相变存储器中超声楔形键合工艺的研究

发布时间：2020-04-19 07:06

【摘要】：相变存储器作为下一代最具发展潜力的存储器,在读写速度、存储密度、功耗等方面具有显著优势,封装测试是相变存储器研发的难点之一。引线键合技术是微电子封装的主流技术,目前引线键合工艺的研究主要集中在Cu、Al、Au等传统材料厚焊盘上。相变存储器的电极焊盘材料种类多样,焊盘很薄,超声楔形键合作为引线键合的重要形式,研究相变存储器中的超声楔形键合工艺具有十分重要的实际意义和科学意义。本文围绕相变存储器中常用的Pt、Ti、Cu、TiW、Ag、Ta等六种电极材料研究其超声楔形键合工艺及参数,主要论述了以下内容:(1)介绍了键合质量评价的国际性标准,论述了探究键合表面物质的必要性。(2)制备了230nm厚度Pt电极样品,使用SigmaSEM观察键合点引线的成型特征,发现Bond 1和Bond 2的成型是一致的。(3)采用化学腐蚀法清除键合点的Al线,经SEM扫描发现接合痕由内外椭圆组成,进一步研究了键合功率和键合时间对外椭圆的长短轴的影响,发现键合功率和键合时间对外椭圆长轴几乎没有影响,对外椭圆短轴有显著影响,揭示了楔形键合劈刀的振动方向是横轴方向。(4)分别对键合点引线的中心位置和边缘位置进行EDS成分分析,发现中心位置没有IMC物质,IMC物质仅在边缘位置生成,结合接合痕的特征分析从而推断出键合仅发生在接合痕的内外椭圆之间。(5)设计了双键合点破坏性拉断力的测试方法,分别测试了相变存储器中常用的Pt、Ti、Cu、TiW、Ag、Ta等六种电极材料在不同键合功率和键合时间条件下的拉断力,并拟合了拉断力与键合功率的函数关系。(6)最后从接合面积和引线变形率分析了拉断力的影响因素,指出接合面积和引线变形率的双重影响导致了拉断力随着键合功率的增大先增后减。
【图文】：

示意图,引线键合,楔形键,形式

按照键合成型形状分类，引线键合又有球形键合和楔形键合两种形式。一般而言，球形键合使用的线材是Au丝，采用90°键合劈刀，键合时需要加热到100-200℃之间，键合部位为球形，形成球形—楔形键合。球形键合一般采用线径 75μm（直径）以下的 Au 丝，主要是由于 Au 丝在高温受压状态下容易变形，抗氧化性能也非常好，成球性好，一般适用于间距 100μm 以上的焊盘。而楔形键合采用楔形劈刀（45°），，常用的楔形键合工艺是常温下的 Al 线超声波键合，在劈刀压力和超声波的作用下，Al 线和焊盘的纯净表面之间发生剧烈摩擦产生塑性流动完成接合。楔形键合适用于 50μm 以下精细间距的焊盘，引线长度可控，无需加热，工作温度低。由于相变存储器对温度很敏感，Au 线球形键合需要加热 100℃以上，这有可能破坏相变存储芯片。而 Al 线楔形键合不需要加热，且相变存储器 Pad 之间间距很小，所以采用常温下 Al 线楔形键合完成芯片互连封装。因此，对于相变存储器，本文研究的是引线键合中的超声楔形键合。

示意图,超声键合,系统结构,示意图

图 1-2 超声键合系统结构示意图金属丝与金属焊盘（电极材料）直接键合的原理是：超声波发生器产生能频电信号）驱动压电换能器，压电换能器利用逆压电效应将超声波发生器产频电信号转换为高频力信号，力信号经过振幅杆放大驱动劈刀，使（劈刀）速振动，同时在劈刀上施加适当的静压力，劈刀就会带动金属丝在焊盘表面烈摩擦，去除表面阻焊物，金属丝和焊盘表面产生塑性变形，使两个纯净金紧密接触达到原子间的结合。摩擦、塑性流动、温度是实现超声键合的 3 个件，其中摩擦是最主要的。这是因为：摩擦是键合过程中的主热源，并且可氧化膜等阻焊物，为纯净金属表面之间相互接触创造了条件。另外，有研究为超声的存在是键合的第四个主要条件，因为超声的作用使得键合丝的塑性力增强。1965 年，Langenecker 研究了超声对金属的软化作用，发现常温下够使得Al引线产生延长[19]；Chevalier等人研究了高频超声能量对材料的影响[20]
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP333

【参考文献】