  摘要 ： 微电子行业中，一般使用引线键合工艺完成微电子器件中固态电路内部互连接线的连接。在引线键合工艺前，需要先把芯片焊接在器件上，但是，芯片焊接（Die Bond, DB）工艺中使用的高温烘烤制程容易使镀层质量劣化，导致引线键合质量下降。尤其是，基于成本需求，业界近年来倾向于把金层厚度从常用的 1μm ～ 1.25μm 调薄至0.3μm ～ 0.5μm，但是，在实践中发现，镀金层减薄后更容易由于高温烘烤导致引线键合失效，此问题对器件封装良率造成了严重影响。本文中，作者研究并说明了高温烘烤后引线键合质量下降的原因，并给出了解决方案。 引线键合是集成电路封装中连接芯片与引线框架的首选工艺之一，占商用集成电路生产的 90%以上。引线键合技术可以根据键合方法（球 - 楔或楔 - 楔）或在引线和焊盘之间产生金属互连的实际机制（热压、超声波或热超声）进行分类。使用金线进行键合时，一般采用球楔法，球楔法的金线键合过程如下 ：键合线穿过劈刀，电火花作用于在键合线末端形成“球”。在加热（热压）、超声波能量的作用下，球被压到焊盘上（超声波）或两者（热声），建立第一个键。将劈刀移动到目标焊盘，在那里通过加热、加压、超声波能量的作用下连接引线，使用劈刀的边缘形成“楔形”。最后夹住引线时移除劈刀，使引线撕裂。 由于引线键合过程本身受到劈刀几何形状、焊盘表面条件和环境效应等诸多因素的影响，所以键合连接的粘接性和粘接机理仍存在重大争议，但毋容置疑的是，微电子封装中线键的力学可靠性在很大程度上取决于键合线与焊盘界面上金属间化合物的形成和发展，这是成功键合的必要条件。传统的焊盘镀层由一个 3μm ～ 5μm 厚的镍层、1μm ～ 1.25μm 厚的金层组成，近年来，随着金价的上升，较厚的金层对厂商造成了较大的成本压力，因此，厂商越来越倾向于使用更薄的镀层，比如0.3μm ～ 0.5μm 的金层厚度来替代现常用的 1μm ～ 1.25μm 金层厚度。但是，在实践中发现，金层减薄后，引线较容易发生键合不良的情况，尤其是经过高温烘烤后，引线键合质量不良的发生频率明显上升。此问题对封装厂家的生产良率造成了严重影响，阻碍了薄金镀层的推广应用。 本文中，作者重点分析了镍合金镀层经高温烘烤后引线键合质量发生明显下降的机理，并通过一系列的实际验证，提出了改善此现象的手段。 1 高温烘烤失效机理 焊盘的镀覆方式主要由电镀和化镀两种，相对化镀工艺，电镀工艺镀覆的镀层具有延展性好，耐腐蚀，焊接性能好、可靠性佳、可镀厚度范围宽的优点，但其缺点是产品必须要有引线设计，通电后才可发生反应，有一定的局限性，另外，镀层厚度均匀性较差，对设备的要求较高。对于射频或功率封装产品，一般采用电镀镍金的工艺进行。对镍金镀层来说，金层是表面焊接层，焊接过程中与键合线间形成金属间化合物，镍层是阻隔层，作用是防止高温过程中金和铜基材之间发生相互扩散。一般来说，金层可以对下方的镍层起保护作用，防止镍层发生氧化。但是，微观上来看，电镀的金层实际上含有很多孔隙，高温下，氧气可通过这些孔隙缺陷侵蚀接触到下方的镍层，导致镍层发生氧化，并扩散至金层表面，阻碍键合线与金层间形成金属间化合物，最终导致引线键合时发生焊接不良。 为验证以上理论，作者分别对无烘烤、200℃烘烤 2h、250℃烘烤 2h 的电镀镍金样品进行 X 射线光电子能谱测试（XPS），以确定不同烘烤状态的镀层表面元素及其化学状态。测试使用 X射线能谱仪 INCA X-max 20 进行，可以对特定的斑点状位置进行元素全谱扫描和高精度扫描。本论文中测试的管壳由广东华智芯电子科技有限公司提供，一般产品的焊盘镍层和金层厚度分别为 4μm ～ 8μm 和 0.3μm ～ 0.5μm。 作者首先对不同样品的表面进行元素全谱扫描，谱图显示样品 表 面 含 C、N、O、S、Ni、Au 元 素，其 中，C、N、Na 均 为 X射线光电子能谱测试中常出现的元素，与样品容易粘附的大气污染物有关，S 为靠近产品测试位置的框架材料带来的噪音信号。为确定样品烘烤前后表面元素的变化，对全谱扫描中出现的元素进行了高精度扫描，并对各元素比例进行了统计。结果显示，无烘烤、200℃烘烤 2h 和 250℃烘烤 2h 的样品的 Ni2p 元素百分比分别为 1.91%、9.22% 和11.84%，说明镀层经高温烘烤后，表面镍元素的含量发生了明显上升。为确认镍元素是否发生了氧化，对镍元素进行价态分析，结果表明镍以二价的形式存在，说明镍发生了氧化。 为验证表面镍含量的升高是否与引线键合质量有关，可以利用镍的活性较高，金的活性较为惰性的特点，使用稀酸洗涤焊盘表面，从而将镍除去。作者把经过 250℃ ×2h 烘烤的管壳使用浓度为 2% 的稀硫酸浸泡 10s，洗涤干燥后重新进行打线。结果表明，管壳烘烤前、管壳烘烤后、管壳烘烤并稀硫酸洗涤后的焊线平均拉力值分别为 11.94g、4.47g、11.47g，CPK 值分别为 3.92、1.02、3.83。可见，原本打线性能良好的管壳在经过高温烘烤后焊线拉力值和 CPK 值均明显下降，而经过稀硫酸洗涤后，焊线拉力值和 CPK 值基本恢复到未烘烤水平。可以推断，经过酸洗后，阻碍金线和焊盘金层结合的氧化镍被去除，从而金线和焊盘金层可以良好结合。 为证明以上观点，作者对 250℃烘烤后、250℃烘烤并稀硫酸洗涤后的管壳分别进行 X 射线光电子能谱测试，并对不同元素进行高精度扫描。首先对不同样品的表面进行元素全谱扫描，谱图显示样品表面都含有 C、N、O、S、Ni、Au 元素，其中，C、N、Na 均为 X 射线光电子能谱测试中常出现的元素，与样品容易粘附的大气污染物有关，S 为靠近产品测试位置的框架材料带来的噪音信号。为确定样品烘烤前后表面元素的变化，对全谱扫描中出现的元素进行了高精度扫描，并对各元素比例进行了统计。结果表明，稀硫酸洗涤后的焊盘表面镍元素百分比比例从 11.84%降到了 2.83%，说明稀硫酸洗涤后焊盘表面的镍被去除，从而使得焊盘焊线性能发生了明显的改善。 综合以上试验说明，焊盘高温烘烤后引线键合不良的主要原因是高温烘烤过程中，镍层发生了氧化并扩散至镀层表面，阻碍金线与焊盘表面镀金层结合产生金属间化合物，最终导致引线键合拉力值降低，引线键合质量下降。 2 试验及结果 在上一章节中，作者提出了薄金镀层经高温烘烤后焊线质量明显下降的原因，证明了引线键合质量受镍层氧化的影响。接下来，作者针对此因素安排了一系列的试验，尝试改善高温烘烤后镍层的氧化，从而解决产品高温烘烤后引线键合性能明显下降的问题，试验及结果详述如下。 2.1 增加金层厚度 金层孔隙率与金层厚度直接相关，一方面，金层越厚，金的金属晶体生长得越大，晶界等缺陷越少，另一方面，金层越厚，金层中孔隙的路径越长，外界环境中的腐蚀性气体更难到达镍层的位置。因此，金层越厚，金层孔隙率就越低，尤其是当金层厚度小于 0.3μm 时，金层很容易产生针孔，高温或湿气环境下，环境中的微量腐蚀气体就容易透过此类针孔对底层金属产生腐蚀。 作者 对 不 同 金 层 厚 度 的 焊 盘 经 200 ℃ ×2h 烘 烤 后 的引线 键 合 拉 力 进 行 了 研 究。结 果 表 明，当 金 层 厚 度 区 间 为0.1μm ～ 0.2μm 时，引线键合拉力平均值为 3.72g，CPK 值为 0.94，金层厚度为0.3μm-0.5μm 时，引线键合拉力平均值为 8.75g，CPK值为 1.51，金层厚度为 0.8μm-1.2μm 时，引线键合拉力平均值为10.35g，CPK 值为 3.28，金层厚度为 1.6μm-2.0μm 时，引线键合拉力平均值为 11.15g，CPK 值为 3.92。可见，随着金层厚度的增加，引线键合拉力逐步上升，CPK 也逐渐增加，金层厚度大于 0.8μm后，引线键合拉力上升趋势趋于平缓，说明高温烘烤不再是影响引线键合质量的主要因素，这是因为当金层达到一定厚度后，镀金层中的微孔隙密度会有明显下降，同时孔隙的路径越长，下层的镍在高温烘烤过程中能更好地被金层保护，不易发生氧化和扩散。 2.2 改善镍层抗腐蚀性 镀金过程中，金层会沿着镍层晶体生长，因此，当表层的镍存在较多的晶界、孔隙和位错等缺陷时，与之接触的金层也会存在较多的孔隙，尤其是当金层较薄时，金层晶体的生长受镍层晶体缺陷的影响更大。由于这些缺陷部位更容易被腐蚀，会导致高温烘烤后的焊线性能明显下降，因此需尽量降低镍层的晶体缺陷密度。 改善镍层晶体缺陷密度的方法有多种，其中一种方法是使用镍磷镀层替代纯镍镀层。高含磷的镍磷合金为无晶态，无晶界，因此，较高磷含量的镍层具有更好的耐腐蚀性，并可大大降低金层作为保护层所需的厚度。作者使用佛山华智芯电子科技有限公司提供的化镀镍磷 - 电镀金（金层厚度 0.3μm ～0.5μm）管壳样品进行验证，250℃ ×2h 后焊线，焊线平均拉力值为 9.66g，CPK 值为 2.15，而相同处理条件的普通电镀管壳的焊线平均拉力值为 4.47g，CPK 值为 1.02。可见，使用镍磷镀层替代纯镍镀层后，焊盘耐高温氧化的性能明显改善，引线拉力值和 CPK 均符合要求。 另外，还可以通过改善电镀参数的方法改善镍层晶体缺陷，如降低电流密度、加大镍层厚度等。这是因为电流密度越小，镍层的生长就越致密，晶界、孔隙和位错等缺陷越少。而加大镍层厚度的改善原理是，镍晶体在生长过程中逐步长大，镍层厚度越厚，与金层接触的表层镍的晶体就越大，从而可减少表层的晶界、孔隙和位错等缺陷。作者使用佛山华智芯电子科技有限公司提供的低电流密度（金层厚度 0.3μm ～ 0.5μm，镍层厚度3~5μm）管壳样品和加大镍层厚度（金层厚度 0.3μm ～ 0.5μm，镍层厚度9~12μm）管壳样品进行验证，250℃ ×2h 后焊线，低电流密度管壳样品和加大镍层厚度管壳样品的焊线平均拉力值分别为 8.18g、9.04g，CPK 值分别为 1.94、2.08，对比正常产品，焊线质量有明显提升。但需注意的是，此类方法对电镀生产效率及电镀成本有一定影响，在具体应用的过程中需要综合生产效率和电镀质量考虑。 还有一种方法是改善电镀过程中的搅拌方法。从广义上来说，凡是导致电解液作各种流动的方式，都成为搅拌。在电镀过程中，搅拌除了加速溶液的混合和使温度、浓度均匀一致外，还促进物质的传递过程，因此，大部分电镀工艺都采用了搅拌技术。搅拌是如何影响镀层质量的呢？在讨论此问题前，先介绍常用的搅拌的方式 ：（1）阴极移动 ；（2）空气搅拌 ；（3）镀液循环 ；（4）磁力搅拌 ；（5）超声搅拌 ；（6）螺旋桨搅拌。对于不同的电镀厂，会按产品具体需求采用不同的搅拌方式，但是，搅拌越剧烈，越容易使电镀过程中晶粒的生长变细，导致镀层存在更多的晶界、孔隙和位错等缺陷。因此，挑选搅拌方法和设定搅拌参数的过程中应尽量谨慎，在尽量保证镀液均匀的前提下，选择较平缓的搅拌方式，降低搅拌的剧烈程度。 2.3 镀层表面附膜 为避免外部腐蚀性成分通过金层微孔对镍层产生腐蚀，可以对镀层表面进行附膜处理，自组装单分子层膜（SAMs）在改善金属的腐蚀性能方面表现出了良好的效果。SAMs 排列致密和稳定结构，且具有一定的疏水性，自组装过程不受金属表面形状的影响，可有效地防止大气或溶液中水分子、氧分子、其它环境污染气体和电子向金属表面的迁移和传输。这些有机分子被吸附在其表面，形成有序的结构域。SAMs 与底物之间的相互作用可能或多或少地密集，这取决于分子是否具有具有强亲和力的头基团，将分子锚定在底物上。SAMs 可以改变薄膜的孔隙率，从而提高耐腐蚀性，在 Cu/Ni/Au 多层体系中，如果这些分子在衬底的孔隙中积累，它们可以限制阻挡层对腐蚀性介质的可及性。但需要注意的是，选用的防护膜不能妨碍引线和焊盘间金属间化合物的形成，否则会对引线键合性能造成负面影响。 作者使用南京陌上化工公司的金保护试剂 Au-Sealing 785进行 验 证，将 金 保 护 试 剂 按 4% 比 例 与 纯 水 进 行 稀 释，使 用佛山 华 智 芯 电 子 科 技 有 限 公 司 提 供 的 管 壳 产 品（ 金 层 厚 度0.3μm ～0.5μm）在稀释液中浸泡 60s 后取出吹干，然后进行高温烘烤（250℃ ×2h）和引线键合验证。结果表明，经附膜处理的焊线平均拉力值为 8.49g，CPK 值为 2.40。可见，进行了金保护处理的镀金产品，即使是经过高温烘烤后仍能保持较好的拉力值，说明高温下的镍氧化受到了明显抑制。 2.4 引线键合前处理 为了解决高温烘烤后镍层氧化扩散的问题，有的半导体封装厂会在引线键合前增加一道等离子处理步骤。等离子处理的原理是利用对气体施加足够的能量使之离化成为等离子状态，等离子体的能量较高，一般约为几个至几十电子伏特，这些粒子很容易和产品表面的污染物进行反应，最终形成二氧化碳和水蒸气被排出去。通过使用不同的处理气体，可以赋予等离子体氧化或还原的特性。因此，焊盘的等离子处理可使用还原性气体进行，一般组成为 95% 的氩气和 5% 的氢气。等离子处理过程中，分子态的氢气被转化为等离子态的原子氢，原子氢撞击镀层的表面，可以在比较低的温度下还原稳定的氧化物。需注意的是，等离子处理最好采用射频电源进行，使用中频电源进行的等离子处理稳定性不足，容易对焊盘造成负面影响。 作者 将 经 过 200 ℃ ×2h 烘 烤 的 管 壳（ 金 层 厚 度0.3μm ～ 0.5μm）进行等离子处理，等离子处理设备为 SPV-60（东莞市晟鼎精密仪器有限公司），处理功率 600W，处理时间 400s。结果显示，经等离子处理的焊线平均拉力值为 9.39g，CPK 值为2.26。等离子处理后的管壳引线拉力值恢复到未烘烤管壳的水平，说明还原性气体等离子处理对于改善镍层氧化导致的引线键合不良问题具有良好作用。 等离子处理能有效改善镍的微氧化导致的焊线质量不良问题，但是，等离子处理对焊盘表面的氧化镍的还原效果有一定的局限性，当焊盘的镍氧化程度过于严重时，即使进行等离子处理也不能达到较好的焊线效果。为探究等离子处理对改善焊盘打线性能的有效程度，作者将管壳烘烤温度从 200℃提高至 250℃，其他条件不变。管壳烘烤后进行等离子处理，处理功率为 600W，处理时间为 400s。等离子处理后进行焊线测试。结果显示，经等离子处理的焊线平均拉力值为 4.27g，CPK 值为 0.68，对比 200℃烘烤的管壳焊线质量下降明显，说明等离子处理对较严重的镍氧化情况改善效果有限。 3 结论 焊盘高温烘烤后引线键合不良的根本原因，是烘烤过程中外界的腐蚀性气体通过金层孔隙接触到镍层，导致镍层氧化扩散到金层表面，阻碍金层与引线间形成金属间化合物。为解决此问题，根本上来说，是要尽量减少镀层表面的氧化镍，从而使金层合引线间可以形成良好的结合。按此思路，作者进行了一系列试验，并得出以下结论 ： （1）通过增加金层厚度，可以降低金层的孔隙率，并延长金层孔隙通道的长度，从而防止高温烘烤过程中外界的腐蚀性气体穿透金层接触到镍层，使镍层发生氧化。因此，增加金层的厚度可有效改善焊盘高温烘烤后发生的焊线质量明显下降的问题。但需注意的是，增加金层厚度会明显增加产品镀覆成本，降低产品竞争力，因此并不推荐进行此项改进。 （2）镍磷镀层比纯镍镀层具有更好的抗腐蚀、抗氧化性能，通过使用镍磷镀层替代纯镍镀层，镀层高温烘烤后的氧化扩散较少，引线拉力没有明显下降。 （3）通过调整镀镍参数，可以改善表面镍层的晶体形貌，减少镀层的晶界、孔隙和位错等缺陷，由于金层缺陷较大程度上受基材缺陷的影响，所以减少镍层的缺陷可以降低金层的孔隙率，防止高温下镍层接触空气氧化扩散。需注意的是，调整电镀参数对电镀生产效率及电镀成本可能会带来一定影响，在具体应用的过程中需要综合生产效率和电镀质量考虑。 （4）通过改善镀镍过程中的搅拌方法，可以改善镍层的晶体形貌，从而改善后续电镀过程中生长在其上的金层形貌，降低高温过程中镍层发生的氧化现象，提高焊盘高温烘烤后的焊线质量。 （5）在镀层表面增加一层保护膜可以有效防止高温下外界气体接触镀层，从而防止镍层被氧化，但需要注意保护膜不能影响引线键合性能 ； （6）在引线键合前对镀层进行等离子还原处理，可以使已氧化的镍还原至烘烤前的状态，也能有效改善引线键合性能。 |
