金铝键合可靠性研究

金铝键合可靠性研究

肖燕

中国振华永光电子有限公司 邮政编码： 550018

摘要：现阶段，在技发展水平不断提高的过程中，电的应用普及在广泛领域，而金铝键合的发展则是在原有基础电路上的延续，金铝键合它是一种单片集成电路，同时也是一种异质键合工艺，作为新时代发展的产物，在为科技创新的同时也在面临极大的挑战。

关键词：金铝键和、可靠性

一、引言：金铝键合键合领域中有着重要地位，因为他成本低、方便等优势。键合系统常常会形成金铝键合,而且随着温度和时间的改变，本身的速度便会增加。随着金属化合物的不断产生，接触的电阻也会越来越大,从而减少电学性能,导致器件参数漂移。接下来，本篇将从金铝键合的本质及其应用方面为大家分析金属键合的可靠性。，

二、金属键合在高温情况下与其他键合的差别

常常，金铝键合在高温条件下有较好的抗热性能，而且键合拉力在一定范围内，键合电阻随着温度增加会使金铝键合界面形成电阻率较高的化合物，从而让键合的电性能退化，金铝l键合的电阻在一定温度内会随着时间的增加逐渐增大，在温度更高的情况下部分键合的电阻出现了急剧增大的现象，而金铝键合在相应的高温情况下电阻基本不变。键合点的键合强-度会随着高温时间的增加而减小，如果金铝外键合点的键合强度基本保持不变的情况下，那么金铝化合物的形成则会导致使电阻逐渐增加，那么键合沟的存在就会让空洞首先在键合点的外围形成。

根据键合工艺技术的不断完善，通过这些年来对金铝键合系统的进一步研究发现，金铝键合系统在经过高温贮存后，可以产生多种金属之间的化合物”，如氯化金 等。而这几种金属之间的化合物晶格常数和热膨胀系数都不一样”，所以可以在键合点之中产生极大的内应力，因为金属间的互相扩散，通过高温处理的金铝接口将形成Kirkendall空洞。能够导致金铝键合的电阻增加。这些金属间化合物并不是同时产生的，而是逐渐产生的。 最开始在金属接口处出现的是氯化金,它在80摄氏度的高温下就可以出现，同时并会产生其他金属物质，在这一过程直到铝金属或者金消耗殆尽。如果金膜的厚度比铝膜的厚度大，那么铝将会消耗完毕。如果A铝膜厚度大于金膜，那么金会消耗完毕，早期的研究认为金铝键合点经过高温贮存之后，接触电阻会变大，主要是由于氯化金造成的。

金铝键合系统(金丝与铝金属化间的内键合点、铝丝与镀金管腿间的外键合点)的脆裂导致键合点接触电阻增大，甚至脱落开路。键合部位由于异种金属的接合，其晶格常数和热膨胀系数不同，经长期贮存后，金属间存在的互扩散效应导致Au-Al化合物的产生，这些金属间化合物的晶格常数、膨胀系数以及形成过程中体积的变化都是不同的，而且电导率都较低则。从而交界面电阻急骤上升、键合强度显著下降^【1】

三、金铝键的可靠性

随着键合工艺的不断完善，通过这些年来对金铝键合系统的进一步研究发现，金铝键合系统在经过高温贮存后，将产生多种金属间化合物”，如铝化金等。这几种金属间化合物的晶格常数和热膨胀系数互不相同，因而在键合点中产生很大的内应力，由于金属间的互扩散效应，经过高温处理的金铝接口将形成Kirkendall空洞。因此导致键合电阻增加。然而这些金属间化合物并不是同时产生的，而是依次形成的。 最先在金属接口处出现的是铝化金,它在80摄氏度的高温下就可以出现(50C时已存在局部不规则的铝化亚金),同时伴随中间产物的诞生，而在这个过程直到铝或者金完全耗尽为止。如果铝膜厚度大于金膜，则铝完全耗尽。当温度增高到125摄氏度以后，Au2Al将转化为AuA1;:进一步加热至175摄氏度之后,产生AuAl.若铝膜厚度大于金膜，则金全部耗尽，当加热到230摄氏度的时后，AuAI将转化为AuAl,而且研究表明化合物的厚度与热处理时间t的平方根成正比。早期的研究认为Au-Al键合点经高温贮存，接触电阻变大，主要是AuAl, (俗称紫斑)造成的，但后来有人认为不是AuAlz而是AuzAl (又称白斑),因为其电阻率更低，质脆。

金铝键合系统(金丝与铝金属化间的内键合点、铝丝与镀金管腿间的外键合点)的脆裂导致键合点接触电阻增大，甚至脱落开路。键合部位由于异种金属的接合，其晶格常数和热膨胀系数不同，经长期贮存后，金属间存在的互扩散效应导致金铝化合物的产生，这些金属间化合物的晶格常数、膨胀系数以及形成过程中体积的变化都是不同的，而且电导率都较低则。从而交界面电阻急骤上升、键合强度显著下降。

四、金铝键合在电子封装的地位

从芯片和封装的关系志宏可以看出，电子封装的等级可以分为-级封装(器件级封装),二级封装(器件在印刷电路板上的封装)，以及三级封装(母板级组装)等。很明显，一级封装是最重要，最复杂，是对器件的性能、可靠性影响最大的-道环节。在一级封装中实现芯片和外界 电连接的主要工艺就是键合、倒装焊、和载带自动键合等等^【2】

由于这种键合系统的可靠性高，制造容易和成本低等工艺优势，键合工艺是最早发展起来的用于芯片与外界互连的技术，它现在仍是半导体工艺中占绝对统治地位的互连技术。在本质上，几乎所有的塑封动态随机存贮器和绝大多数消费类电子芯片都采用的是键合工艺。键合工艺和倒装焊以及载带自动键合的主要区别在于，它是将芯片上电信号的输入、输出端和封装外壳的引脚用细的金属丝连接起以实现导电功能，就是这些端口和引脚的互连是用金属丝一根接着一根链接起来的， 而不是如FC或TAB这样的工艺，是用导电材料将预先制好互连图案的芯片和外壳依次粘连起来。所以在速度上这就是键合工艺的一个缺点。同时，这也是意味着键合系统有一个很大的工艺优势，那便是灵活。所以当布线方式改变时，只需很少时间就能设计出来-个新的键合图,并马上用于新器件的制造，而不需要像传统工艺那样工艺那样，采用昂贵的设备和材料来费时费力地实现互连图案的改变，所以键合系统的产生节约了时间和成本。

同时，由于键合工艺是直接在芯片表面的输入/输出端实现金属丝和焊盘的键合，与传统的制作工艺相比，节省了大量的用于在硅片上生长导电凸点的成本，在采用键合工艺的时候，是可以通过改变连接线弧的形状和距离，使多种器件能使用同基板和外壳，并不需要分开来设计，这也是键合工艺优于传统工艺的以方面。因此，灵活、方便、成本低是键合工艺得以广泛应用的主要原因”。

五、总结

在本篇报告之后，首先是给大家讲述了键合工艺的发展以及键合工艺的原理，从而让金铝键合系统在优于其他键合系统的一个了解，从电子封装这个发展之中，表现出键合系统相比与原本传统工艺的一个优势，金铝键合系统是有些许瑕疵，不过他的可靠性是毋庸置疑的。

六、参考文献

[1]燕子鹏,赵光辉,谢廷明,周成彬.金丝球焊复合键合工艺可靠性研究[J].微电子学,2021,51(01):142-145.

[2]畅兴平.混合集成电路中金铝键合可靠性的实验设计[J].襄樊学院学报,2011,32(08):36-40.