一种提高Au-Al键合强度和可靠性的方法

摘要

本发明涉及半导体器件封装技术领域，具体涉及一种提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法。本发明通过在Al表面使用离子溅射的方法依次沉积一层Zn和一层Cu，使得键合过程中Au和Al之间形成一层Cu‑Al‑Zn三元化合物薄层，阻止金与铝之间的直接接触和相互扩散，同时Cu‑Al‑Zn三元化合物薄层能够继续阻碍在电流作用下Au和Al之间的相互扩散，从而抑制键合连接部位的金属间化合物的生长，提高Au‑Al键合的强度和可靠性，能够有效解决传统半导体器件Au‑Al键合方法中存在的无法有效抑制金属间化合物生长，导致Au‑Al键合强度和键合可靠性较差，进而影响半导体器件的功能和寿命的问题。

权利要求

1.一种提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将不需要键合的铝质器件部位涂覆有机隔离剂进行遮盖，将需要键合的铝质器件部位表面进行清洁；

(2)将所述需要键合的铝质器件部位置于离子溅射仪的真空室中，溅射靶材设置为锌，接通离子溅射设备的电源并开启真空泵，在真空度达到指定要求后，开启离子溅射过程，在铝表面沉积一层锌，沉积结束后，关闭离子溅射电源，打开真空阀门，将真空室的气压恢复至大气压力；

(3)将溅射靶材更换为铜，接通离子溅射设备电源并开启真空泵，在真空度达到指定要求后，开启离子溅射过程，在铝表面沉积一层铜，沉积结束后，在铝质器件的表面生成一层Cu‑Al‑Zn三元化合物薄层，关闭离子溅射电源，打开真空阀门，将真空室气压恢复至大气压力；

(4)清洗铝制器件表面涂覆的所述有机隔离剂，采用超声波键合机对金丝进行抽丝和球化，进行Au‑Al超声波键合。

2.根据权利要求1所述的一种提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法，其特征在于，离子溅射环境的真空度控制在0.01～10Pa，所述溅射靶材的纯度为99.99％～99.9999％。

3.根据权利要求1所述的一种提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法，其特征在于，经离子溅射后，铝表面沉积的锌层厚度为5～1000nm。

4.根据权利要求1所述的一种提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法，其特征在于，经离子溅射后，铝表面沉积的铜层厚度为20～1000nm。

5.根据权利要求1所述的一种提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法，其特征在于，锌层和铜层的厚度比为1：5～1：1.2。

6.根据权利要求1所述的一种提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法，其特征在于，所述金丝的直径为0.005～0.3mm。

7.根据权利要求1所述的一种提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法，其特征在于，超声波键合过程中使用惰性气体进行保护，超声波频率控制在20～40kHz，功率为200～600mW，键合压力为40～100cN，键合时间控制在2～70ms，温度设置为150～180℃。

8.根据权利要求1所述的一种提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法，其特征在于，所述有机隔离剂的黏度为3～500mPa·s。

说明书

一种提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体器件封装技术领域，具体涉及一种提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法。

背景技术

[0002] 在半导体器件的封装过程中，通常在铝质芯片与外部引脚之间使用金线通过Au‑Al键合进行连接，键合连接点承担着芯片内部电路与外部电路的功率与信号的运输作用，
Au‑Al键合的键合强度与长期可靠性对半导体器件的功能和寿命起着决定性的作用。

[0003] 目前应用最广泛的Au‑Al键合方法是超声波键合，通过超声波的挤压和热作用，将端部为球状的金丝与铝引脚焊接起来。由于Au和Al之间的电负性差异很大，其扩散速率、晶
格常数以及热膨胀系数均不同，两者之间具有强烈的反应倾向，长期使用过程中，在Au‑Al
之间的焊接界面处容易形成柯肯达尔空洞以及多种金属间化合物。这些金属间化合物属于
导电性较差的脆性材料，过量的金属间化合物会导致接头强度和可靠性降低，键合接触电
阻变大。在电流的作用下将会加速这些金属间化合物的形成和生长，导致器件参数漂移，甚
至开路而失效，影响产品的长期可靠性。因此抑制Au‑Al之间金属间化合物的形成和长大是
提高Au‑Al键合强度和可靠性的重要途径。现有的Au‑Al键合方法中主要通过优化键合参数
尽量减少键合时的金属间化合物形成，但是该方法对工艺稳定性的要求很高，而且无法阻
止在后期使用过程中金属间化合物的进一步生长问题，导致键合界面的可靠性较差，进而
影响半导体器件的功能和使用寿命。

发明内容

[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法，可以有效阻止Au与Al之间的直接接触和相互扩散，抑制键合连接部位的金属
间化合物的生长，能够有效解决现有Au‑Al键合方法无法有效抑制键合界面中金属间化合
物的快速生长，器件中Au‑Al键合强度和可靠性较差的技术问题。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：

[0006] 一种提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法，包括如下步骤：

[0007] (1)将不需要键合的铝质器件部位涂覆有机隔离剂进行遮盖，将需要键合的铝质器件部位表面进行清洁；

[0008] (2)将所述需要键合的铝质器件部位置于离子溅射仪的真空室中，溅射靶材设置为锌，接通离子溅射设备的电源并开启真空泵，在真空度达到指定要求后，开启离子溅射过
程，在铝表面沉积一层锌，沉积结束后，关闭离子溅射电源，打开真空阀门，将真空室的气压
恢复至大气压力；

[0009] (3)将溅射靶材更换为铜，接通离子溅射设备电源并开启真空泵，在真空度达到指定要求后，开启离子溅射过程，在铝表面沉积一层铜，沉积结束后，在铝质器件的表面生成
一层Cu‑Al‑Zn三元化合物薄层，关闭离子溅射电源，打开真空阀门，将真空室气压恢复至大
气压力；

[0010] (4)清洗铝制器件表面涂覆的所述有机隔离剂，采用超声波键合机对金丝进行抽丝和球化，进行Au‑Al超声波键合。

[0011] 进一步地，离子溅射环境的真空度控制在0.01～10Pa，所述溅射靶材的纯度为99.99％～99.9999％。

[0012] 进一步地，经离子溅射后，铝表面沉积的锌层厚度为5～1000nm。

[0013] 进一步地，经离子溅射后，铝表面沉积的铜层厚度为20～1000nm。

[0014] 进一步地，锌层和铜层的厚度比为1：5～1：1.2，优选1：5～1：3。

[0015] 进一步地，所述金丝的直径为0.005～0.3mm。

[0016] 进一步地，所述金丝的直径优选0.01～0.1mm。

[0017] 进一步地，超声波键合过程中使用惰性气体进行保护，超声波频率控制在20～40kHz，功率为200～600mW，键合压力为40～100cN，键合时间控制在2～70ms，温度设置为
150～180℃。

[0018] 进一步地，所述有机隔离剂的黏度为3～500mPa·s，所述有机隔离剂可以选择可撕除的或水溶性的阻焊膜。

[0019] 本发明中对需要键合的铝质器件部位表面进行清洁的方法为：

[0020] 先使用滤纸和无水乙醇将铝表面擦拭干净；再将待清洁表面浸于无水乙醇中，使用超声波清洗机清洗1～3分钟；最后使用等离子清洗机，在气压为0.01MPa的氩气保护环境
中，清洗1～3分钟。

[0021] 相对于传统的Au‑Al键合方法，本发明提供的Au‑Al键合方法具有以下有益效果：

[0022] 本发明通过在铝质器件的表面使用离子溅射的方法依次沉积一层Zn和一层Cu，因三元化合物具有比二元化合物更低的自由能，因此在键合过程更容易在Au和Al之间的键合
界面上首先生成一层Cu‑Al‑Zn三元化合物薄层，阻止Au与Al之间的直接接触和相互扩散，
阻碍其他二元化合物的形成。同时，Cu‑Al‑Zn三元化合物薄层能够继续阻碍在电流作用下
Au和Al之间的相互扩散，从而抑制键合连接部位的金属间化合物的生长，提高Au‑Al键合的
强度和可靠性。本发明通过调整锌层和铜层的沉积厚度，可有效控制金属间化合物的生长
厚度，进而可根据实际使用需求选择最佳Au‑Al键合强度。

具体实施方式

[0023] 以下结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，应当理解，以下所述的实施例，仅是本发明的较佳实施例，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及有益效果，
仅用于说明和解释本发明，并非用于限定本发明。

[0024] 本发明提供的提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法，包括以下步骤：

[0025] (1)将待键合的铝质器件部位表面充分清洁。

[0026] 先使用滤纸和分析纯无水乙醇将铝表面擦拭干净，去除主要的灰尘和污染物；然后将待清洁表面浸没于分析纯无水乙醇中，使用超声波清洗机清洗1～3分钟，进一步去除
表面沾染的杂质和纤维；最后使用等离子清洗机，在气压为0.01MPa的Ar气保护环境中，清
洗1～3分钟。经过充分的清洗，铝表面的污染物得以充分去除，从而有利于提高后续的离子
溅射和键合效果。

[0027] (2)使用有机隔离剂将不需要键合的铝质器件部位进行遮盖。

[0028] (3)将待键合的铝制器件置于离子溅射仪的真空室中，溅射靶材设置为锌。

[0029] (4)接通离子溅射设备的电源并开启真空泵。

[0030] (5)在真空度达到指定要求后，开启离子溅射过程，在铝表面沉积一层锌。

[0031] (6)沉积结束后，关闭离子溅射电源，打开真空阀门，将真空室的气压恢复至大气压力。

[0032] (7)更换溅射靶材为铜，重复上述步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)。

[0033] (8)清洗铝制器件表面涂覆的有机隔离剂。

[0034] (9)采用超声波键合机对金丝进行抽丝和球化，进行Au‑Al超声波键合。

[0035] 本发明对半导体器件以及其上的铝引脚的形状、大小和规格没有严格限制。

[0036] 下面结合具体的实施例对本发明提供的提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

[0037] 实施例1

[0038] 本实施例中提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法具体包含以下步骤：

[0039] (1)将待键合的铝质器件部位表面充分清洁。

[0040] (2)使用有机隔离剂将不需要键合的铝质器件部位进行遮盖，有机隔离剂选择可撕性阻焊胶奥斯邦SM‑120。

[0041] (3)将待键合的铝制器件置于离子溅射仪的真空室中，溅射靶材设置为纯度为99.99％的锌。

[0042] (4)接通离子溅射设备的电源并开启真空泵。

[0043] (5)在真空度达到0.1Pa后，开启离子溅射过程，在铝表面沉积一层厚度为100nm的锌。

[0044] (6)沉积结束后，关闭离子溅射电源，打开真空阀门，将真空室的气压恢复到大气压力。

[0045] (7)更换溅射靶材为纯度为99.99％的铜，重复上述步骤(4)、(5)、(6)，在铝表面沉积一层厚度为300nm的铜。

[0046] (8)将铝制器件表面的有机隔离剂撕除，使用等离子清洗机，在气压为0.01MPa的Ar气保护环境中，清洗铝制器件1～3分钟。

[0047] (9)选取直径为0.1mm的金丝，采用超声波键合机对金丝进行抽丝和球化，进行Au‑Al超声波键合。其中，超声波键合过程中使用95％的氮气和5％的氢气进行保护，超声波频
率控制在20kHz，功率为600mW，键合压力为100cN，键合时间控制在10ms，温度设置为150℃。

[0048] 实施例2

[0049] 本实施例中提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法具体包含以下步骤：

[0050] (1)将待键合的铝质器件部位表面充分清洁。

[0051] (2)使用有机隔离剂将不需要键合的铝质器件部位进行遮盖，有机隔离剂选择TECHSPRAY生产的WonderMASK WSOL水洗型阻焊膜。

[0052] (3)将待键合的铝制器件置于离子溅射仪的真空室中，溅射靶材设置为纯度为99.99％的锌。

[0053] (4)接通离子溅射设备的电源并开启真空泵。

[0054] (5)在真空度达到0.1Pa后，开启离子溅射过程，在铝表面沉积一层厚度为300nm的锌。

[0055] (6)沉积结束后，关闭离子溅射电源，打开真空阀门，将真空室的气压恢复到大气压力。

[0056] (7)更换溅射靶材为纯度为99.99％的铜，重复上述步骤(4)、(5)、(6)，在铝表面沉积一层厚度为600nm的铜。

[0057] (8)清洗铝制器件表面的有机隔离剂，将待清洁表面浸没于50～85℃的去离子水，使用超声波清洗机清洗2分钟；待表面无可见有机隔离层之后，将待清洁表面浸没于分析纯
无水乙醇中，使用超声波清洗机清洗2分钟，超声波频率20kHz，功率200w；最后使用等离子
清洗机，在0.01MPa气压的Ar气保护中，清洗2分钟。

[0058] (9)选取直径为0.2mm的金丝，采用超声波键合机对金丝进行抽丝和球化，进行Au‑Al超声波键合。其中，超声波键合过程中使用95％的氮气和5％的氢气进行保护，超声波频
率控制在40kHz，功率为600mW，键合压力为100cN，键合时间控制在70ms，温度设置为180℃。

[0059] 实施例3

[0060] 本实施例中提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法具体包含以下步骤：

[0061] (1)将待键合的铝质器件部位表面充分清洁。

[0062] (2)使用有机隔离剂将不需要键合的铝质器件部位进行遮盖，有机隔离剂选择可撕性阻焊胶奥斯邦SM‑120。

[0063] (3)将待键合的铝制器件置于离子溅射仪的真空室中，溅射靶材设置为纯度为99.99％的锌。

[0064] (4)接通离子溅射设备的电源并开启真空泵。

[0065] (5)在真空度达到0.01Pa后，开启离子溅射过程，在铝表面沉积一层厚度为30nm的锌。

[0066] (6)沉积结束后，关闭离子溅射电源，打开真空阀门，将真空室的气压恢复到大气压力。

[0067] (7)更换溅射靶材为纯度为99.99％的铜，重复上述步骤(4)、(5)、(6)，在铝表面沉积一层厚度为50nm的铜。

[0068] (8)将铝制器件表面的有机隔离剂撕除，使用等离子清洗机，在气压为0.01MPa的Ar气保护环境中，清洗铝制器件1～3分钟。

[0069] (9)选取直径为0.025mm的金丝，采用超声波键合机对金丝进行抽丝和球化，进行Au‑Al超声波键合。其中，超声波键合过程中使用95％的氮气和5％的氢气进行保护，超声波
频率控制在40kHz，功率为200mW，键合压力为20cN，键合时间控制在2ms，温度设置为150℃。

[0070] 实施例4

[0071] 本实施例中提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法具体包含以下步骤：

[0072] (1)将待键合的铝质器件部位表面充分清洁。

[0073] (2)使用有机隔离剂将不需要键合的铝质器件部位进行遮盖，有机隔离剂选择TECHSPRAY生产的WonderMASK WSOL水洗型阻焊膜。

[0074] (3)将待键合的铝制器件置于离子溅射仪的真空室中，溅射靶材设置为纯度为99.99％的锌。

[0075] (4)接通离子溅射设备的电源并开启真空泵。

[0076] (5)在真空度达到0.05Pa后，开启离子溅射过程，在铝表面沉积一层厚度为500nm的锌。

[0077] (6)沉积结束后，关闭离子溅射电源，打开真空阀门，将真空室的气压恢复到大气压力。

[0078] (7)更换溅射靶材为纯度为99.99％的铜，重复上述步骤(4)、(5)、(6)，在铝表面沉积一层厚度为800nm的铜。

[0079] (8)清洗铝制器件表面的有机隔离剂，将待清洁表面浸没于50～85℃的去离子水，使用超声波清洗机清洗2分钟；待表面无可见有机隔离层之后，将待清洁表面浸没于分析纯
无水乙醇中，使用超声波清洗机清洗2分钟，超声波频率20kHz，功率200w；最后使用等离子
清洗机，在0.01MPa气压的Ar气保护中，清洗2分钟。

[0080] (9)选取直径为0.2mm的金丝，采用超声波键合机对金丝进行抽丝和球化，进行Au‑Al超声波键合。其中，超声波键合过程中使用95％的氮气和5％的氢气进行保护，超声波频
率控制在20kHz，功率为400mW，键合压力为100cN，键合时间控制在50ms，温度设置为150℃。

[0081] 实施例5

[0082] 本实施例中提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法具体包含以下步骤：

[0083] (1)将待键合的铝质器件部位表面充分清洁。

[0084] (2)使用有机隔离剂将不需要键合的铝质器件部位进行遮盖，有机隔离剂选择TECHSPRAY生产的WonderMASK WSOL水洗型阻焊膜。

[0085] (3)将待键合的铝制器件置于离子溅射仪的真空室中，溅射靶材设置为纯度为99.99％的锌。

[0086] (4)接通离子溅射设备的电源并开启真空泵。

[0087] (5)在真空度达到0.1Pa后，开启离子溅射过程，在铝表面沉积一层厚度为800nm的锌。

[0088] (6)沉积结束后，关闭离子溅射电源，打开真空阀门，将真空室的气压恢复到大气压力。

[0089] (7)更换溅射靶材为纯度为99.99％的铜，重复上述步骤(4)、(5)、(6)，在铝表面沉积一层厚度为1000nm的铜。

[0090] (8)清洗铝制器件表面的有机隔离剂，将待清洁表面浸没于50～85℃的去离子水，使用超声波清洗机清洗2分钟；待表面无可见有机隔离层之后，将待清洁表面浸没于分析纯
无水乙醇中，使用超声波清洗机清洗2分钟，超声波频率20kHz，功率200w；最后使用等离子
清洗机，在0.01MPa气压的Ar气保护中，清洗2分钟。

[0091] (9)选取直径为0.08mm的金丝，采用超声波键合机对金丝进行抽丝和球化，进行Au‑Al超声波键合。其中，超声波键合过程中使用95％的氮气和5％的氢气进行保护，超声波
频率控制在40kHz，功率为300mW，键合压力为50cN，键合时间控制在20ms，温度设置为150
℃。

[0092] 本发明实施例1～5中使用的离子溅射设备为日立集团生产的型号为MC1000的离子溅射仪。

[0093] 对比例

[0094] 采用常规超声键合方法对半导体器件进行Au‑Al键合，步骤如下：

[0095] (1)将待键合的铝质器件部位表面充分清洁。

[0096] (2)选取直径为0.1mm的金丝，采用超声波键合机对金丝进行抽丝和球化，进行Au‑Al超声波键合。其中，超声波键合过程中使用95％的氮气和5％的氢气进行保护，超声波频
率控制在20kHz，功率为600mW，键合压力为100cN，键合时间控制在10ms，温度设置为150℃。

[0097] 按照本发明实施例1～5和对比例提供的方法，分别对半导体器件进行Au‑Al超声波键合制备测试样品，根据国家标准GB/T 4937.22‑2018测试键合强度。另外，分别在各测
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试样品的键合部位中通入1.0×10 A/cm的直流电，保持24小时后，测量经过电迁移测试后
键合界面的金属间化合物的厚度和剥离强度。各测试结果如下表1所示。

[0098] 表1实施例1～5和对比例的性能参数及测试结果

[0099]

[0100] 通过表1中的各项性能参数和测试数据可以看出，相对于常规器件键合方法，按照本发明提供的Au‑Al超声键合方法，半导体器件的键合界面生成的金属间化合物厚度较薄，
键合强度更高，并且经过电迁移后，键合界面中金属间化合物的生长速度显著降低，依旧具
有较高的键合强度，可见本发明提供的键合方法提高Au‑Al的键合强度和可靠性，有效阻止
Au与Al之间的直接接触和相互扩散，抑制键合连接部位的金属间化合物的生长。

[0101] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所
记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和
原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。