutchoukov等人设计出一种纳米微流体装置，首先在玻璃上沉积一层非晶硅，然后再与玻璃进行阳极键合，实现了“玻璃/硅/玻璃”的阳极连接[21].Visser等人成功利用SiO2和硼硅玻璃当做中间层进行“硅/硅”键合[22].浙江大学沈伟东等人通过电子束蒸发玻璃膜作为中间层，利用阳极键合技术实现了“硅/硅”的连接[23]，同时用TMAH溶液进行基底减薄,获得了厚介质层薄顶层硅结构,这为一些MEMS器件的制作奠定了基础.Mrozek在玻璃表面通过真空沉积的方式引入一层钛薄膜，实现了“玻璃/玻璃”的阳极键合[24-25].Knapkiewicz等人通过溅射的方式在玻璃表层溅射一层100 nm的P型硅，实现了“玻璃/玻璃”的阳极键合[26].2.4 单晶硅与功能陶瓷的阳极键合功能陶瓷以其质轻、耐蚀、耐高温、高强度等特点，已越来越多地应用于工业生产的各个领域，但由于功能陶瓷与金属材料在物理性能方面有较大差异，难以进行直接键合.Sasaki等人在钛锆酸铅陶瓷(PbZrxTi1-xO3；PZT)表面溅射一层玻璃，实现了硅晶片与其的阳极键合[27].Chung等利用同样方法成功将陶瓷激发器与硅片进行阳极键合[28].孟庆森等人利用射频磁控溅射法在ZrO2陶瓷表面沉积一层钠硼硅酸盐玻璃，实现了ZrO2陶瓷与单晶硅的阳极键合[29].2.5 多层阳极键合由于MEMS器件生产过程的需要，3层甚至多层材料的阳极连接也有了长足的发展.运用双阴极单阳极的阳极键合技术可实现“玻璃/硅/玻璃”的3层键合；若利用反置电极，则可实现“硅/玻璃/硅”的3层键合[30].Despont等运用交流电作为电源实现了“硅/玻璃/硅”的3层键合[31]，其强度可以达到1 MPa以上，为离子反应刻蚀工艺提供了新的研究方向.Nitesh等人研制了一种表面测试设备，该设备中的一个结构是利用标准光刻蚀法来实现“硅/玻璃/铝/玻璃/硅”的5层阳极键合[32].2.6 离子导电聚合物的阳极键合导电聚合物通常用于电池及超级电容器的生产制作过程，随着功能有机聚合材料在性能和形态上的发展，导电聚合物作为MEMS的封装材料正被越来越多的学者所重视.太原科技大学的阴旭、刘翠荣等人成功实现了适用于MEMS器件封装的PEO-LiCLO4 与金属Al的阳极键合，利用LiCLO4中锂离子的迁移形成电流，在强静电场下耗尽层和金属Al之间形成过渡层烷氧基铝([(CH2CH2O)n]3Al)，如图4所示.这项研究拓展了离子导电聚合物作为封装键合材料的应用[33].图4 阳极键合界面SEM表征图[33]Fig.4 SEM image of a typical anodic bonding interface[33]3 阳极键合的影响因素3.1 预热温度预热温度是阳极键合的一个很重要的工艺参数，以硅/玻璃键合为例，玻璃在室温下很难导电，原因是内部的碱金属离子(Na+)在室温下表现为惰性离子，当温度升高时，玻璃内部结构发生变化，可以游离出更多自由移动的钠离子，并在强静电场作用下向阴极迁移，从而形成电流.因此，合理的键合预热温度是键合质量的保证，温度过低则玻璃导电性差降低键合效率，温度过高则会使玻璃过度软化，不能完成键合，因此，键合的预热温度和键合过程中的键合温度一定要控制在键合材料软化点以下.在加热方式上，除了传统的加热工艺， Wild 等采用激光加热的方式对键合材料局部进行加热，有效降低了温度对温敏元件的影响[34].我国学者李星、陈立国等自主设计了新型激光辅助阳极键合系统，并实现了硼硅玻璃BF33与硅的键合[35].陈明祥等人利用感应加热的方式更好的促进了键合材料内部碱金属离子的迁移，从而使键合质量提高[36].3.2 键合电源及电压键合时电压的大小直接影响材料两端电场强度及键合过程中的峰值电流.适当的键合电压可以使键合材料间产生强大的静电吸引，并使材料发生弹性变形及粘性流动，但过高的电压又会击穿材料，破坏键合.直流电源是应用最早的键合电源，近年来，脉冲电源凭借其可变频控制及电极多样化的优势已逐步取代直流电源.Lee等人采用一种方形波脉冲电源对键合材料施加电压(图5为波形示意图)，在很大程度上减小了键合所用时间，提高了键合效率[37]；杨道红等人研究并应用了双电场技术成功对“玻璃/硅”进行阳极键合[38].台湾学者Huang等人采用螺旋点电极代替传统电极,如图6所示，有效减少了键合过程中的孔洞残留，提高了键合效率[39].图5 脉冲电压的波形示意图[37]Fig.5 Waveform schematic diagram of the pulse voltage[37]图6 螺旋点电极[39]Fig.6 The point electrode of spiral[39]3.3 键合时间通过键合前的预热激活材料内部结构，使之利于导电，因此，在键合初期键合电流就会上升到最大值，在很短的时间完成键合.但仍可以通过增加键合时间来进一步提高键合质量，因为离子迁移和化学反应形成化合物不能在很短时间全部完成，虽然键合后期电流值很低，离子迁移很少，但键合层生成后在材料界面沉积也需要一定时间，同时键合密度和键合层厚度也可以通过增加键合时间来提高[40].3.4 键合材料表面处理及压力控制由于两种材料键合界面是在强静电场吸引下完成的，因而在键合过程中只需要适当的压力保证两界面紧密贴合即可，过大的压力有可能会损坏键合材料.同时键合材料表面不可能做到绝对光滑，因此，在键合开始前对材料表面进行预处理时，除去除材料表面杂质外，也应尽可能降低材料表面粗糙度，这样在压力和高温的共同作用下产生粘性流动，继而使连接材料之间形成相对紧密的接触，这对键合质量的提高是十分有效的.3.5 材料导电性及热膨胀系数阳极键合实质是电化学反应，因而必须要求材料导电或在一定条件下(温度、电场)导电.硅/玻璃的阳极键合正是利用玻璃在加热后产生自由移动的碱金属离子而导电.键合必然会产生热应力和应变，当热应力较大而材料热膨胀系数较小时，可能造成材料开裂，因此，热膨胀系数也是阳极键合一个重要影响因素，可以通过控制键合温度使键合材料达到相近的热膨胀系数，亦或降低材料厚度减少因热膨胀系数差异导致的键合开裂，提高键合质量[41].4 结论阳极键合作为一种更加便捷和安全的连接工艺，已在工业生产各环节中体现出它的价值，各国学者也对其工艺方法和应用进行了相关研究.作为一项新型连接工艺，阳极键合相较于传统的焊接工艺，不需要高温下的熔融再结晶，键合过程更加清洁和高效，同时键合热应力小、对器件无污染；相较于粘接工艺，阳极键合又具有气密优良、强度高及耐蚀的优点.但阳极键合的发展还有很多亟待解决的问题：键合过程中各工艺参数(键合电源电压、键合时间、键合温度及压力等)的变化及键合材料的处理对键合效果有显著影响，因而键合工艺过程还应继续优化；阳极键合的机理尚没有统一的定论；如何更好地促进键合过程中离子迁移及键合层形成，同时提高键合强度仍待继续研究；键合设备还需随着键合工艺及材料的改变而进一步开发. 参考文献：【相关文献】[1] WALLI S G AND POMERANTZ D I.Field assisted 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电子封装中的可靠性问题

电子封装中的可靠性问题电子器件是一个较复杂的系统，其封装过程的缺陷和失效也是比较复杂的。

因此，研究封装缺陷和失效需要对封装过程有一个系统性的了解，这样才能从多个角度去分析缺陷产生的原因。

封装的失效机理可以分为两类：过应力和磨损。

过应力失效往往是瞬时的、灾难性的；磨损失效是长期的累积损坏，往往首先表示为性能退化，接着才是器件失效。

失效的负载类型又可以分为机械、热、电气、辐射和化学负载等。

影响封装缺陷和失效的因素是多种多样的，材料成分和属性、封装设计、环境条件和工艺参数等都会有所影响。

确定影响因素和预防封装缺陷和失效的基本前提。

影响因素可以通过试验或者模拟仿真的方法来确定，一般多采用物理模型法和数值参数法。

对于较复杂的缺陷和失效机理，常常采用试差法确定关键的影响因素，但是这个方法需要较长的试验时间和设备修正，效率低、花费高。

在分析失效机理的过程中，采用鱼骨图（因果图）展示影响因素是行业通用的方法。

鱼骨图可以说明复杂的原因及影响因素和封装缺陷之间的关系，也可以区分多种原因并将其分门别类。

生产应用中，有一类鱼骨图被称为6Ms：从机器、方法、材料、量度、人力和自然力等六个维度分析影响因素。

这一张图所示的是展示塑封芯片分层原因的鱼骨图，从设计、工艺、环境和材料四个方面进行了分析。

通过鱼骨图，清晰地展现了所有的影响因素，为失效分析奠定了良好基础。

引发失效的负载类型01机械载荷包括物理冲击、振动、填充颗粒在硅芯片上施加的应力（如收缩应力）和惯性力（如宇宙飞船的巨大加速度）等。

材料对这些载荷的响应可能表现为弹性形变、塑性形变、翘曲、脆性或柔性断裂、界面分层、疲劳裂缝产生和扩展、蠕变以及蠕变开裂等等。

02热载荷包括芯片黏结剂固化时的高温、引线键合前的预加热、成型工艺、后固化、邻近元器件的再加工、浸焊、气相焊接和回流焊接等等。

外部热载荷会使材料因热膨胀而发生尺寸变化，同时也会改变蠕变速率等物理属性。

如发生热膨胀系数失配（CTE失配）进而引发局部应力，并最终导致封装结构失效。

键合技术介绍

微互连技术
——各种微互连方式简介
目录 • 裸芯片微组装技术 • 倒装焊微互连技术 • 压接倒装互连技术
1.0 裸芯片微组装技术
定义：将芯片直接与基板相连接的一种技术。
裸芯片微组装
载带自动键合法引线连接法梁式引线法倒装芯片法
1.1 载带自动键合法（TAB）
定义：将芯片凸点电极与载带的引线连接，经过切断、冲压等工艺封装而成。
丝
的内部布线连接
1.3 梁式引线法
• 定义：
采用复式沉积方式在半导体硅片上制备出由多层金属组成的梁，以这种梁来代替常规内引线与外电路实现连接。
• 特点：
主要在军事、宇航等要求长寿命和高可靠性的系统中得到应用。其优点在于提高内引线焊接效率和实现高可靠性连接，缺点是梁的制造工艺复杂，散热性能较差，且出现焊点不良时不能修补。
间最短的电连接通路，具有卓越的电气性能；
➢ 芯片电极焊接点除边缘分布外，还可以设计成阵列分布，因此，封装密度几乎可以达到90%以上。
2.1 封装结构
芯片
电极
凸点
在芯片上形成金属化层，在金属化层上制作钎料合金凸点；
芯片面向下与基板上的金属化层对准；
PCB
钎焊
加热使钎料合金熔化，形成连接；
倒装芯片法示意图
• 基理：利用超声机械振动带动丝与衬底上蒸镀的膜进行摩擦，
使氧化膜破碎，纯净的金属表面相互接触，接头区的温升以及高频振动，使金属晶格上原子处于受激活状态，发生相互扩散，实现金属键合。
• 工作原理：在超声键合机的基板支持台上引入热压键合法中采用的
加热器，进行辅助加热；键合工具采用送丝压头，并进行超声振动；由送丝压头将Au丝的球形端头超声热压键合在基板的布线电极上。

超声楔形键合界面连接物理机理研究

国内图书分类号: TG 453国际图书分类号: 621.791工学博士学位论文超声楔形键合界面连接物理机理研究博士研究生：计红军导师：王春青教授副导师：李明雨教授申请学位：工学博士学科、专业：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2008年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TG 453U.D.C.: 621.791Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering STUDY ON JOINING PHYSICAL MECHANISM OF ULTRASONIC WEDGE BOND INTERFACECandidate：Ji HongjunSupervisor：Prof. Wang ChunqingVice supervisor: Prof. Li MingyuAcademic Degree Applied for：Doctor of Engineering Specialty：Material Processing Engineering Affiliation: Department of Material Sci. & Eng. Date of Defence：June, 2008Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology摘要摘要微电子、光电子系统中芯片级封装超声互连接头界面接合机制问题严重困扰着超声键合设备和技术的创新方向，也直接影响着元器件性能和可靠性。

因此，解析超声键合接头界面特征并厘清超声对接合过程所起到的本质作用对于指导封装互连设备升级、提高超声键合技术能力和改善元器件功能及寿命都具有重大意义。

本文针对常温超声楔形键合25μm Al-1wt.%Si引线与薄Au层Au/Ni/Cu、厚Au层Au/Ni/Cu、Cu三种焊盘之间形成的接头，原位测量了接头电阻；揭示了接头接合部连接物理过程和特征；考察了Au/Al和Al/Au 系统高温老化时接头界面演变特点；运用聚束离子束-透射电子显微镜(FIB-TEM)方法，在纳观尺度上给出了接头界面构成情况，在原子尺度上观察了界面接合特征；基于固相扩散反应原理，全面阐释了超声楔形键合接头界面弥散有纳米Au8Al3颗粒的固溶体形成过程中超声振动作用的物理实质。

微电子封装

晶圆：由普通硅砂熔炼提纯拉制成硅柱后切成的单晶硅薄片微电子封装技术特点：1：向高密度及高I/O引脚数发展，引脚由四边引出趋向面阵引出发展2：向表面组装示封装(SMP)发展,以适应表面贴装（SMT）技术及生产要求3：向高频率及大功率封装发展4：从陶瓷封装向塑料封装发展5：从单芯片封装（SCP）向多芯片封装（MCP）发展6：从只注重发展IC芯片到先发展封装技术再发展IC芯片技术技术微电子封装的定义：是指用某种材料座位外壳安防、固定和密封半导体继承电路芯片，并用导体做引脚将芯片上的接点引出外壳狭义的电子封装技术定义：是指利用膜技术及微细连接技术，将半导体元器件及其他构成要素在框架或基板上布置、固定及连接，引出接线端子，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺技术。

（最基本的）广义的电子封装技术定义：是指将半导体和电子元器件所具有的电子的、物理的功能，转变为能适用于设备或系统的形式，并使之为人类社会服务的科学与技术。

（功能性的）微电子封装的功能：1：提供机械支撑及环境保护；2：提供电流通路；3：提供信号的输入和输出通路；4：提供热通路。

微电子封装的要点：1：电源分配；2：信号分配;3：机械支撑；4：散热通道；5：环境保护。

零级封装：是指半导体基片上的集成电路元件、器件、线路；更确切地应该叫未加封装的裸芯片。

一级封装：是指采用合适的材料（金属、陶瓷或塑料）将一个或多个集成电路芯片及它们的组合进行封装，同时在芯片的焊区与封装的外引脚间用引线键合（wire bonding,WB）、载带自动焊（tape automated bonding,TAB）、倒装片键合（flip chip bonding，FCB）三种互联技术连接，使其成为具有实际功能的电子元器件或组件。

二级封装技术：实际上是一种多芯片和多元件的组装，即各种以及封装后的集成电路芯片、微电子产品、以及何种类型元器件一同安装在印刷电路板或其他基板上。

半导体封装键合工艺中常见缺陷识别和处理方法

半导体封装键合工艺中常见缺陷识别和处理方法南京信息职业技术学院李荣茂 2012-07-13##############2012-07-13######2#0#12-07-13########,摘要,本文叙述了键合工艺的概念、键合工艺设备的改进和其产生的各种缺陷的类别。

重点研究了键合工艺常见缺陷的类型和其产生的根本原因。

通过对各种缺陷类型的识别，探索其产生的根本原因并找出应对方法，从而增加其合格率。

,关键词,键合工艺缺陷处理方法1.引言 FORCE 大 POWER是比较适宜的 ;(3)断点靠我们需要调节参数，小近随着科技发展的日新月异，电子芯片的使用越来越渗透到各行各中间，通常问题已经不再参数上了，我们应当仔细观察设备平台，是否业，而封装技术也应运而生。

所谓封装技术是一种将集成电路用“”有异物例如一些小的残留碎片遗留在产品的底部造成损伤，如果确认绝缘是这样的情况，及时清理平台残留碎片即可。

的塑料或陶瓷材料打包的技术。

封装对于芯片来说不但必须也是至关 4.2 不规则焊球 Defective ball 重要的，它直接影响到了芯片的质量，而 WIRE BOND作为封装技术中的一个重要的步骤，其过程中产生的晶体缺陷也是不容忽视的。

2.WIRE BOND 键合工艺目前主要的芯片连接技术有三种,分别为引线键合，载带焊和倒装焊，其中前者占键合工艺的 80%以上，在 IC 制造也中得到广泛的应用。

引线键合是半导体封装制程的一站，自晶粒 (Die或 Chip)各电极上，以金线或铝线进行各式打线结合，再牵线至脚架(Lead Frame)的各内脚处续行打线以完成回路，这种两端打线的工作称为 WireB ond。

Wire bond 图 2 不规则焊球在芯片封装厂称为前工序，又叫做金属线键合是将 die 的 PAD飞线连如图 2 所示金线打在芯片上的球并非圆形且球与球的大小厚度还接到外部封装的 BALL 的工序。

不一样，表示同一粒芯片上的球是不规则的，一粒芯片大约有百来粒 3.键合工艺为什么会产生缺陷球，有可能只有一到两粒是产生这样异常的，可对质量的影响确是大打 3.1 键合工艺产生缺陷的原因折扣。

超声波键合

超声波键合超声波键合技术是一种在制造和组装过程中广泛应用的先进技术。

它利用超声波的振动能量将两个或多个材料通过热量和压力结合在一起，常见于塑料、金属等材料的连接。

本文将详细介绍超声波键合技术的原理、应用领域、优势以及相关的设备和工艺。

一、超声波键合的原理超声波键合是一种通过将高频的超声波振动引入材料中，产生热量并通过压力使材料接触、融化并最终结合在一起的技术。

其主要原理如下：1.超声波振动产生摩擦热：通过超声波振动，两个被连接的材料之间产生摩擦热。

这种热量会导致材料局部熔化。

2.材料表面融化：超声波的振动频率通常在20 kHz到70 kHz之间，这种高频率的振动使得材料表面迅速升温，发生局部融化。

3.施加压力使材料结合：在材料表面融化的同时，施加一定的压力，使熔化的表面结合在一起。

当冷却后，两个材料形成牢固的结合。

二、超声波键合的应用领域超声波键合技术因其高效、无毒、无污染等优势，广泛应用于各个制造和组装领域，包括但不限于：1.塑料制品生产：用于汽车、电子产品、医疗器械等塑料制品的生产和组装。

2.电子元件连接：用于连接电子元件，实现精密组件的生产和组装。

3.医疗器械生产：在制造医疗器械的过程中，用于连接塑料零件，确保产品的密封性和可靠性。

4.食品包装：用于食品包装的封口和组装，确保包装的密封性和卫生性。

5.汽车零部件生产：用于汽车零部件的生产和组装，如车灯、仪表板等。

三、超声波键合技术的优势1.无需添加其他物质：超声波键合过程中无需使用胶水、溶剂等附加物质，避免了添加其他物质可能带来的环境和健康问题。

2.高效快捷：超声波键合是一种高效的连接技术，通常只需数秒钟至数分钟即可完成，提高了生产效率。

3.可用于多种材料：超声波键合技术适用于不同类型的材料，包括塑料、金属、纤维等，具有较强的通用性。

4.无需加热：与传统的热熔焊相比，超声波键合过程中的热量主要集中在材料表面，不需要对整个材料进行加热。

5.精确控制：超声波振动频率和振幅可以精确控制，因此可以实现对连接过程的高度精确控制。

微组装技术中金丝键合工艺研究

微组装技术中金丝键合工艺研究作者：蒯永清来源：《西部论丛》2017年第08期摘要：随着科学技术的发展，我国的微组装工艺有了很大进展，在微组装工艺中，金丝键合是一道关键工艺。

金丝键合质量的好坏直接影响微波组件的可靠性以及微波特性。

对金丝键合工艺的影响因素进行了分析，并通过设计实验方案对25μm金丝进行键合实验。

对键合金丝进行拉力测试，测量结果全部符合军标GJB548B-2005要求。

根据测量结果寻求最佳键合参数，对实际生产具有一定的指导意义。

关键词：微组装技术金丝键合参数提取引言引线键合实现了微电子产品优良的电气互连功能，在微电子领域应用广泛。

自动引线键合技术作为一种先进的引线键合技术具有绝对优势。

自动键合技术是自动键合机执行相应的程序，自动完成引线键合过程。

自动键合具有可控化、一致性好和可靠性高等优势。

随着电子封装技术的不断发展，微波组件正在不断向小型化、高密度、高可靠、高性能和大批量方向发展，对产品的可控化、高一致性、高可靠性和生产的高效率都提出了更高的要求，顺应发展趋势实现自动化生产已成为一种趋势。

所以，对自动化键合工艺的研究和优化是非常有必要的。

1金丝键合工艺简介金丝键合指使用金属丝（金线等），利用热压或超声能源，完成微电子器件中固电路内部互连接线的连接，即芯片与电路或引线框架之间的连接。

金丝键合按照键合方式和焊点的不同分为球键合和楔键合。

2金丝键合质量的影响因素2.1劈刀劈刀是金丝键合的直接工具，楔焊劈刀用于金丝、金带、铝丝、铝带等键合，主要分为深腔、非深腔、粗铝、金带/铝带键合等几大类，多为钨钢材料，刀头部分材料为陶瓷。

在一个完整的楔形键合中，第1键合点的键合强度主要受到劈刀的后倒角（BR）和键长（BL）、劈刀在键合第1点后上升过程、拉弧过程所产生的摩擦及拉力、线夹打开的宽度等因素的影响。

如果BR太小，则劈刀后倒角区域较锋利，就会导致第1键合点的根部较脆弱，在拉力测试实验中容易在此位置断裂。

半导体封装键合工艺中常见缺陷识别和处理方法

重点研究了键合工艺常见缺陷的类型和其产生的根本原因。

通过对各种缺陷类型的识别，探索其产生的根本原因并找出应对方法，从而增加其合格率。

的塑料或陶瓷材料打包的技术。

2.WIRE BOND 键合工艺目前主要的芯片连接技术有三种,分别为引线键合，载带焊和倒装焊，其中前者占键合工艺的 80%以上，在 IC 制造也中得到广泛的应用。

超声参数对引线键合性能的影响

超声参数对引线键合性能的影响超声参数对引线键合性能的影响摘要：介绍了超声引线键合技术的基本技术路线和基本原理，分析了超声波的功率、频率、振动轨迹及压力等参数对超声引线键合性能的影响。

相比其它影响参数，采用高频或频复杂振动系统最有利于提高键合性能。

关键词：超声，引线键合，超声焊接The influence of ultrasonic parameters in wire bonding performanceZhou Guangping1 Liang Zhaofeng1 Zhang Yang2 Lu Yigang2(1. Shenzhen Polytechnic; 2. College of Physics and Technology, South China University of Technology)ABSTRACT: In this paper, the basic technical rout and the principle of the ultrasonic wire bonding technology were introduced. The parameters, such as ultrasonic power, frequency, the vibration locus, force, etc, which influence the performance of ultrasonic wire bonding, were analyzed. Compared with other influence parameters, the using of high-frequency system or high-frequency complex system is most in favor of increasing bonding performance.KETWORDS: ultrasonic; wire bonding; ultrasonic welding引言在超大规模集成电路中，引线键合是封装工艺中半导体芯片和外界连接的关键性工艺，也是最通用最简单而有效的一种连接方式[1-2]。

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微电子封装超声键合机理与技术中的科
学问题
摘要：我国是世界最重要的制造业大国。

随着世界制造业重心的转移,一批
重要的制造业基地正在我国崛起。

中国的制造业吸收了一半的城市就业人口、一
半的农村剩余劳动力,财政收入的一半来自制造业，而微电子工业是现代制造业
的基础之一,已成为 21 世纪的全球头号产业。

在技术不断发展的过程中，人们
意识到要想以自动化方式进行大批量制造，即需要能够从力学以及机械角度对装
备的工艺细节进行深入的把握。

以现今的热点技术超声键合为例，对技术重点以
及发展方向进行一定的分析。

关键词：微电子封装；超声键合机理；技术
电子封装作为集成电路IC与电子系统间的连接桥梁，而电子器件的超薄、
轻量化、高温服役、低功耗等发展趋势与迫切需求又对封装互连材料与工艺提出
了更高的要求，这也将是推动半导体延续摩尔定律发展的重要关键环节。

此外，
具有大电流/大电压、高温服役、高集成度等特性的大功率器件正蓬勃发展，且
广泛应用在汽车电子、航空航天、电力电子设备与 5G 通信基站等领域中，它们
对封装互连接头提出更为苛刻的要求，如极小互连间距、高服役温度与高可靠性等，因此，针对目前封装互连的共性重大问题，研发微电子互连新材料与工艺已
成为我国争夺集成电路引领地位的关键战略之一。

一、微电子封装超声键合科学问题产生
在键合过程当中，其科学问题形成的原因主要有：在键合过程中，其同超声
疲劳以及微动摩擦过程具有类似的特征，即在工业应用背景方面具有相同的特点，在实际障碍研究方面都体现出数值仿真不准确以及实验困难的情况，且都具有材
料微观行为以及微观性质的联系。

在实际超声疲劳以及微动研究当中，研究人员
发现当表面的反应层以及吸附层遭到破坏时，暴露在表面的原子键链接则将具有
加强的特征。

而当摩擦发生相对运动时，该原子键则会得到撕开，在显微镜观察
当中，即可以发现存在咬死焊点以及表面材料转移等情况。

同时需要了解到的情
况是，在新键合区域生成方面，将具有围绕已键合区域的情况，原子键的联结加
强则可以说是一个具有简化特征的解释。

同时，同量基本金属抗剪强度相比，粘
着结合强度也更高，即表明原子键的“被撕开”也是简化的解释类型。

对于很多
材料来说，其在对微动疲劳进行承受时，都将在寿命的早期萌生疲劳裂纹，其具
体原因即是同界面的动态应力场发生接触。

该种情况的存在，即表明对于键合过
程来说，其正是外载在材料行为以及微观性质等形成作用而体现的。

在该种因素
影响下，则会使金属原子能够形成短程力作用发挥，且会使微键合点附近裂纹在
萌生后形成脆性断裂问题。

而在塑形变形、扩散运动以及位错情况存在时，在微
键合点附近位置也将形成解理断裂以及裂纹萌生的情况，且两种机制在作用量级
以及尺度方面存在难以检测的情况，并因此出现了键合过程的复杂情况。

在该种
情况下，外加应力在促进萌生微裂纹以及形成位错扩散的情况下，在固溶强化效
应的情况下也对其外加应力分布情况进行了改变。

在通过工具以及换能杆加载键
合点时，在键合点发生变性情况时则将对换能系统形成一个反作用，并因此会对
加载的动力学结构进行改变，如仅仅将其以准静态单元方式进行实验处理，试图
对其进行局部以及整体描述，则将因此存在较大的困难。

二、微电子封装超声连接技术应用
1、超声引线键合。

目前，电子制造封装互连中绝大部分电气连接方式还是
主要以超声引线键合来实现的，根据能量输入方式的不同，可将其分为超声楔形
键合与热超声球形键合两种方式。

相较于超声楔形键合技术，以无方向性、键合
速度快为优势的热超声球形键合技术需要对连接部位进行局部预热与烧球，故使
得其在工业界受青睐程度就不如超声楔形键合了。

首先，将留有尾丝的引线穿过
劈刀，紧接劈刀将引线拖至焊盘表面(第一键合点)，然后施加高频超声振动使得
引线产生塑性变形，进而让引线和焊盘间形成良好的冶金连接后结束振动；其次，随着劈刀移动到另一焊盘表(第二键合点)，其键合工艺与第一次完全相同；最后，完成第二次键合后利用线夹或切割器将金属丝切断，从而完成整个超声球形键合
过程，由于超声键合的键合点尺寸小、键合时间短和界面反应弱等特性，所以目
前大多数研究者只局限于研究与分析键合点的可靠性问题。

[1]改变超声键合工
具的表面粗糙度，来改善界面摩擦方式，进而调节其界面的冶金连接情况。

他们采用直径于小75 μm 的扁平键合引线，或直径处于 75～500 μm 的 U 型或 V 型凹槽键合引线，且选用引线材料为含有 1% Si 或 1.5% Mg 的铝线，最终实现了高强度键合。

近年来，相较铝线来说具有优异导热导电和更高可靠性的铜线，其替代铝线作为功率器件封装互连材料已经获得了越来越的认可。

然而，铜线的使用过程中氧化问题带来的性能缺陷是必不可少的，因此有学者提出采用表面涂覆薄层铝的铜线来改善铜线的氧化问题，进而提高铜线的可焊性。

此外，当实际器件服役温度超过纯铝熔点，达到超高温的工况时(大于900 ℃)，铝质引线将完全失效。

针对这种极端服役情况，具有高熔点的铂线和钯合金线是解决超高温服役下的最佳替代方案。

2、超声金属焊接。

超声金属焊接过程主要包括以下内容：① 气压缸施加夹紧力促进局部贴合界面形成微连接；② 超声波发生器诱发机械振动消除金属表面氧化物和污染物，并产生大量界面摩擦热，且高频摩擦过程中的材料变形与金属流动进一步增加界面贴合区面积，实现微连接区的逐步扩展；③ 界面温升和超声波软化作用促使焊接界面处产生高应变速率塑性应变，并逐步将微连接区扩展至整个焊接界面。

超声金属焊接技术与引线键合技术连接过程大体相同，但超声引线键合中的键合工具为劈刀，键合过程涉及引线的牵引与裁切以及两个焊点的超声固相连接。

超声金属焊接中的施压工具为带有滚花的超声压头，超声作用范围广，键合过程仅焊接区的施压与振动，目前是绝缘栅双极型晶体管IGBT器件模块电气互连的关键技术。

3、超声增材制造。

在超声波金属焊接部分，其主要通过逐层焊接金属带或箔以实现预设结构的增材制造。

而后，进一步借助数控加工平台实现器件的精密加工。

在超声焊接过程中，滚动的超声焊头引起增加层与原始基体的剧烈摩擦并产生大量热量，此种界面摩擦热大约为剧烈塑性变形的两倍，超声引起的界面高频摩擦还将打破原始金属表面的氧化膜，实现自清洁作用。

同时，超声引入带来的金属材料软化还将进一步加速界面区接合区的塑性变形。

剧烈摩擦产生的界面温升、自清洁和超声软化作用促进了材料流动填缝，为上下层金属材料提供了充足的扩散驱动力，并促进了相邻层之间形成原子键连接。

超声增材制造过程中均在室温下实现，不涉及基材的熔化，有效改善了激光增材制造技术中引起的零件
尺寸误差以及残余应力等问题。

在电子封装领域，超声增材制造技术目前已可应
用于传感器包覆以及电子器件中的介电材料封装。

在微观组织研究方面，与超声
波金属焊接相似，超声振动带来的温升与剧烈剪切变形驱动层间焊缝界面处发生
动态再结晶，促进焊缝界面处形成细小等轴再结晶晶粒。

为了预测铝箔超声固结
过程中的微观组织演变，基于位错密度的晶体可塑性理论开发了有限元模型，成
功预测了加工过程中平均晶粒尺寸由13 μm 细化至1.2 μm 的动态变化过程，
且良好吻合实验结果。

在织构研究方面，[3]发现界面织构演变过程与超声焊接
相近，但超声增材制造中的压缩织构主要分布在远离界面处和焊接残留孔洞周围，而受超声振动诱发的剪切织构主要分布在焊接良好的界面处。

目前借助超声增材制造技术实现的封装结构和形状过于简单和规则，且超声
的高频振动对于元器件实际服役能力的影响仍存在不确定性，因此仍需要进一步
研究突破现有超声波增材制造技术的局限。

在未来定会预见功率超声微纳连接技
术将是微电子封装技术中不可替代的一个分支。

参考文献：
[1] 李永刚，范桂霞，赵开新，王永文 . 绿色微纳电子：21 世纪中国集成
电路产业和科学技术发展趋势 [J]. 科技导报 .2017（16）
[2] 席俭飞，张方晖. 我国集成电路产业和科学技术发展趋势[J]. 电子工
业专用设备 .2018（03）
[3] 张冬冬，刘树英，陈泽. 微电子封装的关键技术及应用前景研究 [J].
信息与电脑（理论版）.2018（01）。