微连接课件-第2章连接原理.ppt

1,微电子封装与组装的 可靠性与测试 材料成型与控制系,,2,第二章 微连接方法与原理,3,固相连接： 扩散焊、冷压焊、热压焊、超声波焊、 超生－热压焊---反应慢、强度高,2.液－固相连接：钎焊---强度较低-薄弱点,3.熔接：激光焊、电阻焊---反应快、强度高 4.粘接技术： 低温银浆粘接、导电胶粘接、 环氧树脂粘接,4,1. 1 固相连接－扩散焊技术,过程：,,压力－点接触－点（局部） 塑性变形－氧化膜破坏－ －形成微小连接 ；,压力作用时间增加－蠕变变 形－扩散逐渐生长－空隙逐 渐消失，连接界面增加；,,体积扩散－空隙完全消失 －界面原子结合—晶界移动， 界面消失,5,影响因素-工艺参数：,变形与扩散是连接的主要机制，在不同的阶段所占 的比重不同,适当压力：压力增大，塑性变形增大，接触面增 加，扩散焊工件一般无宏观塑性变形 2）时间较长：由扩散速度决定，一般为几十到几百 分钟 3）温度：温度升高有利于连接材料间进行原子扩 散和材料软化变形，一般0.6 至0.8倍 熔点[K],6,影响因素－表面氧化膜,1）完全分解型： Ti、Ti合金、无氧铜在连接的初期阶段，界面 氧化物分解并扩散到母材中，对连接过程和质 量无影响； 2）完全不分解型： Al氧化物非常稳定，扩散连接条件下不能分解 消失，依靠塑性变形露出清洁面，得到局部连 接；􀂄 3）部分分解型： Cu、Fe 氧化膜在界面和空隙中聚集并以夹杂 物的形态残存下来---氧化膜部分分解及氧向母 材中扩散使夹杂减少 4）Au,7,1）不仅影响结合面的接触，也影响扩散过程 表面凹凸越微细而且规则，空隙的消失越迅速，此时扩散机制起重要作用(而不是空隙总体积小的原因)； 3）当表面凹凸的宽度大时(粗糙度较大时)， 扩散的作用被减弱.,影响因素－表面粗糙度,8,1.2 固相连接－热压焊技术,1）美国贝尔实验室的christensen和Anderson于1957年 提出--解决平面半导体器件内引线焊接的困难---微 电子器件的一种新的焊接技术。

2）基本原理 a)金属丝与器件芯片同时加热加压--接触面产生塑 性变形---两种金属的原始界面几乎接近到原子 力范围--两种金属原子相互扩散； + 接触面不平整--压力作用下---高低不平的接触表 面相互填充而产生机械嵌合作用，最后使两者紧 密结合形成牢固的键接9,b) 键合施加压力---金球发生很大的塑性变形，其表面上的滑移线使洁净面呈阶梯状，并在薄膜上也切出相应的凹凸槽，表面的氧化膜被破坏，洁净面之间相互接触，发生扩散，产生了连接10,材 料：金丝直径25μm，金球直径50μm；铝膜 典型规范：时间20-80ms，压力100gf，平台温度300- 350°C，劈刀温度约100 °C,11,,典型材料的形球规范,铝丝球的形球规范,金丝形球的规范为： 电流15mA，时间30ms， 但此参数下，即使氩气保护，生成的铝球外观皱折，内部充满空洞； 铝球的最佳规范为： 电流5A，时间0.38ms，Ar+H2保护,12,a) 被焊物中至少有一种具有可塑性，能产生一定的 塑性变形，以防止弹性形变因为这种弹性形 变，在解除压力后的恢复过程中，会使连接强度 变弱 b）适当的压力，以促使被焊物完全接触 + 提供足够 的热能，以使被焊物在合理的时间内产生扩散。

c）交界面要清洁，油污和氧化物等会影响焊接的强 度3） 形成可靠热压键接的条件：,13,4） 与扩散焊的区别：,a）大塑性变形 VS 无宏观塑性变形： b) 蠕变不起作用 VS 蠕变起作用； c) 加热温度较低，时间短，扩散不充分 VS 0.6-0.8Tm，时间长，扩散充分； d) 扩散+变形+机械嵌合+位错机制 VS 扩散+变形+再结晶机制,14,a) 可形成一系列的固熔体，并有良好的相互扩 散作用的金属材料（如银－金、金—铜); b）相互间可形成低温共熔体的材料(如铝—硅、金—硅) c）通过互扩散作用，能形成金属间化合物(如金—铝、 金—锡)5) 适合热压焊接的材料,热压焊接时，被焊双方都不需要全部熔融(象熔焊)、也不需要加任何填料(象钎焊),故金—金系统、金—铝及全铝系统的热压焊接广泛应用于微电子器件制造中15,16,17,1）随着键合时间的延长，变形率和拉断载荷都在增加 但加载力较小时，很快达到饱和；,影响焊点质量的因素－劈刀压力和压接时间,18,拉断载荷与球的变形率成正比；键合加载力越大，接头强度越高但太大则可能损坏硅片，或引线颈缩； 劈刀压力应使焊点引线宽度增加到原来引线直径的4/3一3/2为宜； 键合时间过短或表面有污染时，拉断载荷要比正常的低。

19,影响焊点质量的因素－氧化膜的性质,氧化膜的硬度越大（氧化膜越脆），母材的性质越软，氧化膜容易被破碎20,热压焊的其他影响因素,1）不清洁的引线和金属化层--降低连接强度； 2）劈刀端面倾斜或与焊点平面不垂直---压焊点的形 变倾斜---引线根部脱落或切断；,3）温度过低则不能形成键合；温度过高，焊点变形过 大--键合强度减弱21,1.3 固相连接－冷压焊技术,冷压焊原理,冷压焊是在没有外加辅助热量的情况下，利用单一的压力使被焊物产生塑性变形，在两个被焊物表面形成晶体间的结合冷压焊既可点焊、又可缝焊冷压焊条件： 压力、共同的塑性流动、塑性流动时产生的温度和 扩散形变对冷压焊来说非常重要---要求被焊金属在低温下有很大的塑性---硬材料进行冷压焊比较困难；,22,1）冷压焊必须的压力： 要稍高于材料的屈服极限（取决于被焊材料的塑性）,2）冷压焊所需的变形程度与氧化物和金属的硬度比有关23,冷压焊应用－微电子器件的外壳封焊,2）一般器件的盖板是可伐合金或铜，底座是可伐合金 或钢，为使冷压焊接头足够牢固，被焊表面常常预 先电镀镍层 器件冷压焊的外壳法兰边的尺寸一般要稍大些，以 加大压焊的接触面。

1） 气密性问题是外壳封焊的主要质量问题：,a）被焊物表面清洁； b）两冲头中心要精确地对准； c）被焊物要有足够的变形程度焊材：铜—铜、铜—可伐合金 、铝和铝合金,24,3）单面变形的冷压焊： 一种是软材料(如铜)，另一种是硬材料(如可伐合金) 时常采用,软材料一面的劈刀选用平工作面劈刀，而硬材抖一面的劈刀选用梯形工作面劈刀，以防止软材料被切断25,1）工艺限制 􀂄 时间在毫秒数量级--材料间不能发生充分的扩散； 时间很短--蠕变变形几乎没有贡献；为防止对硅片及 电路的破坏，温度要尽量低 􀂄 2）尺寸和表面状态 􀂄 膜的厚度在微米数量级，硅片的光洁度极高； 􀂄 塑性变形所起的作用很小； 3）表面氧化膜 􀂄 铝、铜材料表面氧化膜难以去除􀂄 􀂄 4）措施 􀂄 大的变形：增加接触，破碎氧化膜 􀂄 机械去膜：动态摩擦去膜 􀂄 不需很大的机械强度，可以不要求过程完整,微电子封装互连的固相连接的特殊性,26,1.4 固相连接－超声波焊接技术,背景： 避免热压焊的“紫斑”缺点和解决Al—A1系统的焊接 困难而出现； 超声波振动源，通常采用磁致伸缩效应和压电效应来 获得超声振动。

原理： 超声频率的机械振动-----劈刀在焊接处产生“交变 剪应力” + 劈刀的垂直压力使被焊件紧密接触----- 两金属之间发生超声频率的摩擦，一方面消除两金属 间的表面“壁垒”—氧化膜，另一方面焊接界面产生 大量热量，使两金属塑性形变、扩散----实现连接27,超声波焊接的特点,􀂄 􀂄 􀂄,1）无临界焊接温度--室温下可焊接不因焊接影响器件 的电、热性能，并提高焊接效率和质量； 2）不需加电流、焊剂和焊料---对焊件理化性能 无影响---也不形成化合物影响连接强度（Al-Al）； 3）连接面积几乎可达100％，连接强度高； 4）适合细丝、粗丝以及金属扁带、及微小区域的连接； 5）焊接参数控制灵活，可焊材料范围较广—可实现玻璃、 陶瓷上的连接,28,29,1）丝与膜的摩擦去膜过 程； 2）丝与膜已经发生了部分 连接，主要发生的是劈 刀与丝之间的滑动过 程；同时，丝由于压力 的作用发生塑性变形 3）材料不同，两个阶段的 持续时间将有变化，连 接的机理也不同键合时引线的变形,30,变形特性与键合压力的关系,键合施加的压力越大，丝与膜之间越易早形成连接，导致丝与膜相对滑动的第一阶段的时间缩短。

31,1）铝丝-金膜键合时，因摩擦系数小，丝与膜长时间相互滑动摩擦，中心部位有与超声振动方向平行的流动，而其外侧有垂直方向的流动特性中第一阶段长而第二阶段短2）铝丝-铝膜键合时，摩擦系数大，滑动摩擦很快停止中心未连接，而只在边缘发生连接流动与超声方向垂直变形的第一阶段很短，而第二阶段长键合界面,32,键合强度与丝的变形程度的关系,1）随着变形幅度的增加，连接的强度增加；丝最小截面减 小，丝的强度降低 2）临界变形幅度—断裂位置变化（由焊点处---丝的缩颈处） 3）当劈刀落下对丝有冲击时，超声尚未作用，不会产生连接 这部分变形对连接无贡献，总强度降低—控制劈刀下落力33,超声压接强度的影响因素-焊后加热,键合力：42gf 时间：0.1s 功率：可变 加热：150°C，30min 焊后加热使界面的金 属之间进一步扩散， 接头强度提高； 同时也说明，在超声 压接时所形成的扩散 是不充分的34,超声压接强度的影响因素-焊后加热时间,键合力：42gf 时间：0.1s 功率：可变 加热：150°C 加热超过30min后， 强度不再增加,--以较小的超声功率或时间键合，然后通过加热使强度提高（因变形幅度较小，颈缩小，丝强度降低较小）,35,1.5 超声-热压焊,1）超声波焊： 􀂄 超声机械去膜，有效连接面积大、温度低，对芯片的热 影响小---但金属之间的扩散不足；加大超声功率可 能损坏芯片；---楔焊过程有方向性，降低效率 2）热压焊： 􀂄 温度高，有利于金属扩散 􀂄 去膜不充分，连接强度低 􀂄 球焊无方向性，提高生产效率,3）超声－热压焊： 超声焊基础上，衬底加热 (一般150℃)，CouCoulas1970 年发现加热可使焊点处的金属流动性增强—防止超声焊时 的应变硬化---利于接触界面增大和焊点的快速键合---提 高键合强度。

36,超声热压接的优势,要达到规定强度，超声热压接的时间和温度都比热压接小得多 超声压接一般需要3μm以上的振幅和约1s的时间， 超声热压接只需要其1/10的振幅和1/20的时间37,超声热压接的界面,超声热压接机械去膜更为充分，金属的扩散在整个界面上进行---首先在广泛的接触面上分散地形成了扩散的核心---然后在超声振动方向上形成合金层，并逐渐生长---最终，合金层扩及整个接触面38,合金元素对超声热压接性能的影响,合金元素的作用：便于铝丝的加工；提高铝丝强度；更大的膜/丝硬度比---对氧化膜的切断和去除能力增加，有效键合面积增大，承载能力增强39,影响超声热压接性能的其他因素,1）焊接端面平整、表面清洁、镀层金属应有一定的厚 度，铝层厚度应在1．5μm以上 2）劈刀端面不平会引起焊点的倾斜，造成引线根部 脱落或折断； 3）正确处理超声功率、压力和焊接时间三个工艺参 数，三者过大--引线过多磨损而导致形变太大--- 连接的强度减弱---严重的损坏铝层和芯片表面； 太小不能实现连接或强度不够40,2. 液固相连接－钎焊技术,填充材料: 采用(或过程中自动生成) ,熔点比母材熔 点低; 操作温度: 低于母材固相线而高于钎料液相线; 过程: 钎焊时液态钎料在固态母材的间隙中或表面上 润湿、铺展、毛细流动、与母材相互作用(溶 解，扩散、产生冶金接合层)、冷却凝固形成 牢固的接头. 封装中只采用Sn基钎料的软钎焊,2.1 钎焊的特点,41,润湿是指熔化的钎料在母材表面进行充分的扩散的过程； 从化学热力学的角度来看，所谓润湿。