微电子引线键合(原书第3版)

目　录

译者序

原书前言

作者简介

第1章　技术概论1

1.1　楔形和球形键合机操作2

1.2　如何解决键合问题5

1.2.1　哪些材料可以进行超声键合5

1.2.2　新键合系统的可键合性和可靠性7

1.2.3　引线键合的特殊用途9

参考文献9

第2章　超声键合系统与技术10

2.1　引言10

2.2　超声换能器及键合工具的振动模式10

2.3　超声键合的形成（经验描述）16

2.3.1　超声与热超声键合过程简述20

2.4　高频超声能量键合23

2.5　键合过程（实时）监控25

2.6　引线键合技术26

2.6.1　热压键合26

2.6.2　超声楔形键合27

2.6.3　热超声球形键合与楔形键合28

2.6.4　新型/不同的引线键合技术28

2.7　细引线键合技术的演变30

2.7.1　薄带线键合30

2.7.2　平行间隙电极焊和镊子焊接32

2.8　引线键合的替代技术（倒装芯片和载带自动键合）33

2.8.1　倒装芯片33

2.8.2　载带自动键合34

2.9　引线键合技术：比较和未来方向35

参考文献37

第3章　键合引线的冶金学特性41

3.1　引言41

3.2　键合引线的应力-应变特性41

3.3　键合引线的存储寿命老化42

3.4　键合金丝的综述47

3.5　超声楔形键合用铝丝49

3.6　引线及金属层硬度50

3.7　EFO极性的影响50

3.8　键合引线的疲劳性能51

3.9　球形键合用的铜丝54

3.10　导线烧断（熔断）55

3.10.1　键合引线55

3.10.2　印制电路板（PCB）及多芯片模组（MCM）导电线路的*大允许

电流59

附录3A　键合引线、键合试验的ASTM标准和规范清单59

附录3B　铜丝键合是金丝键合的低成本解决方案吗59

参考文献62

第4章　引线键合测试64

4.1　引言64

4.2　破坏性键合拉力测试65

4.2.1　键合拉力测试的变量65

4.2.2　剥离测试（镊子拉拔）68

4.2.3　失效预测—基于拉力测试数据69

4.2.4　引线性能和键合工艺对拉力的影响69

4.2.5　引线伸长对拉力的影响72

4.3　焊球-剪切测试75

4.3.1　引言75

4.3.2　测试仪器75

4.3.3　手动剪切探头77

4.3.4　焊球-剪切测试的影响因素78

4.3.5　焊球剪切力与键合区域的关系82

4.3.6　金-铝金属间化合物对剪切力的影响86

4.3.7　拉拔测试、撬杠测试、翻转测试及其他测试87

4.3.8　焊球-剪切测试与键合点拉力测试的对比88

4.3.9　焊球-剪切测试的应用88

4.3.10　楔形键合点的剪切测试91

4.3.11　焊球-剪切测试标准93

4.4　球形和楔形键合点评估94

4.5　热应力试验可靠性评估94

4.6　未来面临的问题95

附录4A　焊球-剪切测试的典型失效模式96

附录4B　非破坏性键合拉力测试97

4B.1　引言97

4B.2　NDPT的冶金学和统计学解释98

4B.3　由NDPT引起的冶金性能缺陷99

4B.4　NDPT的局限性100

4B.5　关键航天应用中NDPT的现状101

参考文献102

第5章　金-铝金属间化合物及其他金属界面反应105

5.1　金-铝金属间化合物的形成及经典的引线键合失效105

5.1.1　概述105

5.1.2　金-铝体系中金属间化合物的形成106

5.1.3　经典金-铝化合物失效模式111

5.1.4　材料转换的金-铝界面116

5.1.5　扩散抑制剂和阻挡层的作用117

5.2　杂质加速金-铝键合失效118

5.2.1　卤素的影响119

5.2.2　去除或避免卤素污染的建议122

5.2.3　环氧树脂非卤素气体排出导致的键合失效122

5.2.4　绿色环保模塑料123

5.3　非金-铝键合界面123

5.3.1　铝-铜引线键合123

5.3.2　含铜的铝键合焊盘125

5.3.3　铜-金引线键合系统126

5.3.4　钯-金和钯-铝引线键合系统127

5.3.5　银-铝引线键合系统129

5.3.6　铝-镍引线键合系统130

5.3.7　金-金、铝-铝、金-银，以及某些不常用的单金属键合系统131

附录5A　焊接不良的金-铝引线键合的快速失效134

附录5B　金-铝球形键合的热退化136

附录5C　键合相关的腐蚀反应139

参考文献141

第6章　键合焊盘镀层技术及可靠性147

6-A　镀金层杂质和状态导致的键合失效147

6-A.1　镀金层147

6-A.2　特定的电镀杂质149

6-A.3　镀膜层中氢气渗入151

6-A.3.1　电阻漂移151

6-A.4　金膜层内部/表面金属杂质引发的失效152

6-A.4.1　概述152

6-A.4.2　镍153

6-A.4.3　铜154

6-A.4.4　铬155

6-A.4.5　钛155

6-A.4.6　锡155

6-A.5　镀金层标准156

6-A.5.1　关于可靠镀金层的建议156

6-A.6　自催化化学镀金157

6-A.7　非金镀层157

参考文献158

6-B　镍基镀层160

6-B.1　背景介绍160

6-B.2　化学镀工艺161

6-B.2.1　镀镍工艺163

6-B.2.2　镀钯工艺164

6-B.2.3　镀金工艺164

6-B.3　键合焊盘镀层—引线键合工艺窗口与可靠性166

6-B.3.1　镍/金层166

6-B.3.2　镍/钯/金层169

6-B.3.3　镍/钯层172

6-B.4　等离子体清洗175

6-B.5　可直接键合的铜层176

参考文献177

第7章　清洗179

7.1　引言179

7.1.1　分子级清洗方法181

7.1.2　紫外线-臭氧清洗182

7.1.3　等离子体清洗185

7.1.4　等离子体清洗机理187

7.1.5　分子级和溶剂清洗方法评估188

7.1.6　分子级清洗方法的问题190

7.1.7　抛光191

7.2　不同键合技术对表面污染的敏感性192

附录7A　等离子体清洗造成的电路损伤194

参考文献195

第8章　引线键合中的力学问题198

8.1　弹坑198

8.1.1　引言198

8.1.2　键合设备特征及参数设置202

8.1.3　键合力203

8.1.4　键合工具引线-焊盘冲击力204

8.1.5　弹坑的成因—材料205

8.1.6　金属间化合物对弹坑的影响207

8.1.7　硅结节引发的弹坑209

8.1.8　多晶硅形成的弹坑211

8.1.9　砷化镓弹坑211

8.1.10　弹坑问题小结214

8.2　超声楔形键合点的跟部裂纹214

8.3　加速度、振动和冲击对空腔封装的影响216

8.3.1　引线键合可靠性的离心试验216

8.3.2　超声清洗、运载火箭热冲击、振动等对空腔封装引线键合的

影响218

8.3.3　冲击和振动对引线键合的影响（长引线的问题）220

8.4　功率和温度循环对引线键合的影响221

附录8A　断裂韧度225

附录8B　引线键合机参数的实验设计（DOE）225

参考文献229

第9章　先进引线键合技术233

9.1　高良率、更细节距引线键合和特定线弧的技术及问题233

9.1.1　现代高良率引线键合技术介绍233

9.1.2　高良率键合的要求（金属层表面、硬度、清洁度）234

9.1.3　键合设备及其管控237

9.1.4　少数键合的可靠性（小样本量统计）238

9.1.5　封装相关的键合良率问题239

9.1.6　潜在的良率问题和解决方案239

9.1.7　其他影响器件良率的因素241

9.1.8　线弧241

9.1.9　细节距球形和楔形键合243

9.1.10　细节距键合的可靠性和测试问题246

9.1.11　高良率和细节距键合的结论248

9.2　PCB、挠性板、BGA、MCM、SIP、软基材器件和高性能系统中的

引线键合249

9.2.1　引言249

9.2.2　薄膜介质基板的键合249

9.2.3　层压基板的键合251

9.2.4　增层253

9.2.5　聚合物基板的材料性能对引线键合的影响254

9.2.6　高性能系统封装中引线键合的其他注意事项257

9.2.7　典型封装/板中导体金属结构的趋肤效应258

9.2.8　小结259

9.3　极端温度/环境中的引线键合259

9.3.1　引言259

9.3.2　高温环境互连要求260

9.3.3　低温环境互连要求262

9.3.4　极端温度下的封装效应262

9.3.5　小结263

附录9A　引线键合机拱弧263

9A.1　引言263

9A.2　机器的运动和轨迹264

9A.3　线弧形状264

9A.4　预弯曲265

9A.5　CSP和BGA线弧266

9A.6　堆叠芯片和多芯片封装266

9A.7　瓷嘴形成低线弧267

9A.8　瓷嘴形状及其对拖拽/摩擦的影响267

9A.9　引线的作用268

9A.10　球形凸点和钉头凸点269

9A.11　刚度-杨氏模量271

参考文献271

第10章　铜/低介电常数（Cu / Lo-k）器件—键合和封装274

10.1　引言274

10.2　Cu/Lo-k技术275

10.2.1　Lo-k电介质277

10.2.2　铜键合焊盘的表面保护层和可键合性镀层278

10.3　集成电路Lo-k材料上铜焊盘的引线键合281

10.3.1　Lo-k倒装芯片损伤284

10.4　结论284

参考文献285

第11章　引线键合工艺建模与仿真287

11.1　引言287

11.2　假设、材料性能和分析方法288

11.3　不同参数的引线键合工艺289

11.3.1　超声振幅的影响291

11.3.2　超声频率的影响293

11.3.3　摩擦系数的影响296

11.3.4　键合焊盘厚度的影响298

11.3.5　焊盘结构的影响301

11.3.6　键合后衬底冷却温度建模304

11.3.7　小结305

11.4　有源区上方键合焊盘的引线键合与晶圆探针测试的影响

比较306

11.4.1　探针测试模型306

11.4.2　探针测试建模308

11.4.3　探针测试与引线键合建模309

11.4.4　小结310

11.5　层压基板上的引线键合310

11.5.1　问题定义和材料属性311

11.5.2　模型仿真结果与讨论312

11.5.3　实验结果317

11.5.4　小结318

参考文献319