引线中产生的温度变化为ΔT, 则引线中产生的热应变为Δε=(αAu-αSi)ΔT，其中(αAu-αSi)为Au和Si 的热膨胀系数之
(αAu=1.42×10-5/oC; αSi =3×10-6/oC)。
这一应变将导致Au 引线经历压－压疲劳循环。在实验中，记录每一试件的疲劳失效寿命(指引线开路时的疲劳循环次数)，并同时通过SEM 观察引线表面的形貌变化。表给出了长度为20μm，三种不同宽度Au 引线在相同交变电压信号(Vpp=10V)，不同电压频率作用下的疲劳失效结果。
对于同样的输入电压随着引线线宽的减小，其失效循环次数明显减少。产生这一结果有两个原因，其一是由于引线宽度的减少，导致其横截面积相应地减少，这样在相同的电压作用下，较窄的引线中将形成较大的电流，而随着电流的增加，将在导线中引起较高的温度及较大的热应力，从而加速了引线的疲劳失效；其二是由于本文的纳米引线厚度仅35nm，宽度从500nm 到150nm，引线材料中晶粒在厚度方向将小于35nm，在宽度方向小于100nm。和以往研究者所利用的微米到亚微米晶粒相比，细化后的晶粒能够拟制位错的运动，因而导致引线失效的原因可能是由局部界面损伤引起引线在宽度方向的破坏所控制。因此较宽和较薄的引线将具有更长的疲劳寿命。结合中引线失效时的显微图片可以看到，在纳米引线的表面并没有发现类似于体材料疲劳时由于往复的位错运动导致的滑移在薄膜表面形成平行的起皱图案（体材料在机械疲劳载荷作用下的挤出和挤入机制，在这些起皱位置由于引线横截面积的突然减少将会导致局部电流过载引起焦耳热而导致引线熔断失效）。显然，较大尺寸的引线（含有较大的晶粒）破坏过程由位错作用控制。而在本文的实验中由于引线细而薄，使得引线结构中晶粒尺度减小，其疲劳行为受扩散机制以及界面特性控制，而不是位错滑移机制控制。即损伤可能在膜基界面形核（由于纳米晶粒的高强度很难在纳米晶薄膜上形成裂纹，且金薄膜和SiO2 界面为弱结合界面），一旦局部界面脱粘，由电流诱导的边界或界面扩散将进一步加速界面脱粘，最终将在压-压疲劳驱动下形成局部跨线宽损伤区域，导致焦耳热熔断引线形成开路失效。另外从引线失效显微图看到，三个线宽的引线疲劳损伤失效机制一致。在焦耳热导致的高温区晶界消失成流动状态。由于失效过程为瞬态行为，失效区域由于高温熔融，实验还无法观察损伤前该区域的形貌特性。
键合应力过大造成的失效
键合应力过小会造成键合不牢，键合应力过大会影响键合点的机械性能。应力大不仅会造成键合点根部损伤，引起键合点根部断裂失效，而且还会损伤键合点下的芯片材料，甚至出现 裂缝等情况。这种损伤有时是肉眼可见的凹痕，更多是不可见的材料结构损伤，这种损伤将降低器件性能并引发电损伤。其产生原因如下： （1）声波能量过高导致Si晶格层错 ； （2）楔键合时键合力过高或过低；
（3）球键合时焊球太小致使坚硬的键合工具接触到了焊盘金属 化层； （4）焊盘厚度太薄；
（5）Al丝超声波键合时金属丝太硬可能导致Si片出坑。
引线键合材料 焊接工具
焊接工具负责固定引线、传递压力和超声能量、拉弧等作用。楔键合所使用的焊接工具叫楔形劈刀，通常是钨碳或者是碳钛合金，在劈刀尾部有个呈一定角度的进丝孔；球键合使用的工具称为毛细管劈刀，它是一种轴形对称的带有垂直方向的孔的陶瓷工具。劈刀尺寸影响键合质量和生产稳定性。Zhong 等人 用激光干涉仪测量了劈刀内超声振动的放大轮廓，在球键合形同的工艺参数下，对比分析了细颈劈刀与传统劈刀的超声传导差异。 引线材料
Au丝：键合后不需密闭封装。表面清洁度是保证可靠连接和防止劈刀堵塞的重要因素。Au丝应具有适当拉伸强度和延伸率。高纯Au丝非常柔软，需要加入微量合金元素以来提高其强度和再结晶温度，改善其可加工性。不同微量元素对金属丝的机械性质、焊球形状、弓丝弧度、尾丝余量都有不同程度的影响。
Al丝：其键合成本和温度较低。纯Al丝过于柔软而不能拉伸成精细的丝状。通常添加质量分数为1%的Si或者1%的Mg以来合金强化。
Au-Al系：是引线键合中最广泛使用的系统。但这一系统也会导致行程Au-Al金属间化合物和柯肯道尔空洞，而且其形成随温度和时间的增加而加速。Murali等人研究了在热超声键合的热老化中引线尺寸对金属间化合物和柯肯道尔空洞形成的影响。Ji等人对比分析了在热老化过程中超声Au丝和超声Al丝楔键合分离界面的不同变化。
实际晶体中的原子排列并不是完全理想状态，其中存在有许多类型不同的缺陷。尽管这些缺陷很少，可能在1010个原子中只有1个脱离其平衡位置，但这些缺陷极为重要。材料的缺陷可用来解释半导体的行为、金属的延展性、金属的强化、固体中的扩散等。 按照几何特征，晶体中的缺陷可分为点缺陷（包括空位和间隙原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（包括晶界和亚晶界）。 柯肯达尔效应（kirkendall effect）原来是指两种扩散速
率不同的金属在扩散过程中会形成缺陷，现已
成为中空纳米颗粒的一种制备方法。可以作为固态物质中一种扩散现象的描述。 详情：碳在铁中的扩散是间隙型溶质原子的扩散，在这种情况下可以不涉
及溶剂铁原子的扩散，因为铁原子扩散速率与原子直径都较小，对较易迁移的碳原子的扩散速率比较而言可以忽略的。然而对于置换型溶质原子的扩散，由于溶剂与溶质原子的半径相差不会很大，原子扩散时必须与相邻原子间作置换，两者的可动性大致趋于同一数量级，因此，必须考虑溶质和溶剂原子不同的扩散速率，这首先是被柯肯达尔（kirkendall）等人证实。1947年，他们设计了一个试验，在质量分数为30%的黄铜块上镀一层铜，并在铜和黄铜界面上预先放两排Mo丝。将该样品经过785℃扩散退火56d后，发现上下两排Mo丝的距离L减小了0.25mm，并且在黄铜上留有一些小洞。假如Cu和Zn的扩散系数相等，那么以原Mo丝平面为分界面，两侧进行的是
等量的Cu和Zn原子互换，考虑到Zn的原子尺寸大于Cu原子，Zn的外移会导致Mo丝（标记面）向黄铜一侧移动，但经计算移动量仅为观察值的1/10左右。由此可见，两种原子尺寸的差异不是Mo丝移动的主要原因，这只能是在退火时，因Cu，Zn两种原子的扩散速率不同，导致了由黄铜中扩散出的Zn的通量大于铜原子扩散进入的通量。这种不等量扩散导致Mo丝移动的现象称为Kirkendall Effect（柯肯达尔效应）。以后，又发现了多种置换型扩散偶中都有柯肯达尔效应，例如，Ag-Au，Ag-Cu,Au-Ni,Cu-Al,Cu-Sn及Ti-Mo。
键合引线材料的选用
1、对引线材料的要求 （1）导电性能好
一般压力传感器的激励电流是毫安量级，引线直径仅几十微米，电流密度可以达到500A/cm以上。直径越细，单位长度的电阻越大。电阻引起导线发热，当电流密度很高，温度超过引线材料的熔点后便会引起它的熔断。对于一定直径的键合引线，通常用单位长度的阻值和熔断电流来衡量导电性能的好坏。金和铝是导电性能很好的材料，做用作引线。 （2）化学稳定性好
压力传感器适用于湿的或油气、酸性或碱性的环境中，因此要求引线的化学稳定性好。金是最稳定的。铝因为表面形成致密的氧化膜后不再继续氧化，也是比较稳定的。 （3）机械强度高
机械强度之所以重要在于两方面：一是引线过程给金属丝一个拉力，线丝不能断裂；二是线丝在器件中是悬空的，要承受自身的重量，抗弯性能不好的话就会耸拉下来。机械强度除与材料本身有关外，还与线丝的直径、加工硬化程度和有未退火有关。铝中加入1％的硅后，其抗拉强度比纯铝高4～5倍。 （4）加工性能好（延展性好）
引线时用的是很细的金属丝，一般由拉丝形成。因此线丝材料应有很好的延展性。拉丝时会发生加工硬化，即变硬﹑变脆，继续延伸变得困难，因此丝越细延展性越小，经过退火后这种情况有所改善。铝的延展性是相当好的。无论是金还是铝，拉至25?m直径以下时，延伸率就降得很低。对于铝来说，表面是高熔点且坚硬的氧化膜，加工至50?m以下是困难的。一般加工时，先在铝丝上包一层铜，然后拉丝，便可得到25?m的细丝。
2、各种引线材料间键合效果的比较
除了Al、Au作为引线材料外，目前随着集成电路向超大规模方向发展，以Cu代Al是必然的趋势。而且传感器用的印刷电路板通常都在铜条上镀Ni，这就涉及到多种材料的键合接触。下面介绍传感器中经常遇到的各种引线材料之间的接触。 (1). Au-Au系统
可靠性非常好，没有界面腐蚀、金属间化合物形成等问题。既可热压键合也可超声键合，最好在一定温度下进行Au丝键合。在焊丝头上形成一熔化的Au球，利用熔球进行键合。但热压键合的可键合性强烈取决于芯片表面的清洁程度。 (2). Al-Al系统
无金属间化合物和腐蚀问题，是相当可靠的键合。热压时有大的形变，最好采用超声波键合工艺。 (3 ). Au-Ag系统
在高温下长期工作稳定可靠，没有金属间化合物和界面腐蚀等问题，Au丝与镀Ag引线框架的键合已成功应用多年。如果Ag搭接片被硫化物污染严重，则键合困难。在250℃以上键合，可使AgS分解。
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(4). Al-Ni系统
Al-Ni很易键合，在一些环境下比Al-Au系统更为可靠。采用大直径Al丝(大于75?m)的Al-Ni键合不容易产生克氏（Kirkendall）空洞，在功率器件和高温使用条件下，该系统已有超过25年的应用历史。由于Ni表面易氧化，可键合性问题超过可靠性问题。因此镀Ni后应在惰性气氛保护下迅速键合或在键合前化学清洗。
(5). Au－Al系统
Au－Al系统是引线键合中使用最为广泛的系统。200℃下700h后Au－Al这一系统将不可避免地导致形成Au－Al金属间化合物和克氏（Kirkendall）空洞，而且其形成随温度和时间的增加而加速。Au－Al系统共存在5种金属间化合物形式。键合初期，即使在室温下，Au－Al界面处也会率先形成AuAl2化合物。因此这一系统通常存在可靠性问题，称为“紫色瘟疫”。Al-Au之间溅射一层TiN、TiW势垒层可防止Al-Au反应及“瘟疫”的产生。我们发现超过350℃退火，势垒作用消失，接触电阻猛增。 (6). Au－Cu系统
Au丝与Cu引线框架的键合会导致3种延展性金属间化合物（Cu3Au、AuCu和Au3Cu）的形成，其激活能均在0.8eV～1eV之间。在200℃～325℃的高温下，由于克氏（Kiekendall）空洞效应，这些金属间化合物的形成将降低键合强度。100℃下有5h寿命。Au-Cu系统键合时表面的清洁度非常重要。另外，如果芯片粘接时采用聚合物材料，该聚合物必须在惰性气氛下固化以防止氧化。 (7). Al-Ag系统
厚膜混装电路中通常采用Al丝与镀Ag引线框架（Ag-Pt或Ag-Pd合金）的键合。Ag-Al相图非常复杂，有多种金属间化合物形式并可能形成克氏（Kiekendall）空洞，但其形成温度一般高于微电路的工作温度。实际上Al-Ag键合系统很少采用，因为容易发生互扩散且受潮解腐蚀。Cl是最主要的腐蚀性元素。用氨水清洗可提高可靠性。汽车电子混装电路中通常采用大直径的Al丝与Pd-Ag厚膜键合。此时键合表面必须用溶剂清洗，而后再用去离子水清洗并监测电阻率。该种混合电路还需要覆盖硅树脂胶做进一步保护。 三、线的可靠性与可键合性问题
引线的键合与通常的焊接在概念上是有区别的。后者一般涉及到材料的熔化，有明显的冶金学效应。键合过程虽然无明显的熔化现象，但也出现与冶金学有关的效应。
引线连接的最关键问题是可键合性与可靠性。可键合性是指两种金属依靠一定键合工艺使它们结合起来的能力。连接应有一定的强度，使用较长时间后不会脱开。可靠性是指引线结合处在一定的环境（温度、湿度、气氛）下在结合处因产生界面层或空洞、裂纹而导致连接失效。可能影响引线键合可靠性的因素主要有：
1、原子的互扩散与金属间化合物的形成
不同材料相接触时，原子间便会相互扩散。一般在200℃以上便可出现原子间互扩散。金属原子互扩散的结果是形成金属间化合物。甚至在室温下便可形成金属间化合物。这种化合物往往不遵守原子价结合规律，通常形成有序固溶体，即一定原子处于晶格中一定位置，因而原子数有一定比例。在相图中处在一定位置上。金属间化合物有的延展性好，有的却很脆，影响可键合性。 2、克氏空洞的形成
在金属间化合物形成的同时会发射空位。空位又可以集结在一起在键合处凝聚成空洞。不仅降低了键合的强度，而且减少了可利用的有效通电流面积，必然引起接触电阻增加。因为表观接触面不变，这相当于接触电阻率增加。 3、固相沉淀物的形成
固相反应除了生成金属间化合物外，往往导致某种元素发生偏析，甚至当浓度超过一定极限时会出现沉淀，如Co/Si0.8Ge0.2键合连接时形成CoSi2相，因硅的失去从而致Ge偏析，乃至沉淀。 4、界面上绝缘层或缺陷的形成
在芯片上键合区光刻胶或窗口钝化膜未去除干净，可形成绝缘层。金属间键合接触时，在有氧、氯、硫、水汽的环境下，金属往往与这些气体反应生成氧化物、硫化物等绝缘夹层或受氯的腐蚀，导致接触电阻增加，从而使键合可靠性降低。另外，在键合处也会产生某种缺陷，如Al-Si接触时的所谓钉子缺陷，会引起漏电。 5、接触势垒
由于不同金属的电子逸出功（功函数）不同，会导致接触处能带发生弯曲，从而出现肖特基势垒，电流的正反方向表现不同的特性。这一势垒越低，则欧姆特性越好。引线间键合接触时通常希望是欧姆特性。引线孔附近的半导体层都应是重掺的。 6、表面沾污，原子不能互扩散
包括芯片、管壳、劈刀、金丝、镊子、钨针，各个环节均可能造成沾污。外界环境净化度不够，人体净化不良，芯片、管壳等未及时处理干净，都会影响键合的可靠性。 7、引线材料间的电极电位差别
金属电极电位的差别也会影响金属之间键合是否可靠。金属的电极电位相接近的比较容易键合，相差较远时由于原电池作用强烈不易键合。表1给出了各金属的电极电位。
由表1看出，Al－Al、Al－Ni、Al－Cu、键合都是非常容易的。而Al-Ag、Cu-Sn、Al-Sn等在常温下不易键合，我们选择Al丝引线，镀镍的印刷线路板，芯片上为铝电极，即为Al-Ni，Al-Al键合可靠。
四、 压力传感器的引线键合工艺