鍵合工藝技術(shù)是半導(dǎo)體封裝環(huán)節(jié)中的重要技術(shù)方法， 而鍵合系統(tǒng)相關(guān)的失效也直接影響著電子元器件的互連可靠性。雖然同為鍵合區(qū)域的失效， 但失效機(jī)理卻千差萬別。針對(duì)性地討論了 Au-Al、 Cu-Al 和 Al-Al這 3 個(gè)鍵合系統(tǒng)中常見的基于材料特性和工藝過程的失效模式。結(jié)合相關(guān)實(shí)際案例， 采用掃描電子顯微鏡（SEM）、 X 射線能譜分析儀 （EDX）、 離子研磨 （CP） 等物理和化學(xué)分析手段， 研究并分析了鍵合工藝開裂、 雙金屬間鍵合退化、 接觸腐蝕和功率器件的鍵合絲退化等模式的失效機(jī)理， 得到各種失效模式對(duì)應(yīng)的失效原因?yàn)殒I合工藝參數(shù)不適配、 金屬間化合物 （IMC） 過度生長、 原電池效應(yīng)和金屬層疲勞剪切力與形變等。通過列舉的檢測(cè)方法能準(zhǔn)確識(shí)別器件的失效模式， 并對(duì)癥提出相應(yīng)的改善策略， 為提高鍵合系統(tǒng)的可靠性提供指導(dǎo)。同時(shí)， 可以通過功率循環(huán)試驗(yàn)觀測(cè)和識(shí)別功率器件的鍵合退化。

在與微電子器件的封裝相關(guān)和在使用過程中產(chǎn)生的失效中， 鍵合系統(tǒng)的相關(guān)失效占據(jù)了相當(dāng)?shù)谋戎?。鍵合系統(tǒng)的失效并不僅僅只是因?yàn)樵撓嚓P(guān)工藝的方式方法的問題， 而是與材料、 封裝缺陷、 工藝參數(shù)、 污染、 應(yīng)用場(chǎng)景、 外部機(jī)械應(yīng)力和電應(yīng)力等因素的影響都息息相關(guān)。因此， 正確鑒別失效模式并采用合適的方法進(jìn)行分析以確認(rèn)失效原因及機(jī)理對(duì)相關(guān)研究工作起到了重要的作用。通過準(zhǔn)確的辨認(rèn)失效模式， 針對(duì)其根本原因采取正確的方法來進(jìn)行改善， 為提升產(chǎn)品可靠性節(jié)約了時(shí)間成本。

01

鍵合工藝基礎(chǔ)及鍵合系統(tǒng)

1.1 鍵合工藝

利用金屬線將芯片表面的電極焊盤和基板或引線架相連接的過程稱為鍵合。以典型的金絲鍵合工藝舉例， 其工藝步驟主要包括：

a） 利用打火桿放電將尾絲熔球；

b） 劈刀下行使熔球壓接在鍵合區(qū)， 施加超聲功率；

c） 形成球形鍵合點(diǎn) （通常稱為第一鍵合點(diǎn)）后， 上行劈刀連帶鍵合絲以一定的弧度行至引線架對(duì)應(yīng)區(qū)域；

d） 下行壓接在引線架上對(duì)應(yīng)的鍵合區(qū)域， 施加超聲功率， 動(dòng)作時(shí)間結(jié)束后停止， 切斷金線形成楔形鍵合點(diǎn) （通常稱為第二鍵合點(diǎn)）， 上行劈刀保留露出的尾絲。不斷重復(fù)以上步驟完成芯片封裝中的打線鍵合工藝流程。

銅絲的鍵合工藝步驟和金絲的鍵合工藝步驟基本一致， 需要注意的是在銅工藝中需要注入氮?dú)浠旌蠚怏w來降低氧化的風(fēng)險(xiǎn)。鋁絲一般采用超聲鍵合法在常溫條件下進(jìn)行， 無需額外加熱， 在劈刀上施加超聲功率， 負(fù)荷的同時(shí)破環(huán)結(jié)合面表面的氧化層， 使金屬緊密接觸。鋁線使用的劈刀不同于金線和銅線， 但步驟類似。

表 1~2 分別是標(biāo)準(zhǔn) AEC-Q100 和MIL-STD 883中對(duì)鍵合點(diǎn)的剪切力和鍵合拉力的要求。例如，對(duì)于直徑為 3 mil 的金球， 其剪切力一般要求大于30.8 g， 對(duì) 3 mil 的金線其拉力要大于 15 g。

1.2 各金屬絲材料的特性

作為理想的鍵合引線材料應(yīng)該具備接觸電阻小、 導(dǎo)電性好、 化學(xué)穩(wěn)定性高、 機(jī)械性能好和能維持穩(wěn)定形狀等特點(diǎn)。金絲的化學(xué)穩(wěn)定性好、 抗拉性能強(qiáng)， 相對(duì)來說金絲鍵合的工藝也比較完備和成熟， 而金絲作為鍵合使用的缺點(diǎn)在于其金屬間化合物 （IMC：Intermetallic Compound） 易于過度生成降低了其機(jī)械強(qiáng)度。

現(xiàn)代消費(fèi)類產(chǎn)品中通常會(huì)選用銅鍵合工藝來降低成本。一般來說銅絲的硬度大， 鍵合時(shí)需要更大的鍵合壓力和超聲功率， 對(duì)于相同尺寸的鍵合點(diǎn)，銅鍵合的剪切力和拉力也略高于金絲。但與此同時(shí)， 大應(yīng)力參數(shù)的施加也會(huì)加重芯片本身的裂紋風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)需要走大電流的器件或模塊而言， Cu 鍵合擁有更高的抗疲勞特性能可通過更長時(shí)間的功率循環(huán)試驗(yàn)， 可以保障更長時(shí)間的產(chǎn)品壽命。

對(duì)于功率器件， 通過大電流的鍵合引線或連接最普遍的是采用鋁工藝。通常， IGBT 功率模塊中使用直徑大于等于 300 μm 的 Al 絲作為連接， 對(duì)應(yīng)的傳輸電流可超過 18 A。普通的金屬絲在極限電流下會(huì)形成類似于熔斷器的作用， 引發(fā)類似飛弧現(xiàn)象導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障， 合理地增加鍵合絲直徑和數(shù)量優(yōu)化芯片頂部接觸需求， 才能保障安全，所以不難發(fā)現(xiàn)鍵合鋁線的線徑通常較粗， 功率器件也會(huì)選用多根鍵合絲甚至鋁帶走大電流。此外， 功率器件也適用覆 Al 的 Cu 絲， 目的在于結(jié)合銅絲優(yōu)越的電氣性能和鋁絲的鍵合工藝， 改善組裝連接 的 熱 膨 脹 系 數(shù) （CTE：Coefficient of Thermal Expansion）， 降低電阻率， 提高熱導(dǎo)率。

1.3 鍵合系統(tǒng)

在完整的鍵合系統(tǒng)中， 除了鍵合引線外還需要考慮另一個(gè)重要的接觸面——焊盤 （PAD）。常規(guī)的鍵合系統(tǒng)通常包括：金-金、 鋁-鋁、 金-鋁和銅-鋁等。

? ? 芯片焊盤剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示， 自上而下的結(jié)構(gòu)中主要包括：

a） 鈍化層

主要用來保護(hù)四周焊盤區(qū)域， 中間部分通過窗口打開用于鍵合；

b） 頂層金屬

常用的為鋁金屬， 用于直接鍵合連接；

c） 通孔

用于連接頂層金屬與下層金屬；

d） 電介質(zhì)

作上下兩層互連金屬間除通孔外的區(qū)域填充；

5） 下層金屬

PAD 的結(jié)構(gòu)中可調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因素是頂層金屬的厚度和通孔的陣列排布， 較厚的頂金能提供更好的應(yīng)力緩解作用， 高密度的通孔陣列能減少電介質(zhì)的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

02

鍵合系統(tǒng)中不同失效模式的機(jī)理研究及其檢測(cè)方法

2.1 鍵合工藝開裂

鍵合裂紋又稱為 “彈坑”， 最易發(fā)生在 Cu-Al鍵合體系中。金鍵合的工藝是相對(duì)早期發(fā)展起來的， 工藝較為成熟， 但隨著規(guī)模的擴(kuò)大、 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇， 降低成本成了封裝產(chǎn)業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。銅鍵合由于其低成本優(yōu)勢(shì)和優(yōu)越的物理和電學(xué)性能從中脫穎而出， 并且工藝平臺(tái)和金鍵合的相差不大所以容易被移植， 逐步成為消費(fèi)類市場(chǎng)鍵合工藝的趨勢(shì)。但同時(shí)也由于鍵合過程 （接觸、 預(yù)鍵合和鍵合） 的參數(shù)的提升， 使得該種方式與其他材料的特性參數(shù)不匹配而引起鍵合開裂的現(xiàn)象。

鍵合開裂的檢測(cè)一般可用化學(xué)方法開封后采用光學(xué)或電子顯微鏡進(jìn)行觀察， 利用強(qiáng)腐蝕性的酸類（硫酸和發(fā)煙硝酸） 去除模塑化合物后暴露芯片鍵合區(qū)， 部分情況下尤其是鍵合功率過高的情況， 可以直接在 PAD 表面看到分層甚至開裂現(xiàn)象， 如圖2 所示。在無法充分觀察的情況下， 可以選擇用強(qiáng)酸對(duì)鍵合區(qū)域進(jìn)行去層 （去鍵合點(diǎn)及頂層 Al） 處理后， 在 PAD 區(qū)域進(jìn)行觀察。

在整個(gè)銅鍵合過程中有幾個(gè)關(guān)鍵的影響因素，如果鍵合壓力足夠大， 會(huì)使這一階段中銅球充分發(fā)生形變， 接下來鍵合過程中的超聲功率就可以被均勻地施加在接觸界面從而形成良好的結(jié)合。但如果在銅球沒有充分形變的情況下就已經(jīng)開始施加較大的超聲能量， 則會(huì)被直接作用于銅-鋁結(jié)合界面， 這樣會(huì)對(duì)下面的電介質(zhì)層造成損傷， 隨即產(chǎn)生裂紋。

除了調(diào)整過程的工藝參數(shù)外， 也可以選擇從結(jié)構(gòu)上來優(yōu)化銅-鋁鍵合系統(tǒng)。通過增加鋁層的厚度也可以明顯地降低裂紋風(fēng)險(xiǎn)。PAD 上的頂層金屬鋁具有良好的延展性， 增加金屬厚度可以有效地緩沖電介質(zhì)的受力情況?；蛘撸?通過改變通孔陣列（常用鎢通孔）， 提升通孔陣列密度， 增加介質(zhì)層強(qiáng)度， 改善開裂情況。

2.2 雙金屬間鍵合退化

在鍵合系統(tǒng)中由于 2 種不同金屬間的過度擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致脆弱的金屬間化合物大量積累， 從而使界面的結(jié)合強(qiáng)度下降， 接觸電阻變大， 引發(fā)產(chǎn)品失效。

對(duì)于 Au-Al 鍵合由于兩者化學(xué)勢(shì)不同， 在高溫條件下會(huì)產(chǎn)生多種金屬間化合物， 在高于 200 ℃的形況下易生成 5 種金屬間化合物， 即：Au2Al、AuAl、 AuAl2、 Au4Al 和 Au5Al2， 其中以 Au5Al2 為主。由于各種 IMC 的晶格常數(shù)和 CTE 不同， 再加上形成階段導(dǎo)致體積分?jǐn)?shù)不一致， 所以不同形成和適用環(huán)境條件作用下使得其差異較大。元器件經(jīng)過高溫或長期使用后就容易出現(xiàn)結(jié)合面變脆、 鍵合強(qiáng)度下降等情況， 嚴(yán)重的會(huì)使得產(chǎn)品出現(xiàn)功耗變大甚至開路等失效模式。通過化學(xué)或機(jī)械方式開封后可以通過光學(xué)顯微鏡觀察到 “紫斑” 或 “白斑” 的現(xiàn)象， 即 AuAl2 或 Au2Al 呈現(xiàn)的顏色。對(duì)鍵合點(diǎn)做切片截面可以觀察到 IMC 的厚度變化。

Au-Al相關(guān)的另 一 種失效模式是柯肯達(dá)爾（kirkendall）效應(yīng)， 主要發(fā)生在金面， 這是因?yàn)樵诟邷貤l件下金的擴(kuò)散速度比鋁快， 金向鋁的迅速擴(kuò)散產(chǎn)生大量 Au2Al， 并在金面產(chǎn)生細(xì)小的空洞和裂紋， 在后續(xù)的應(yīng)用微空洞逐漸聚集連和并擴(kuò)展， 導(dǎo)致最終脫落?？驴线_(dá)爾空洞一般很少發(fā)生于 Cu-Al界面， 很大程度上是因?yàn)殂~鋁的金屬間化合物的生成速度相較之下慢。同樣在 200 ℃的條件下 Au-Al形成100 A的合金層需要的時(shí)間不到0.3s， 而Cu-Al 則需要約 20 s 的時(shí)間。

對(duì)于 Cu-Al 鍵合系統(tǒng)而言， 在高溫條件下金屬 間 相 互 擴(kuò) 散 形 成 金 屬 間 化 合 物 ， 即 ：CuAl2、CuAl 和 Cu9Al4 。一般情況下， 銅鋁界面的 IMC會(huì)隨著不斷使用和時(shí)間延續(xù)而不斷加厚， 這樣會(huì)降低金屬間的結(jié)合強(qiáng)度使結(jié)合系統(tǒng)脆性增加， 最終出現(xiàn)接觸電阻變大甚至開路。在元器件的可靠性試驗(yàn)中一般通過高溫存貯試驗(yàn) （HTSL） 來加速 IMC 生長， 來評(píng)價(jià)器件的可靠性與使用壽命。

楊建偉等通過試驗(yàn)觀察了不同材料的鍵合絲組成的鍵合點(diǎn)的IMC隨時(shí)間生長的變化情況（如圖 4 所示）， 可以看出在 500 h 的高溫試驗(yàn)后IMC 的厚度出現(xiàn)明顯加劇， 在1 000 h后 Au 和鍵合點(diǎn)的 IMC 達(dá)到了接近 3.5 μm。此外， 在銅絲中摻雜鈀元素能有效抑制其 IMC 增長。

2.3 接觸腐蝕

當(dāng)不同種類的金屬在電解液或類電解液的環(huán)境中產(chǎn)生電接觸時(shí)， 由于電位差產(chǎn)生了電流 （電子傳輸）， 出現(xiàn)類似于原電池的工作機(jī)制。低電位的金屬為陰極， 高電位的金屬為陽極， 陽極金屬被逐漸消耗腐蝕。通常來說電勢(shì)差越大， 接觸腐蝕發(fā)生的概率越大， 腐蝕現(xiàn)象也會(huì)越嚴(yán)重。以 Cu-Al 鍵合系統(tǒng)舉例， 在銅鋁接觸里銅為陰極、 鋁為陽極， 陰極鋁在這個(gè)過程中被慢慢消耗同時(shí)使得銅鋁界面產(chǎn)生裂紋

接觸腐蝕的失效模式多表現(xiàn)為鍵合點(diǎn)的接觸電阻異常甚至開路， 這種失效機(jī)制一般不會(huì)直接引起漏電或短路風(fēng)險(xiǎn)。用化學(xué)開封觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)鍵合點(diǎn)很容易脫落， 圖 5 化開后可見銅鍵合點(diǎn)脫落， 剩下鍵合點(diǎn)周圍的鋁金屬和局部裸露下方的介質(zhì)層。區(qū)別于前文提到的鍵合工藝裂紋現(xiàn)象， 接觸腐蝕并不會(huì)對(duì)鋁層下方的介質(zhì)層造成裂紋等物理性的破環(huán)， 所以可以對(duì)鍵合區(qū)域去層觀察下方介質(zhì)層是否存在開裂形貌來加以辨別。對(duì)接觸腐蝕的鍵合點(diǎn)做切面，為了更好地觀察到 IMC 和腐蝕形貌可以先對(duì)其進(jìn)行離子研磨后再在掃描電子顯微鏡 （SEM） 下觀察， 圖 6 中銅鍵合有明顯開裂現(xiàn)象， 四周的鋁焊盤連接處存在明顯的腐蝕現(xiàn)象。在嚴(yán)重腐蝕的鍵合點(diǎn)也可用 EDX 檢測(cè)出鹵素。

已知金屬 Au 的電極電位為+1.498 V， Cu 的電極電位為+0.337 V， Al 的電極電位是-1.662 V 的情況下， 為什么接觸腐蝕更易發(fā)生在電位差相對(duì)較小的 Cu-Al 之間呢？這就又要提到不同 IMC 的形成速率， 上文中說過 Au-Al 之間的反應(yīng)速度更快，這將直接導(dǎo)致其 IMC 更厚， 而在接觸腐蝕的機(jī)理中厚的 IMC 起到了更好的緩沖作用平穩(wěn)了電勢(shì)差，相反， Cu-Al 之間缺乏這種有效的緩沖。另外， 由于 Cu 相比 Au 更容易在潮濕的環(huán)境中出現(xiàn)氧化反應(yīng)， 而生成的 Cu2+又搶奪了鋁的電子發(fā)生還原反應(yīng)， 最終導(dǎo)致 Al 被氧化， 這樣的不斷反應(yīng)使 Cu界面出現(xiàn)裂紋而 Al 金屬被腐蝕消耗。

可通過以下方法來減少出現(xiàn)鍵合點(diǎn)接觸腐蝕概率：首先， 可以通過譬如提高鍵合溫度來增加Cu-Al 的 IMC 厚度來增強(qiáng)鍵合點(diǎn)本身的可靠性；其次， 可以選擇采用低吸水量和更少鹵素含量的封裝材料來降低氧化和腐蝕反應(yīng)發(fā)生的可能性；再次， 可以通過采用鍍鈀銅線 （PCC） 更好地阻止接觸腐蝕發(fā)生。

2.4 功率器件的鍵合絲退化

功率器件的鍵合絲退化往往難以單獨(dú)觀測(cè)， 這是因?yàn)樵趨?shù)退化的階段結(jié)構(gòu)上沒有伴隨著明顯的失效， 而且這種老化是以組合的方式來激發(fā)器件內(nèi)各種材料和幾何結(jié)構(gòu)的退化。一旦鍵合絲脫離斷開時(shí)， 由于大電流的加載， 分離界面會(huì)瞬間產(chǎn)生飛弧打火燒蝕甚至損壞器件， 也破壞了原始形貌特征。

一般會(huì)采用可靠性試驗(yàn)的方法來監(jiān)測(cè)和檢測(cè)器件退化。針對(duì)上文中所述的一些鍵合失效常使用到的可靠性驗(yàn)證是通過溫度循環(huán)或溫度沖擊等試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境變化來實(shí)現(xiàn)的， 這相當(dāng)于是對(duì)元器件施加了一個(gè)外界的環(huán)境應(yīng)力。當(dāng)然， 有些情況下也會(huì)給器件通電， 但由于試驗(yàn)主要是模擬環(huán)境溫度變化， 所以電流和電壓對(duì)其影響并不大， 其主要目的在于激發(fā)各種不同材料結(jié)合界面由于熱膨脹系數(shù)的差異和循環(huán)變化帶來的應(yīng)力激發(fā)和變化。而對(duì)于本節(jié)所述的針對(duì)功率器件的可靠性試驗(yàn)還需要選擇功率循環(huán)試驗(yàn)， 它是通過給器件一定的電流使自身產(chǎn)生的消耗主動(dòng)加熱再斷電后被動(dòng)降溫， 從而讓每個(gè)周期內(nèi)器件結(jié)溫變化 （ΔTj） 保持在一個(gè)恒定值 （通常來說是 100、 125 或 150 ℃）。在每一個(gè)溫度波動(dòng)期間， 不同材料 CTE 的差異與器件本身的幾何構(gòu)建之間不同方向的溫度梯度產(chǎn)生應(yīng)力從而造成材料與其連接的疲勞。正常規(guī)律下， 器件在經(jīng)歷一定的循環(huán)周期之后熱阻開始緩慢增加， 而更長時(shí)間 （一般大于 5 000 個(gè)循環(huán)） 后電參數(shù) VCE 開始逐步升高，通常標(biāo)志著鍵合絲已經(jīng)在發(fā)生退化， 繼續(xù)試驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)鍵合絲的開裂甚至脫離。鍵合點(diǎn)的退化也會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)， 鍵合點(diǎn)在不斷退化的過程中接觸電阻會(huì)逐漸變大， 這將使得器件的功耗增大溫度持續(xù)升高， 亦會(huì)引起焊料的退化導(dǎo)致散熱的退化， 既影響芯片焊接的可靠性又影響了鍵合點(diǎn)。可以通過檢測(cè)VCE 的變化來判斷鍵合的狀態(tài)， 譬如當(dāng)這個(gè)增漲超過 5%的時(shí)候判據(jù)終點(diǎn)。

通過功率循環(huán)試驗(yàn)可以觀察到鋁鍵合的退化的示意圖 （如圖 7 所示）， 從圖 7 中可以看出鍵合絲發(fā)生了一定的位移并在鍵合點(diǎn)發(fā)生脫離。還有一種退化情況是鍵合點(diǎn)根部開裂 （如圖 8 所示）。對(duì)于MOS管一般采用機(jī)械方法去除表面模塑， 對(duì)于 IGBT 一般采用機(jī)械開封去除外殼， 再用化學(xué)方法去除有機(jī)硅凝膠或環(huán)氧灌封樹脂， 隨即對(duì)鍵合點(diǎn)進(jìn)行觀察。

2.5 小結(jié)

本節(jié)重點(diǎn)討論了有關(guān)鍵合工藝開裂、 雙金屬間鍵合退化、 接觸腐蝕和功率器件的鍵合絲退化這幾種典型的失效模式及其機(jī)理研究， 表 3 總結(jié)了上述失效模式通常存在的鍵合系統(tǒng)、 原因和改善方法，由于不同種類的鍵合系統(tǒng)存在通用與各自特性的不同失效模式， 此處就不以鍵合材料為分類進(jìn)行討論。

當(dāng)然， 鍵合系統(tǒng)的失效模式亦遠(yuǎn)不止上述提到的幾類， 還有譬如機(jī)械應(yīng)力開裂， 典型如 “爆米花效應(yīng)” 中受潮后的器件由于經(jīng)歷顯著的熱過程導(dǎo)致的鍵合絲頸部開裂；腐蝕污染導(dǎo)致的外鍵合點(diǎn)腐蝕開路；芯片表面存在高含量鹵素導(dǎo)致鍵合點(diǎn)區(qū)域枝晶遷移漏電；鍵合絲熔融等通用的機(jī)理模式， 此處不展開討論。

通過相應(yīng)的檢測(cè)分析方法可以對(duì)失效或嚴(yán)重退化的產(chǎn)品進(jìn)行分析， 這通常發(fā)生在產(chǎn)品末期也就是失效階段。相應(yīng)地， 運(yùn)用已知可能存在的失效模式我們也可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制， 對(duì)于工程批或產(chǎn)品工藝質(zhì)量評(píng)價(jià)通常發(fā)生在初始態(tài)或可靠性試驗(yàn)后， 通過觀察鍵合連接的平面和截面兩種方法來作鍵合工藝過程管控。平面觀察是通過化學(xué)方式定向去除鋁焊盤后觀察鍵合球面殘留 IMC 的區(qū)域、 面積和介質(zhì)層的裂紋異常；截面則是通過對(duì)連接系統(tǒng)進(jìn)行切片后檢查結(jié)合面的IMC 界面空洞、 開裂情況或焊球底部是否有異常形變， 這些方法可以用作工藝管控來判斷鍵合的有效面積、 鑒別鍵合工藝質(zhì)量是否達(dá)到預(yù)期水平， 從而保障產(chǎn)品批量的可靠性。

?

綜上所述，鍵合系統(tǒng)在半導(dǎo)體封裝環(huán)節(jié)中占據(jù)著至關(guān)重要的地位。從鍵合工藝基礎(chǔ)出發(fā)，不同的金屬絲材料如金、銅、鋁在鍵合工藝中有各自的特性和適用場(chǎng)景，且鍵合工藝步驟也存在一定差異。而在鍵合系統(tǒng)中，除鍵合引線外，焊盤也是不可忽視的部分，其結(jié)構(gòu)因素如頂層金屬厚度和通孔陣列排布等對(duì)整個(gè)鍵合系統(tǒng)有著重要影響。

在鍵合系統(tǒng)的失效模式方面，鍵合工藝開裂多發(fā)生于Cu - Al鍵合體系，是由于工藝參數(shù)不匹配造成，可通過化學(xué)開封和去金屬層觀察，調(diào)整參數(shù)和優(yōu)化焊盤結(jié)構(gòu)改進(jìn)；雙金屬間鍵合退化在Au - Al和Cu - Al界面都存在，Au - Al界面更常見，主要因IMC生長速度快、金向鋁擴(kuò)散快形成柯肯達(dá)爾空洞等，可通過切片作截面檢測(cè)；接觸腐蝕主要出現(xiàn)在Cu - Al界面，源于不同金屬間電勢(shì)差在類電解液環(huán)境下形成原電池原理，可通過開封和切片觀測(cè)，提升IMC厚度等方法改善；功率器件的鍵合絲退化不易觀察，但可依靠功率循環(huán)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)參數(shù)變化來預(yù)測(cè)壽命，退化后有脫離或根部斷裂現(xiàn)象，可通過機(jī)械和化學(xué)開封檢測(cè)。此外，還有其他如機(jī)械應(yīng)力開裂等多種失效模式雖未詳細(xì)展開，但也表明鍵合系統(tǒng)失效模式的復(fù)雜性。

針對(duì)這些失效模式的研究和檢測(cè)方法，可以準(zhǔn)確識(shí)別失效模式并確定失效原因，進(jìn)而提出改善策略。這不僅有助于提高鍵合系統(tǒng)的可靠性，保障半導(dǎo)體器件的質(zhì)量，而且在產(chǎn)品質(zhì)量控制方面，無論是初始態(tài)還是可靠性試驗(yàn)后，通過觀察鍵合連接的平面和截面都能對(duì)鍵合工藝過程進(jìn)行有效管控，從而保障產(chǎn)品批量的可靠性。

鍵合一直是半導(dǎo)體封裝技術(shù)中不斷更新的一項(xiàng)重要工藝過程， 良好的鍵合系統(tǒng)也是半導(dǎo)體器件高可靠性的質(zhì)量保證。本文首先介紹了半導(dǎo)體器件鍵合工藝過程和背景， 討論了常用的金、 銅和鋁的不同特性及在鍵合工藝上的主要差別。此外， 闡述了在鍵合系統(tǒng)中另一重要組成部分——焊盤， 并可通過改善焊盤的鋁層厚度來增加鍵合緩沖，可提升金屬層下的通孔陣列密度來優(yōu)化介質(zhì)層的整體強(qiáng)度從而改善鍵合開裂的情況。

針對(duì)鍵合系統(tǒng)的主要失效模式對(duì)其原因進(jìn)行了分析， 并提出了相應(yīng)的改善措施：

a） 鍵合工藝開裂主要發(fā)生在銅鋁界面， 可通過化學(xué)開封和去金屬層進(jìn)行觀察， 失效的主要因素在于工藝參數(shù)的不適配， 可通過調(diào)整過程參數(shù)和焊盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)；

b） 雙金屬間鍵合退化在金-鋁和銅-鋁界面都有， 但在金-鋁界面更普遍， 主要通過切片作截面檢測(cè)， 原因是金-鋁間的 IMC 在相同條件下生長速度快， 金-鋁還易形成柯肯達(dá)爾空洞， 主要是在高溫條件下金向鋁的擴(kuò)散速度快， 接觸面金層開裂并不斷消耗鋁成為 IMC；

c） 接觸腐蝕主要發(fā)生在 Cu-Al 界面， 原因在于不同金屬接觸存在電勢(shì)差， 在類電解液環(huán)境中會(huì)形成類似原電池的工作原理， 通常用開封方法可觀察到鍵合點(diǎn)脫落， 用切片觀測(cè)鍵合點(diǎn)截面可開裂和腐蝕現(xiàn)象， 可通過提升 IMC 厚度、 提升金屬抗性（鈀銅） 和控制封裝的鹵素離子濃度并降低材料吸水率來改善；

d） 功率器件的鍵合絲退化， 其退化不易觀察但可通過功率循環(huán)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)參數(shù)變化來作壽命預(yù)測(cè)， 退化后會(huì)出現(xiàn)脫離或根部斷裂等現(xiàn)象， 可通過機(jī)械和化學(xué)開封后進(jìn)行檢測(cè)。