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《微电子引线键合（原书第3版）》翻译自乔治哈曼（George Harman）教授的著作Wire Bonding in Microelectronics（3rd Edition），系统总结了过去70年引线键合技术的发展脉络和*新成果，并对未来的发展趋势做出了展望。主要内容包括：超声键合系统与技术、键合引线的冶金学特性、引线键合测试方法、引线键合金属界面反应、键合焊盘镀层及键合可靠性、清洗、引线键合中的力学问题等，*后讨论了先进引线键合技术、铜/低介电常数器件—键合与封装、引线键合工艺建模与仿真。

本书适合从事微电子芯片封装技术以及专业从事引线键合技术研究的工程师、科研人员和技术人员阅读，也可作为高等院校微电子封装工程专业的高年级本科生、研究生和教师的教材和参考书。

作者简介

乔治·哈曼（George Harman）是美国国家标准和技术研究所（NIST）一名退休研究员，于美国弗吉尼亚理工学院取得物理学学士学位，于美国马里兰大学取得物理学硕士学位（1959）。哈曼是国际微电子组装与封装协会（IMAPS）的前任主席（1995—1996）和美国电气电子工程师学会组件封装与制造技术学会（IEEECPMT）委员会前任主席（1988—2002），并且作为国际半导体技术发展路线图（ITRS）的组装和封装委员会的成员超过10年。

哈曼被广泛认为是世界上引线键合方面的权威人士，他发表了60多篇论文，出版了3本关于引线键合的书籍，拥有4项专利，30年间在世界各地开设了大约1000学时关于引线键合的短期课程。哈曼在美国国内和国际上都获得了许多奖项，截至本书英文版出版时，*近的获奖是IMAPS“终身成就奖”（2006）和IEEE“元器件、封装和制造技术现场奖”（2009）。

在集成电路芯片产业，目前三维封装是比较火热的技术方向，而不论对于任何封装，引线键合技术（俗称打线，或者邦定，也就是将裸芯片和封装外壳通过金属丝互连起来的过程）是封装过程中的地位是蕞核心、蕞底层也是直接关系到芯片能否正常工作的关键。因为芯片尺寸越来越小（几厘米），引脚越来多（成百上千），速度越来越快、工作温度越来越高，这线要怎么连，用什么材料、用什么设备、用什么工艺，都在不断提出新的挑战，特别是现在引线的焊点都是微米级别的，容不得一丝一毫的差错，这就是引线键合技术的意义。

相比芯片制造和设计，我国在封装领域更加具有优势，所占的全产业规模比重蕞大，而作为封装技术的核心环节，引线键合技术的研发也是我国各大研究所、院校、企业等“国家队”重点探索的方向，本书的原书是国际公认的有关引线键合蕞全面和权威的著作，其翻译就是来自我国的封装“国家队”中电科集团第29研究所，本书的引进对于国内的封装领域具有极高的指导意义。

原书前言

在1970年，引线键合在所有半导体器件失效中占很高的比例，一度高达1/3。然而，当时已认知的失效机制数量非常有限。通常，失效问题有“紫斑”、不可粘合、过键合和由未知的污染引起的腐蚀。截至2009年，已经识别出几十种化学、冶金和机械失效机制。发现这些新机制的一部分原因是极大地改善了分析方法和设备（例如俄歇分析和SIMS分析），另一部分原因是制造了数以万亿计的键合点（数百万到数十亿失效），还有一部分原因是技术的演变发展（例如新的冶金、塑料包封）。最近关于金（Au）丝和铝（Al）丝键合失效论文的研究表明，尽管已发现的失效机制或它们的演变状态仍在持续发现，但发现新失效机制的速度已经放缓。因此，本书回顾了已知的引线键合失效模式和机制，对它们进行分类，并在可能的情况下对其进行解释或给出解决办法（新键合金属学具有非常广泛的研究范围）。

因为失效通常是通过测试揭示出来的，所以本书仍然对键合拉力和剪切测试方法进行了描述，并更新了细节距、新型模塑料等内容。本书还讨论了机械、冶金、化学和其复合的失效机制，其中一些内容存在重复的情况，因此会将其编排在最合适的章节进行讨论。

本书主要关注来自芯片到封装体间引线键合点的失效和良率问题，对于其他引线键合点，如交叉丝和印制电路板（PCB）上的键合点，则根据情况包括在内，比如第2章简要讨论了倒装芯片、载带自动键合、引线框架键合等，在其他章节还包括已观察到的引线键合界面和失效机制。新型焊盘金属层[如镍（Ni）基焊盘]在第6章6-B部分中进行了充分讨论，并在第3章中讨论了越来越流行的铜（Cu）丝键合。关于芯片清洗、镀Au和Au-Al金属间化合物的讨论仍然很重要。引线键合机本身没有可详细讨论的内容，原因是这种设备每年都在更新，通常是特定功能且有专利保护的，制造商通常会提供关于它们的参数设置和使用的资料。

本书作为一本独立撰写的书籍，可配合作者和其他人员用于教授课程的配套资料，并额外提供了彩色图片资料，原因是书中少数图片在没有颜色的情况下不利于深入理解。本书是基于实践情况而撰写的，可供生产线工程师在解决问题或避免键合问题发生时使用。此外，本书还为失效分析人员或其他对设计和项目课题研究感兴趣的人员提供了非常多的细节和参考依据。

本书有几位特邀作者，他们提供了特定的章节和附录，提供了更多样化的知识，为本书拓展了新的知识领域，非常感谢这些贡献新知识的人员。

基于本书整体的内容定位和知识层次，建议本书读者具有单个或多个器件封装、混合/SIP电路组装技术的基本知识储备。

至此，还需要对本书的架构进行以下必要的说明。

参考文献和各章的组织：本书的每一章都有单独的参考文献和编号体系。在某些情况下，将发生相同的参考文献出现在两章或多章中的情况，这是作者刻意为之，认为能最大程度地便于读者阅读，同时更恰当地描述细节或释义，这些参考文献乃至相关内容会通过在正文中相互引用的方式结合在一起。

目　录

译者序

原书前言

作者简介

第1章　技术概论1

1.1　楔形和球形键合机操作2

1.2　如何解决键合问题5

1.2.1　哪些材料可以进行超声键合5

1.2.2　新键合系统的可键合性和可靠性7

1.2.3　引线键合的特殊用途9

参考文献9

第2章　超声键合系统与技术10

2.1　引言10

2.2　超声换能器及键合工具的振动模式10

2.3　超声键合的形成（经验描述）16

2.3.1　超声与热超声键合过程简述20

2.4　高频超声能量键合23

2.5　键合过程（实时）监控25

2.6　引线键合技术26

2.6.1　热压键合26

2.6.2　超声楔形键合27

2.6.3　热超声球形键合与楔形键合28

2.6.4　新型/不同的引线键合技术28

2.7　细引线键合技术的演变30

2.7.1　薄带线键合30

2.7.2　平行间隙电极焊和镊子焊接32

2.8　引线键合的替代技术（倒装芯片和载带自动键合）33

2.8.1　倒装芯片33

2.8.2　载带自动键合34

2.9　引线键合技术：比较和未来方向35

参考文献37

第3章　键合引线的冶金学特性41

3.1　引言41

3.2　键合引线的应力-应变特性41

3.3　键合引线的存储寿命老化42

3.4　键合金丝的综述47

3.5　超声楔形键合用铝丝49

3.6　引线及金属层硬度50

3.7　EFO极性的影响50

3.8　键合引线的疲劳性能51

3.9　球形键合用的铜丝54

3.10　导线烧断（熔断）55

3.10.1　键合引线55

3.10.2　印制电路板（PCB）及多芯片模组（MCM）导电线路的最大允许

电流59

附录3A　键合引线、键合试验的ASTM标准和规范清单59

附录3B　铜丝键合是金丝键合的低成本解决方案吗59

参考文献62

第4章　引线键合测试64

4.1　引言64

4.2　破坏性键合拉力测试65

4.2.1　键合拉力测试的变量65

4.2.2　剥离测试（镊子拉拔）68

4.2.3　失效预测—基于拉力测试数据69

4.2.4　引线性能和键合工艺对拉力的影响69

4.2.5　引线伸长对拉力的影响72

4.3　焊球-剪切测试75

4.3.1　引言75

4.3.2　测试仪器75

4.3.3　手动剪切探头77

4.3.4　焊球-剪切测试的影响因素78

4.3.5　焊球剪切力与键合区域的关系82

4.3.6　金-铝金属间化合物对剪切力的影响86

4.3.7　拉拔测试、撬杠测试、翻转测试及其他测试87

4.3.8　焊球-剪切测试与键合点拉力测试的对比88

4.3.9　焊球-剪切测试的应用88

4.3.10　楔形键合点的剪切测试91

4.3.11　焊球-剪切测试标准93

4.4　球形和楔形键合点评估94

4.5　热应力试验可靠性评估94

4.6　未来面临的问题95

附录4A　焊球-剪切测试的典型失效模式96

附录4B　非破坏性键合拉力测试97

4B.1　引言97

4B.2　NDPT的冶金学和统计学解释98

4B.3　由NDPT引起的冶金性能缺陷99

4B.4　NDPT的局限性100

4B.5　关键航天应用中NDPT的现状101

参考文献102

第5章　金-铝金属间化合物及其他金属界面反应105

5.1　金-铝金属间化合物的形成及经典的引线键合失效105

5.1.1　概述105

5.1.2　金-铝体系中金属间化合物的形成106

5.1.3　经典金-铝化合物失效模式111

5.1.4　材料转换的金-铝界面116

5.1.5　扩散抑制剂和阻挡层的作用117

5.2　杂质加速金-铝键合失效118

5.2.1　卤素的影响119

5.2.2　去除或避免卤素污染的建议122

5.2.3　环氧树脂非卤素气体排出导致的键合失效122

5.2.4　绿色环保模塑料123

5.3　非金-铝键合界面123

5.3.1　铝-铜引线键合123

5.3.2　含铜的铝键合焊盘125

5.3.3　铜-金引线键合系统126

5.3.4　钯-金和钯-铝引线键合系统127

5.3.5　银-铝引线键合系统129

5.3.6　铝-镍引线键合系统130

5.3.7　金-金、铝-铝、金-银，以及某些不常用的单金属键合系统131

附录5A　焊接不良的金-铝引线键合的快速失效134

附录5B　金-铝球形键合的热退化136

附录5C　键合相关的腐蚀反应139

参考文献141

第6章　键合焊盘镀层技术及可靠性147

6-A　镀金层杂质和状态导致的键合失效147

6-A.1　镀金层147

6-A.2　特定的电镀杂质149

6-A.3　镀膜层中氢气渗入151

6-A.3.1　电阻漂移151

6-A.4　金膜层内部/表面金属杂质引发的失效152

6-A.4.1　概述152

6-A.4.2　镍153

6-A.4.3　铜154

6-A.4.4　铬155

6-A.4.5　钛155

6-A.4.6　锡155

6-A.5　镀金层标准156

6-A.5.1　关于可靠镀金层的建议156

6-A.6　自催化化学镀金157

6-A.7　非金镀层157

参考文献158

6-B　镍基镀层160

6-B.1　背景介绍160

6-B.2　化学镀工艺161

6-B.2.1　镀镍工艺163

6-B.2.2　镀钯工艺164

6-B.2.3　镀金工艺164

6-B.3　键合焊盘镀层—引线键合工艺窗口与可靠性166

6-B.3.1　镍/金层166

6-B.3.2　镍/钯/金层169

6-B.3.3　镍/钯层172

6-B.4　等离子体清洗175

6-B.5　可直接键合的铜层176

参考文献177

第7章　清洗179

7.1　引言179

7.1.1　分子级清洗方法181

7.1.2　紫外线-臭氧清洗182

7.1.3　等离子体清洗185

7.1.4　等离子体清洗机理187

7.1.5　分子级和溶剂清洗方法评估188

7.1.6　分子级清洗方法的问题190

7.1.7　抛光191

7.2　不同键合技术对表面污染的敏感性192

附录7A　等离子体清洗造成的电路损伤194

参考文献195

第8章　引线键合中的力学问题198

8.1　弹坑198

8.1.1　引言198

8.1.2　键合设备特征及参数设置202

8.1.3　键合力203

8.1.4　键合工具引线-焊盘冲击力204

8.1.5　弹坑的成因—材料205

8.1.6　金属间化合物对弹坑的影响207

8.1.7　硅结节引发的弹坑209

8.1.8　多晶硅形成的弹坑211

8.1.9　砷化镓弹坑211

8.1.10　弹坑问题小结214

8.2　超声楔形键合点的跟部裂纹214

8.3　加速度、振动和冲击对空腔封装的影响216

8.3.1　引线键合可靠性的离心试验216

8.3.2　超声清洗、运载火箭热冲击、振动等对空腔封装引线键合的

影响218

8.3.3　冲击和振动对引线键合的影响（长引线的问题）220

8.4　功率和温度循环对引线键合的影响221

附录8A　断裂韧度225

附录8B　引线键合机参数的实验设计（DOE）225

参考文献229

第9章　先进引线键合技术233

9.1　高良率、更细节距引线键合和特定线弧的技术及问题233

9.1.1　现代高良率引线键合技术介绍233

9.1.2　高良率键合的要求（金属层表面、硬度、清洁度）234

9.1.3　键合设备及其管控237

9.1.4　少数键合的可靠性（小样本量统计）238

9.1.5　封装相关的键合良率问题239

9.1.6　潜在的良率问题和解决方案239

9.1.7　其他影响器件良率的因素241

9.1.8　线弧241

9.1.9　细节距球形和楔形键合243

9.1.10　细节距键合的可靠性和测试问题246

9.1.11　高良率和细节距键合的结论248

9.2　PCB、挠性板、BGA、MCM、SIP、软基材器件和高性能系统中的

引线键合249

9.2.1　引言249

9.2.2　薄膜介质基板的键合249

9.2.3　层压基板的键合251

9.2.4　增层253

9.2.5　聚合物基板的材料性能对引线键合的影响254

9.2.6　高性能系统封装中引线键合的其他注意事项257

9.2.7　典型封装/板中导体金属结构的趋肤效应258

9.2.8　小结259

9.3　极端温度/环境中的引线键合259

9.3.1　引言259

9.3.2　高温环境互连要求260

9.3.3　低温环境互连要求262

9.3.4　极端温度下的封装效应262

9.3.5　小结263

附录9A　引线键合机拱弧263

9A.1　引言263

9A.2　机器的运动和轨迹264

9A.3　线弧形状264

9A.4　预弯曲265

9A.5　CSP和BGA线弧266

9A.6　堆叠芯片和多芯片封装266

9A.7　瓷嘴形成低线弧267

9A.8　瓷嘴形状及其对拖拽/摩擦的影响267

9A.9　引线的作用268

9A.10　球形凸点和钉头凸点269

9A.11　刚度-杨氏模量271

参考文献271

第10章　铜/低介电常数（Cu / Lo-k）器件—键合和封装274

10.1　引言274

10.2　Cu/Lo-k技术275

10.2.1　Lo-k电介质277

10.2.2　铜键合焊盘的表面保护层和可键合性镀层278

10.3　集成电路Lo-k材料上铜焊盘的引线键合281

10.3.1　Lo-k倒装芯片损伤284

10.4　结论284

参考文献285

第11章　引线键合工艺建模与仿真287

11.1　引言287

11.2　假设、材料性能和分析方法288

11.3　不同参数的引线键合工艺289

11.3.1　超声振幅的影响291

11.3.2　超声频率的影响293

11.3.3　摩擦系数的影响296

11.3.4　键合焊盘厚度的影响298

11.3.5　焊盘结构的影响301

11.3.6　键合后衬底冷却温度建模304

11.3.7　小结305

11.4　有源区上方键合焊盘的引线键合与晶圆探针测试的影响

比较306

11.4.1　探针测试模型306

11.4.2　探针测试建模308

11.4.3　探针测试与引线键合建模309

11.4.4　小结310

11.5　层压基板上的引线键合310

11.5.1　问题定义和材料属性311

11.5.2　模型仿真结果与讨论312

11.5.3　实验结果317

11.5.4　小结318

参考文献319