CMOS 芯片键合失效分析与研究_无锡海兰微电子科技有限公司

CMOS 芯片键合失效分析与研究

来源：半导体行业观察和半导体封装工程师之家浏览：196 发表时间：2021-08-12 返回列表

摘要：

通过对 CMOS 芯片引线键合过程中发生铝焊盘剥落和出现“弹坑”两种现象进行分析，明确了该类故障现象的发生是由于键合焊盘受到了不同程度的机械作用而产生的不同程度的损伤。对可能造成该类故障现象的因素进行分析，主要因素有：芯片自身存在结构薄弱或原始缺陷，键合材料、键合参数等匹配不佳，操作中引入的不当因素等。对引线键合的方式和原材料进行优化，选定自动金球键合工艺，并采用单一变量法和正交优化法对自动金球键合的工艺参数进行优化，给出了自动金球键合工艺参数优选范围。通过环境试验对 CMOS 芯片自动金球键合工艺进行了可靠性评价。

引言

在微电子组装中，引线键合作为一门复杂的组装和制造工艺技术，是提高通用微电子器件、专用集成电路、薄厚膜混合集成电路、多芯片组装、系统集成电路等微电子电路性能的关键技术，是实现微电子互连的核心技术。无论在传统封装还是先进封装领域中，芯片引线键合技术都是核心技术。CMOS 芯片引线键合在微电子互连中是普遍的主要形式。引线键合工艺的研究很多，但主要集中于键合工艺方法的研究和工艺参数的优化，对键合过程中失效的研究较少。在键合过程中，键合焊盘受不同因素的影响出现了不同程度的机械损伤，体现出了不同的故障现象，一般有键合焊盘剥落和“弹坑”两种现象，该问题在生产过程中出现的较为普遍，会造成产品的系列返工，对生产的稳定性和产品的可靠性都有着很大的影响。

本文基于故障现象本身，对产生键合焊盘剥落和“弹坑”两种故障现象的影响因素进行分析，确认各因素对故障现象的影响机理。针对性解决CMOS 芯片在键合过程中失效问题，并给出有效措施，为CMOS 芯片引线键合技术提供技术支撑和可靠性保障。

1 故障现象分析

CMOS 芯片在引线键合过程中受到不同程度的机械损伤，出现了键合焊盘剥落和“弹坑”现象。针对两种现象的焊盘损伤程度和残留形貌进行逐一分析。

1.1 键合焊盘剥落

键合焊盘剥落是指在引线键合过程中焊盘表层金属层出现了局部的撕裂进而剥落，键合点随之抬起，剥落的金属与引线端相结合，光学显微镜下的失效形貌如图1（a）、（b）所示。

进一步对焊盘失效点进行SEM 分析，失效点边缘有很明显的撕裂痕迹，局部剥落露出绝缘材料（BPSG）层，如图1（c）所示。该类型失效是表层金属化层和下层绝缘材料之间受机械作用而产生分离，随后在持续的机械作用下出现了焊盘局部撕裂剥落。

1.2键合焊盘出现“弹坑”

键合焊盘出现“弹坑”是指在引线键合过程中焊盘局部出现了一个不固定形状的凹坑，凹坑中有少量硅被挖出，键合点随之抬起，凹坑中被挖出的硅与引线端相结合，光学显微镜下的失效形貌如图2（a）、（b）所示。

进一步对焊盘失效点进行SEM 分析，焊盘局部出现了一个凹坑，其中的硅材料被挖出，如图2（c）所示。该类型失效是键合焊盘和下层材料受机械作用而产生微裂纹，后在持续的机械作用下持续扩展致局部晶体解离，凹坑中的硅材料被挖出，形成一个“弹坑”。

通过以上分析，得出两类故障现象均为在引线键合过程中焊盘受机械作用而产生的不同程度的损伤。虽然该类损伤产生的直接原因是机械作用，但芯片自身缺陷、键合工艺参数、键合材料因素、键合操作过程中不明确因素等都是促成其最终发生的因素。

2 故障定位和机理分析

目前COMS 芯片引线键合常用的方式有铝丝超声键合和金丝热超声键合两种方式。超声键合是一种固态金属结合方式，当超声能量和力被施加到连接对象时，超声波能量作用的刮擦动作破坏了键合焊盘上的氧化物，在铝引线和铝焊盘接触面处产生微塑性变形，因而接触面机械互锁实现键合。热超声键合则是金原子和铝原子相互扩散及电子共享形成的一个冶金学结合。在热超声键合中，除了压力和温度之外，使用超声波能量使得固定位置的断层被激活和驱动，引起金属软化且相互滑移并发生低应力变形，增强扩散和反应实现键合。超声键合和热超声键合都需要使用键合工具，即劈刀来固定引线，并通过劈刀来传递一定的热能、力和超声能量来实现金属引线和金属焊盘之间的有效键合。

CMOS 芯片在引线键合过程出现失效，可能与芯片自身因素、键合相关工具材料、键合过程中引入的能量以及操作等因素相关。根据以上推论，并结合故障形貌分析得出在引线键合过程中可能造成键合焊盘剥落和出现“弹坑”的因素有：硅节瘤的存在、键合焊盘下层材料及金属层厚度、键合力、键合超声波能量、键合工具的类型、引线硬度、工具的冲击速度和冲击力、与操作者相关的不定性因素等等。这些因素之间相互关联，通常是几个因素综合作用的结果。本文对可能造成该类故障现象的以上因素进行分析。

2.1 芯片问题

目前所使用的CMOS 芯片是采用CMOS 工艺制作而成，即将NMOS 器件和PMOS 器件同时制作在一个硅衬底上。CMOS 芯片是多层布线，层间采用金属通孔互连，如图3 所示。从芯片自身来分析，导致键合焊盘露底的相关因素有：硅节瘤、键合焊盘附着力差和键合焊盘镀金层薄。

芯片在制片工艺过程中控制不得当，会有微米尺寸的硅节瘤沉淀在铝键合焊盘上，在有机械外力施加的时候，这些硅节瘤可以充当应力集中源，使得下面的硅破裂。如果芯片键合焊盘存在硅节瘤，在引线键合过程中的机械作用下，很容易引起露底，呈“弹坑”现象。故硅节瘤是诱发键合焊盘露底的一个因素。

CMOS 工艺芯片采用多层布线，通常会做到7~8 层布线结构，层与层之间通过金属通孔互连。考虑到基底硅材料会存在硅钉穿孔的现象，故一般通孔尺寸小于1 μm（通常为0.6 μm 或者0.8 μm）。由于通孔尺寸极小，故金属焊盘（以100 μm 尺寸焊盘为例）主要和硅磷玻璃层相结合。相比较而言，GaAs 材料的MMIC 芯片其布线一般只有2~3 层，层间互连的金属化通孔尺寸一般达到70 μm 左右，故金属焊盘（以100 μm 焊盘为例）主要和通孔金属相结合，如图4 所示。由于金属和金属的结合力相对金属和硅磷玻璃的结合力会强很多，故CMOS 芯片的焊盘附着力相对较弱。在引线键合过程中的机械作用下，其焊盘更容易出现撕裂剥离，呈焊盘剥落现象。故键合焊盘附着力差是诱发键合焊盘剥落的一个因素。

键合焊盘金属化层厚度对露底发生的影响主要是“缓冲效应”。如果焊盘金属化层较厚，对外力有一定的缓冲作用，同时由于金属的塑性变形也会使机械作用衰减；如果焊盘金属化层较薄，键合机械作用下出现露底的概率也较大。故键合焊盘金属化层薄是诱发焊盘露底的一个因素。

2.2 键合材料问题

引线键合过程中，对焊盘有直接机械作用的材料主要是劈刀和引线。

劈刀长度属于振动系统的一部分，当劈刀越长，其尖端摆幅会越大，传递更多超声能量至焊盘。键合劈刀的结构设计如果没有充分考虑，劈刀杆长过长，在产生同样形变的情况下，键合焊盘所承受的机械外力就更大，对焊盘损伤的概率也大。故键合劈刀不匹配是诱发焊盘露底的一个因素。

键合引线的硬度与所需超声能量相关，即超声能量E=K（HT）3/2，其中K 为常数，H 为线硬度（维氏），T 为金属厚度。引线越硬，产生一定形变需要的键合超声波能量就越大，过大的超声波能量会增加键合焊盘发生露底的概率。故键合引线过硬是诱发焊盘露底的一个因素。

2.3 键合参数问题

键合焊盘露底的直接原因是受到机械外力的作用，故与其直接相关的键合力和键合超声波能量是非常主要的因素。

键合力过大或过小都易导致露底，力大较易理解，但力小导致露底是劈刀与键合面未紧密接合，产生尖端效应导致。在相关研究中键合力与露底发生率之间有着对应关系。随着键合力的增加露底发生率先减小后增大，在某一个值达到最低点。故键合力不匹配是诱发焊盘露底的一个因素。

键合超声波能量不匹配，会诱发硅中的叠层错位和引起其他材料损伤。当键合工具在键合焊盘上压紧引线时，二者局部的点在实际的物理接触中。这时当焊盘下面有一个微小的缺陷，超声波能量和局部的高压力将通过微裂纹进行传播，如图5 所示。如果键合超声波能量不匹配，诱发硅中的叠层错位或者引起了其他材料损伤诱发露底。故键合超声波能量不匹配是诱发焊盘露的一个因素。

2.4 键合操作问题

键合操作问题一般指键合过程中工具的冲击力和冲击速度过大，而引入非正常的机械外力，造成键合焊盘损伤。除此之外，还有一些不确定的人为因素引入的干扰。故操作问题是诱发露底的一个因素。

综上分析，部分芯片由于自身存在结构薄弱或者原始缺陷等问题，导致其后续引线键合的工艺窗口变窄，加之在其键合过程中工艺材料、工艺参数和工艺操作不够优化的情况下，就会出现焊盘剥落或焊盘“弹坑”的失效。故对CMOS 芯片引线键合工艺进行优化，为其引线键合技术提供技术支撑和可靠性保障。

3 键合工艺优化和可靠性评价

本研究针对以上问题，对引线键合方式、原材料和工艺参数进行优化，给出相应的解决措施。

3.1 键合材料和方式优化

通过以上分析得知，键合引线过硬是诱发焊盘露底的一个因素，故针对该问题选择硬度较小的引线。按照American Fine Wire 的产品目录提供的键合引线材料的物理性质中提供的数据，Au 引线硬度为220 N/mm（2 布氏），Al 引线的硬度为200~500N/mm（2 布氏）。从引线硬度这一因素来看，针对露底发生率而言金引线相对有一定的优势。本实验研究采用25 μm 金引线键合，同时匹配选择了杆长12 mm、FA（端面角度）8°、OR（外半径）值25.4 mm的劈刀。

金球热超声键合由于其第一焊后可360°自由移动，第二键在任何方向均不损伤球颈，效率高。综合上述分析结果，本实验研究选择自动金球热超声键合。

3.2 键合参数的优化

根据上述研究选用25 μm 金丝在CMOS 芯上进行自动键合，第二键选定陶瓷基板且参数设置为定值。采用单一变量法研究其主要的工艺参数超声功率、超声时间、键合压力对键合质量的影响。根据单一变量法研究的结果，选取参数进行三因素三水平的正交优化试验，给出最优参数选择。

3.2.1 键合参数对键合质量的影响

通过控制单一变量法分别对超声功率、超声时间、键合压力进行研究。结合经验值，每个变量选取10 个参数值，每个参数值对应键合200 根丝。对键合金丝的形貌、键合强度（100 根）和球剪切强度（100 根）进行测试。通过以上研究得出，在CMOS 芯上进行25μm 金丝键合的优选参数范围如表1 所示。