概述2026
本文簡要介紹用于極端高溫環(huán)境(HTE)和低溫環(huán)境(LTE)下的封裝芯片內(nèi)引線鍵合互連的材料和要求。能夠在這些環(huán)境下工作的器件可用于未來對其他太陽系行星的空間探測、測井、地?zé)釡y量、火箭和噴氣發(fā)動機、汽車發(fā)動機附近的傳感器等?，F(xiàn)代SiC和其他高溫器件能夠在高達500°C的溫度下工作，盡管用于這種高溫條件下的封裝材料/技術(shù)既具有挑戰(zhàn)性且又昂貴。用于Si芯片互連的常見冶金，Au-Al(引線鍵合，鋁金屬層焊盤)在HTE中會失效，但一般可用于LTE中。所需材料發(fā)生變化，如Au-Au(或者其他昂貴的和同材質(zhì)的金屬界面)，基板/芯片CTE匹配等，是系統(tǒng)在這些熱環(huán)境和溫度變化環(huán)境中生存的必要條件。
高溫環(huán)境互連要求2026
在HTE范圍內(nèi)應(yīng)該避免使用最常用的Au-A1引線鍵合，以及形成脆性金屬間化合物和/或Kirkendall空洞的任何其他冶金界面。Au-Au鍵合能隨著時間和溫度的升高而改善，而不是退化。因此，對于HTE中的引線和倒裝芯片中的鍵合點，首選具有高熔點同材質(zhì)金屬界面或形成固溶體的金屬-Au(或其他貴金屬)系統(tǒng)。Au凸點/Au球可以用來代替常規(guī)的Sn球倒裝芯片互連。這種芯片金焊盤上被植上有Au球或者釘頭凸點，然后將整個芯片TC/TS鍵合到陶瓷基板上的Au金屬層上(CTE匹配)。這形成了可靠的HTE倒裝芯片互連(假設(shè)芯片和基板有近似匹配的CTE，基板略高于芯片)。
在HTE和LTE的大范圍ΔT溫度/功率循環(huán)過程中，會發(fā)生引線的冶金疲勞損傷。而且，深井探測和傳感器的應(yīng)用可以在較寬的溫度范圍內(nèi)循環(huán)。研究表明，即使鍵合的界面(鍵合熔核)強度仍然很強，但高溫退火態(tài)Al絲的疲勞壽命和引線互連完整性也會降低，在這種情況下循環(huán)溫度的高溫達到200°C。目前還沒有粗線徑(或任何尺寸)的圓A1絲和A1帶線的高溫循環(huán)的數(shù)據(jù)。假設(shè)大的薄帶線在鍵合線弧平面上是柔韌的，則薄帶線在高溫下與相同橫截面/冶金性能的圓引線相比具有更長的疲勞壽命。粗線徑A1絲疲勞的示例可見相關(guān)技術(shù)資料。粗線徑圓引線是較硬的，應(yīng)力集中在所有彎曲和焊接處(鍵合點跟部)，在這些地方失效經(jīng)常發(fā)生疲勞失效。線徑(例如25um)的引線是柔軟的，大多數(shù)疲勞應(yīng)力集中在鍵合點的跟部，這里會發(fā)生疲勞。多種因素(引線線徑、形狀、弧高、冶金，包括添加劑/摻雜劑和應(yīng)變-速率)決定了鍵合引線的疲勞敏感性和壽命(高的、光滑的線弧和低的鍵合形變?yōu)榧?xì)線徑引線提供了最佳的抗疲勞保護)。在典型的熱循環(huán)、低應(yīng)變速率和高達125°C的溫度下，Au絲比A1絲更耐疲勞。對于更高的溫度，沒有相應(yīng)的數(shù)據(jù)可用。
在高溫(而不是低溫)，必須適當(dāng)?shù)亟档玩I合引線的電流承載能力以避免發(fā)生熔斷，A1絲(熔點是660°C)載流能力肯定比Au絲(熔點是1064°C)降低的更多。
高溫將導(dǎo)致細(xì)線徑A1絲發(fā)生退火，從而使其拉斷力和鍵合拉力強度降低到其初始值的30%以下。粗線徑A1絲(≥100um)通常在加工的過程中進行退火，所以在高溫下其拉斷力僅發(fā)生輕微的降低。Al-AI或Al-Ni焊接的鍵合界面在高溫下仍保持牢固，所以任何引線發(fā)生的退火現(xiàn)象(拉伸強度降低)通常不認(rèn)為其是可靠性問題。然而，鍵合引線的溫度循環(huán)疲勞壽命可能變短，在實施溫度循環(huán)之前必須確定這一點。球形鍵合用Au絲是已經(jīng)退火過的，其強度將最小程度地發(fā)生改變。然而，楔形鍵合用的細(xì)線徑金絲的強度將發(fā)生退火(軟化)，但強度的降低程度低于同等A1絲。高溫循環(huán)對細(xì)線徑Au絲、AI絲疲勞性能的影響研究較少，溫度研究表明，在高達125°C的溫度下，疲勞壽命普遍隨溫度升高而降低，并且與應(yīng)變速率有顯著的相關(guān)性?，F(xiàn)代Au絲中含有用于穩(wěn)定的特殊雜質(zhì)，以往研究認(rèn)為這些雜質(zhì)可以提高金絲的高溫疲勞壽命;然而，典型的Al絲從過去至今并沒有發(fā)生改變。
在高溫環(huán)境中使用Pt絲，但其需要有的高鍵合力，而且在US楔形鍵合過程中發(fā)生顯著的加工硬化現(xiàn)象，類似于Cu絲。Pt楔形鍵合會使SiC產(chǎn)生彈坑，而SiC是已知材料中最堅硬的材料之一。此外，Pt和Pd的電導(dǎo)率也非常低，僅約為Au或Al的20%。通常，Pt和Pd在高溫下的(≥300°C)(TS鍵合)楔形鍵合最佳。兩者均可用于球形鍵合，但在此方面的報道較少。因為Pt和Pd有相對低的熱導(dǎo)率(約為Au的20%)，所以有時其被用于LTE系統(tǒng)中。在75~150um(3~6mil)線徑范圍內(nèi)，如果應(yīng)用適當(dāng)，Pt和Pd可以通過電火花法焊接到基板和封裝體上。
關(guān)于HTE和LTE下冶金界面(鍵合)可靠性的概述如圖1所示。如圖2所示，給出了存儲在300°C溫度下金鍵合界面壽命的示例，這種穩(wěn)定的壽命與Au-Au鍵合的相關(guān)特性討論是一致的。
低溫環(huán)境互連要求2026
對于LTE和中等溫度的范圍，最高溫度達125°C，在芯片AI金屬層(鍵合焊盤)上的傳統(tǒng)互連(Au絲和AI絲鍵合)是可接受的。人們不會使用常規(guī)的層壓基板，而是陶瓷基板。在封裝體設(shè)計時選擇的一些材料性能參見相關(guān)技術(shù)參數(shù)表。溫度下降到約55°C時，選擇的元器件應(yīng)該使其膨脹差值最小化。
極端溫度下的封裝效應(yīng)2026
HTE下的封裝體經(jīng)常由金屬/玻璃/陶瓷組成(經(jīng)典的密封混合電路封裝)。在密封封裝常規(guī)的玻璃-金屬密封體(可伐-玻璃)中，由于遲滯、蠕變和/或開裂產(chǎn)生的封裝可靠性問題會導(dǎo)致在HTE和尤其是LTE中的溫度循環(huán)過程中發(fā)生失效。在-100°C以下的范圍內(nèi)，玻璃-金屬密封體會發(fā)生膨脹/收縮遲滯，這可能導(dǎo)致開裂或分層。在HTE中，穿過軟化的玻璃密封體的任何引線端，在約300°C時，都將會在機械應(yīng)力下發(fā)生屈服，從而可能導(dǎo)致與其連接的任何鍵合引線發(fā)生損傷。擴散過程一般遵循Arrhenius方程，并且將會在HTE中大幅加速。Au金屬層與陶瓷之間的金屬粘附層，以及芯片金屬層下方/上方的擴散阻擋層可能會發(fā)生失效，必須將其視為潛在的可靠性風(fēng)險，這可能會削弱與其鍵合的引線。
雖然在LTE中使用的芯片可以是Si基芯片，但在HTE中不是，最有可能使用的將是 SiC或者GaP，GaAs，在溫度相對較低的HTE范圍內(nèi)使用 Si-Ge。芯片和導(dǎo)體之間的金屬層將最有可能是貴金屬和擴散阻擋層的復(fù)合層。用于HTE中裸芯片的固晶材料必須是金屬的，而不是聚合物(環(huán)氧樹脂)，就像目前在常規(guī)器件上使用的那樣。在一些中等溫度范圍內(nèi)，銀-玻璃(最大溫度約為350°C)可能是可被接受的裸芯片-固晶材料。對于SiC的裸芯片固晶，可以采用Ni/Ti/TaSi?,Ti/TaSi?/Pt,Ni/Ti/Pt/Au，或者Au-Sn材料。目前，對于HTE(高達 500°C)無論是這些或任何其他裸芯片的固晶材料都不合格。因此，高溫引線鍵合的發(fā)展速度遠(yuǎn)超過裸芯片固晶和其他封裝材料/技術(shù)。
小結(jié)2026
上文已經(jīng)描述了用于極高溫度和極低溫度環(huán)境[從約500°C(HTE)到-100°C(LTE)]芯片中引線鍵合和Au球凸點倒裝互連材料的性能和需求。在HTE范圍內(nèi)應(yīng)該避免使用最常用的Au-A1引線鍵合界面，以及任何其他形成脆性的金屬間化合物和/或Kirkendall空洞的冶金界面。Au-Au鍵合(和其他貴金屬)隨著溫度的升高和時間的推移是穩(wěn)定的或者改善的；因此，在HTE中，Au(或其他貴金屬)顯然是引線鍵合和倒裝芯片鍵合點的首選。同材質(zhì)的金屬界面，如Al-AI界面也是可靠的。對于LTE和中等溫度范圍，芯片Al金屬層(鍵合焊盤)上的傳統(tǒng)互連(Au-A1引線鍵合)是可接受的。(此外，倒裝芯片常規(guī)的釬焊料凸點在無塑料底部填充的情況下是可接受的)。文中給出了芯片和基板CTE匹配的材料信息，結(jié)果表明通過選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，互連可以在一個較寬溫度范圍內(nèi)的極端溫度環(huán)境中是可靠的。
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