钯在铜线键合中的作用机理研究
发布时间：2021-03-01 03:54
随着电子封装向小型化、多功能和低成本的方向发展,封装行业对封装形式和封装材料提出了更高的要求。引线键合是最早的芯片封装技术,通过金属导线实现器件与其封装体之间的互连。金的导电性和导热性能使其在高密度和细间距封装中的应用挑战性增大,同时金线的成本不断增加。铜的电导和热导率均高于金,而且其成本也远远小于金的成本,使得铜成为新的键合线材料。因为铜线在环境中极易氧化,所以抗氧化层技术的应用促使镀钯铜线成为代替金线的键合线。但是镀钯铜线在应用过程中有以下几个方面的问题亟待解决。第一、镀钯铜线形成空气自由球（Free Air Ball,FAB）后钯在FAB的分布对结合可靠性的影响。第二、FAB的最后状态决定了第一焊点的初始状态,所以不同的钯的分布位置和状态对键合界面的作用机制,以及与键合强度的作用关系需要系统研究。第三、键合线的直径和间距越来越小使键合线和第一焊点、第二焊点承载的电流密度、温度梯度和应力梯度越来越大,由此产生的热应力和电迁移应力可靠性问题鲜有报道。本文研究了线径20μm镀钯铜线的烧球电流和烧球时间对钯在FAB表面的分布的影响;澄清了不同的钯的分布和状态的界面作用机理;比较了塑封之后...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２引线键合一个循环的示意图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｈｅ?ｂａｌｌ－ｗｅｄｇｅ?ｗｉｒｅ?ｂｏｎｄｉｎｇ?ｃｙｃｌｅ??
?第１章绪论???：ｃ－?＾?－．?ｉｉ§?：；：，??ｇｉｖ：?？ｖ＞．３＇：．＂?：；？－?＂■，？?■＇＂．?＇??图１．３球－楔键合（ａ）第一焊点；（ｂ）第二焊点??Ｆｉｇ．?１．３?Ｂａｌｌ－ｗｅｄｇｅ?ｂｏｎｄｉｎｇ?ｏｆ?（ａ）?ｆｉｒｓｔ?ａｎｄ?（ｂ）?ｓｅｃｏｎｄ?ｂｏｎｄ??电子封装中使用引线键合作为互连形式的封装流程主要分为封装前晶圆准??备、减薄划片、上芯（Ｄｉｅ?Ｂｏｎｄｉｎｇ，?ＤＢ）、引线键合／压焊（Ｗｉｒｅ?Ｂｏｎｄｉｎｇ，?ＷＢ）、??塑封、植球、切割。??关于超声键合的键合理论和模型到目前没有达成统一的共识。但是普遍认为??引线键合属于固相键合的一种；而且两种金属如果要形成连接，他们的表面要相??对干净没有污染［２２１。固相键合是不需要液态金属重新凝固就能完成两者键合的工??艺［２３］。固相键合工艺一般采用施加应变或热能的方法，促使两待焊表面之间产生??紧密的金属间接触，从而形成可靠的连接。??文献中主要报道的超声键合的键合机理有三个：超声加热、塑性变形和微滑??移机制ｔ２４＿３１］。不过超声加热和超声变形理论不能单独地解释超声键合的机理［３２－３７］。??键合球和焊盘的接触可近似于弹性球和弹性平面之间的接触［３８＿３＇图１．４展示了??圆形接触的微滑动下的条状区域和微滑动区域的示意图［３９］。随着切向力的增加，??滑移环向内增长，直至宏观滑移点，此时微滑移环己增长至接触圆的中心。根据??参考文献［３９］可知，弹性球体被压在弹性板上，并受到振动的切向力的载荷作用。??在没有宏观滑移出现的情况下，由于微滑移作用产生的磨损环出现在弹性平面的??表面上。当切向力的大小进一步增加
?第１章绪论???合界面覆盖区形貌从微滑移向宏观滑移转变的示意图［２４］。其中键合球和芯片焊盘??键合界面的最大的法向力的位置在键合界面的圆周位置，呈圆环状分布。这个圆??环位于劈刀的内腔直径和劈刀的肩部位置，如图１．６ｂ所示［２４］。根据公式１－１可??知，界面中心位置的法向力比较小，所以界面中心位置的磨损比较少；劈刀的内??腔直径和劈刀的肩部位置法向力比较大，则界面的磨损比较多。??Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ?ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ?ｐｏｗｅｒ??＂：：Ｖ?錢筹％＾＾??（ａ）?（ｂ）?⑷?（ｄ）??Ｍｉｃｒｏｓｔｉｐ?！?Ｇｒｏｓｓ?ｓｆｒｄｉｎｇ??＾?ｉ?？??ｉ??图１．５随着超声能量增加第一焊点覆盖区形貌的变化示意图。阴影区代表磨损区??域，虚线的圆代表了劈刀的内腔直径。斜阴影区密度代表键合密度。Ｕ）和（ｂ）为局部??磨损，（ｂ）、（ｃ）和（ｄ）超声强化变形，（ｃ）和（ｄ）为宏观滑移，（ｃ）大范围键合，??（ｄ）覆盖区域有大量的键合线残留??Ｆｉｇ．?１．５?Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｂａｌｌ?ｂｏｎｄ?ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ?ｃｈａｎｇｅ?ｆｏｒ?ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ?ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ?ｐｏｗｅｒ．??Ｓｈａｄｅｄ?ａｒｅａｓ?ｉｎｄｉｃａｔｅ?ｆｒｅｔｔｉｎｇ．?Ｄａｓｈｅｄ?ｃｉｒｃｌｅ?ｉｎｄｉｃａｔｅｓ?ｔｈｅ?ｃａｐｉｌｌａｒｙ?ｃｈａｍｆｅｒ?ｄｉａｍｅｔｅｒ．??Ｂｏｎｄｉｎｇ?ｄｅｎｓｉｔｙ?ｉｎｄｉｃａｔｅｄ?ｂｙ?ｃｒｏｓｓ?ｈａｔｃｈｉｎｇ?ｄｅｎｓｉｔｙ?（ａ）?ａｎｄ?（ｂ）?ｐａｒｔｉａｌ?ｆｒｅｔｔｉｎｇ，?（ｂ），?（ｃ），?ａｎｄ??（ｄ）?ｕｌｔｒ
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型化学镀钯工艺研究[J]. 苏星宇,黄明起,刘彬灿,张国平. 印制电路信息. 2019(03)
[2]化学镀钯工艺及镀层性能研究[J]. 李伟,王钰蓉,王文昌,陈智栋. 电镀与精饰. 2015(12)
[3]镀钯铜线键合中FAB表面的钯覆盖[J]. 浦浩楠,王家楫,俞宏坤. 半导体技术. 2013(08)
[4]电子封装中的固相焊接:引线键合[J]. 宗飞,黄美权,叶德洪,苏庆侠,刘赫津. 电子工业专用设备. 2011(07)
[5]Factors governing heat affected zone during wire bonding[J]. 孙立宁,刘曰涛,刘延杰. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009(S2)
[6]化学镀钯工艺的研究[J]. 樊群峰,司新生,张海娟,张沁. 应用化工. 2009(06)
[7]JMP统计分析软件实现可靠的质量管理[J]. 集成电路应用. 2008(Z2)
[8]环氧塑封料热膨胀性能的研究进展[J]. 张文学,杨娟,程晓农. 材料导报. 2008(S1)
[9]金、铜丝球键合焊点的可靠性对比研究[J]. 徐慧,杭春进,王春青,田艳红. 电子工业专用设备. 2006(05)
[10]《评价材料的高分辨电子显微方法》[J]. 刘书惠. 稀有金属快报. 2003(02)
本文编号：3056923
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２引线键合一个循环的示意图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｈｅ?ｂａｌｌ－ｗｅｄｇｅ?ｗｉｒｅ?ｂｏｎｄｉｎｇ?ｃｙｃｌｅ??
?第１章绪论???：ｃ－?＾?－．?ｉｉ§?：；：，??ｇｉｖ：?？ｖ＞．３＇：．＂?：；？－?＂■，？?■＇＂．?＇??图１．３球－楔键合（ａ）第一焊点；（ｂ）第二焊点??Ｆｉｇ．?１．３?Ｂａｌｌ－ｗｅｄｇｅ?ｂｏｎｄｉｎｇ?ｏｆ?（ａ）?ｆｉｒｓｔ?ａｎｄ?（ｂ）?ｓｅｃｏｎｄ?ｂｏｎｄ??电子封装中使用引线键合作为互连形式的封装流程主要分为封装前晶圆准??备、减薄划片、上芯（Ｄｉｅ?Ｂｏｎｄｉｎｇ，?ＤＢ）、引线键合／压焊（Ｗｉｒｅ?Ｂｏｎｄｉｎｇ，?ＷＢ）、??塑封、植球、切割。??关于超声键合的键合理论和模型到目前没有达成统一的共识。但是普遍认为??引线键合属于固相键合的一种；而且两种金属如果要形成连接，他们的表面要相??对干净没有污染［２２１。固相键合是不需要液态金属重新凝固就能完成两者键合的工??艺［２３］。固相键合工艺一般采用施加应变或热能的方法，促使两待焊表面之间产生??紧密的金属间接触，从而形成可靠的连接。??文献中主要报道的超声键合的键合机理有三个：超声加热、塑性变形和微滑??移机制ｔ２４＿３１］。不过超声加热和超声变形理论不能单独地解释超声键合的机理［３２－３７］。??键合球和焊盘的接触可近似于弹性球和弹性平面之间的接触［３８＿３＇图１．４展示了??圆形接触的微滑动下的条状区域和微滑动区域的示意图［３９］。随着切向力的增加，??滑移环向内增长，直至宏观滑移点，此时微滑移环己增长至接触圆的中心。根据??参考文献［３９］可知，弹性球体被压在弹性板上，并受到振动的切向力的载荷作用。??在没有宏观滑移出现的情况下，由于微滑移作用产生的磨损环出现在弹性平面的??表面上。当切向力的大小进一步增加
?第１章绪论???合界面覆盖区形貌从微滑移向宏观滑移转变的示意图［２４］。其中键合球和芯片焊盘??键合界面的最大的法向力的位置在键合界面的圆周位置，呈圆环状分布。这个圆??环位于劈刀的内腔直径和劈刀的肩部位置，如图１．６ｂ所示［２４］。根据公式１－１可??知，界面中心位置的法向力比较小，所以界面中心位置的磨损比较少；劈刀的内??腔直径和劈刀的肩部位置法向力比较大，则界面的磨损比较多。??Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ?ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ?ｐｏｗｅｒ??＂：：Ｖ?錢筹％＾＾??（ａ）?（ｂ）?⑷?（ｄ）??Ｍｉｃｒｏｓｔｉｐ?！?Ｇｒｏｓｓ?ｓｆｒｄｉｎｇ??＾?ｉ?？??ｉ??图１．５随着超声能量增加第一焊点覆盖区形貌的变化示意图。阴影区代表磨损区??域，虚线的圆代表了劈刀的内腔直径。斜阴影区密度代表键合密度。Ｕ）和（ｂ）为局部??磨损，（ｂ）、（ｃ）和（ｄ）超声强化变形，（ｃ）和（ｄ）为宏观滑移，（ｃ）大范围键合，??（ｄ）覆盖区域有大量的键合线残留??Ｆｉｇ．?１．５?Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｂａｌｌ?ｂｏｎｄ?ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ?ｃｈａｎｇｅ?ｆｏｒ?ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ?ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ?ｐｏｗｅｒ．??Ｓｈａｄｅｄ?ａｒｅａｓ?ｉｎｄｉｃａｔｅ?ｆｒｅｔｔｉｎｇ．?Ｄａｓｈｅｄ?ｃｉｒｃｌｅ?ｉｎｄｉｃａｔｅｓ?ｔｈｅ?ｃａｐｉｌｌａｒｙ?ｃｈａｍｆｅｒ?ｄｉａｍｅｔｅｒ．??Ｂｏｎｄｉｎｇ?ｄｅｎｓｉｔｙ?ｉｎｄｉｃａｔｅｄ?ｂｙ?ｃｒｏｓｓ?ｈａｔｃｈｉｎｇ?ｄｅｎｓｉｔｙ?（ａ）?ａｎｄ?（ｂ）?ｐａｒｔｉａｌ?ｆｒｅｔｔｉｎｇ，?（ｂ），?（ｃ），?ａｎｄ??（ｄ）?ｕｌｔｒ
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型化学镀钯工艺研究[J]. 苏星宇,黄明起,刘彬灿,张国平. 印制电路信息. 2019(03)
[2]化学镀钯工艺及镀层性能研究[J]. 李伟,王钰蓉,王文昌,陈智栋. 电镀与精饰. 2015(12)
[3]镀钯铜线键合中FAB表面的钯覆盖[J]. 浦浩楠,王家楫,俞宏坤. 半导体技术. 2013(08)
[4]电子封装中的固相焊接:引线键合[J]. 宗飞,黄美权,叶德洪,苏庆侠,刘赫津. 电子工业专用设备. 2011(07)
[5]Factors governing heat affected zone during wire bonding[J]. 孙立宁,刘曰涛,刘延杰. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009(S2)
[6]化学镀钯工艺的研究[J]. 樊群峰,司新生,张海娟,张沁. 应用化工. 2009(06)
[7]JMP统计分析软件实现可靠的质量管理[J]. 集成电路应用. 2008(Z2)
[8]环氧塑封料热膨胀性能的研究进展[J]. 张文学,杨娟,程晓农. 材料导报. 2008(S1)
[9]金、铜丝球键合焊点的可靠性对比研究[J]. 徐慧,杭春进,王春青,田艳红. 电子工业专用设备. 2006(05)
[10]《评价材料的高分辨电子显微方法》[J]. 刘书惠. 稀有金属快报. 2003(02)
本文编号：3056923
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