銅絲球鍵合工藝及可靠性機理

魯 凱，任春嶺，高娜燕，丁榮崢

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

1 引言

隨著微電子集成電路線寬尺寸不斷縮小的發(fā)展趨勢，與之相應(yīng)的芯片封裝密度也在不斷提高，封裝技術(shù)也在一直不斷創(chuàng)新。傳統(tǒng)的引線鍵合技術(shù)由于成熟穩(wěn)定，直到今天仍是芯片內(nèi)連技術(shù)的主流，大約承擔了所有IC電互連約95%的鍵合任務(wù)。但是隨著芯片焊盤間距和特征線寬的不斷下降，引線鍵合技術(shù)中所采用的傳統(tǒng)的金絲和鋁絲已經(jīng)在導電和導熱性能上逐步趨近于極限。表1為2010年封裝技術(shù)預(yù)測指標。

從表1可以看出，微電子封裝的密度正在上升到一個新的階段。鑒于以上趨勢，早在2003年國際半導體技術(shù)指南（ITRS）中指出：采用銅絲代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金絲球焊和直接在銅焊盤上絲焊是近期電子封裝技術(shù)面臨的困難與挑戰(zhàn)之一。銅絲球焊由于其價格和性能上的優(yōu)勢，其發(fā)展致力于取代金絲球焊。目前為止已有很多研究人員對其進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)銅絲鍵合雖然擁有廣闊的應(yīng)用前景，但由于銅易氧化及硬度高，需要多方面協(xié)調(diào)來解決問題。

2 材料性能

對于鍵合絲來說，最為廣泛采用的是金絲和鋁絲，但是由于銅金屬化層與傳統(tǒng)鋁金屬化層相比具有更為出色的電學性能，芯片制造中銅金屬化技術(shù)正受到重視。同時銅絲球鍵合技術(shù)也受到了廣泛的關(guān)注和研究[1～4]。

眾多研究結(jié)果表明，通過傳統(tǒng)的絲球焊加工方法，銅絲完全可以達到甚至超過金絲球焊的效果。鑒于銅絲球鍵合和金絲球鍵合工藝過程基本相同，目前市場上并沒有開發(fā)出相應(yīng)的銅絲球鍵合專用設(shè)備，一般采用金絲球鍵合設(shè)備附加氣體保護裝置進行銅絲球鍵合。銅絲球焊應(yīng)用所產(chǎn)生的相應(yīng)問題歸根結(jié)底是由材料性質(zhì)的差異引起的，表2是銅和金物理性質(zhì)方面的差異比較。

由表2可以看出，在機械性能方面，銅材料的拉伸強度比金高，延展率接近金。用于引線鍵合的銅絲和金絲都是經(jīng)過退火處理、純度為99.99%或者更高的絲線，處理后的銅絲所表現(xiàn)出來的拉伸強度和延展率與金絲相當。研究證明采用銅絲所得到的鍵合點強度要高于金絲鍵合強度：直徑為25 μm的銅絲獲得的鍵合點剪切強度平均為85g～110g，抗拉強度平均為11g～13g，兩項數(shù)據(jù)均優(yōu)于金絲鍵合點30%～40%；另外，銅絲較強的抗拉強度可以使絲線直徑變得更細，焊盤尺寸和焊盤間距也能相應(yīng)減小，有利于提高芯片I/O密度；同時高強度的銅絲可以進行大跨度鍵合，并能在一定程度上阻止絲擺和機械沖擊引起的短路。隨著封裝密度的不斷提高，鍵合點球頸處的細微缺陷對焊點可靠性的影響也變得越來越顯著。研究表明，銅球焊點具有優(yōu)異的球頸強度，且拉弧穩(wěn)定性高，可以有效防止球頸處斷裂，從而增加焊點可靠性，但是銅球的高硬度也會帶來很多問題。一般來說，焊球硬度與焊盤越匹配越好，但目前常規(guī)焊盤材料為鋁，銅與鋁的硬度不匹配會造成鋁層被嚴重擠壓或出現(xiàn)芯片彈坑，同時由于銅硬度比金高，銅絲第二鍵合點的形成難度要比金絲第二鍵合點難，并且會進一步影響到第二順序鍵合點的性能。因此在選用銅絲作為鍵合引線時，必須解決高硬度帶來的問題。

從表2可看出，在電學和熱學性能上，金電導率為0.42（μΩ/cm）-1，而銅電導率為0.62（μΩ/cm）-1，比金大33%左右；另外銅絲熱導率也比金絲有較大的提高。因此銅絲鍵合不僅可以應(yīng)用于對電流負載要求較高的功率器件的制造，而且可以使高密度封裝時的散熱更為容易。

銅絲取代金絲的另一個重要原因就是成本低。如果按直徑50 μm，長度為1km金絲的價格為600$計算，則相同尺寸的銅絲價格僅為金絲的1/20。

3 銅引線鍵合工藝技術(shù)

3.1 防氧化

目前銅引線鍵合工藝并沒有開發(fā)出相應(yīng)的專用鍵合設(shè)備，業(yè)內(nèi)主要采用加以改進的金絲球焊設(shè)備。為了防止銅絲鍵合過程中的氧化，銅絲鍵合設(shè)備須添加專用的防氧化裝置，通常使用N2/H2混合氣體進行保護。保護氣體主要成分為95%N2/5%H2。圖1是K&S公司專用的銅絲鍵合防氧化裝置及示意圖。

但銅絲鍵合工藝過程仍不能完全避免銅氧化。Wai.Lam等人[5]研究表明銅絲表面狀況（包括氧化、表面粗糙度等）對第二焊點抗拉強度有著明顯的影響。試驗發(fā)現(xiàn)氧化程度越高，鍵合絲抗拉強度越小，如果氧化過于嚴重則會造成虛焊。該研究還發(fā)現(xiàn)焊點位置以及超聲振動方向也對焊點強度產(chǎn)生一定的影響。一般認為銅焊盤上氧化物厚度如果在5nm以下，對鍵合效果沒有顯著影響，但是當氧化物層厚度超過5nm則會嚴重影響焊點鍵合性能。這主要是由于鍵合過程中，超聲和壓力的塑性變形作用不能使氧化膜擠壓出焊點鍵合區(qū)域，較大程度減少了純凈金屬間的接觸，當氧化較為嚴重時，則會出現(xiàn)第二鍵合點失效等問題。Hong.Meng.Ho等人[6]的研究表明銅焊盤上氧化物優(yōu)先在晶界節(jié)點和邊界處生長。對于銅焊盤上氧化物層的去除，一方面可以通過氣體保護盡量減緩氧化，另一方面可以通過保護氣體等離子清洗去除。燒球過程中銅氧化物的存在不但會影響到鍵合效果，同時也會影響銅球硬度。Caers等人[7]認為銅絲球鍵合工藝對氧化物的敏感程度要高于鋁絲楔焊和金絲球焊，在銅絲形球過程中，銅氧化物融入到銅球中，會使銅球硬度上升，在銅球受到擠壓變形時需要施加更大的壓力，從而有可能引起硅片損傷，并且銅球硬度的上升也阻礙了銅球塑性變形。

3.2 工藝參數(shù)

與金絲球鍵合相比，銅絲球鍵合工藝參數(shù)窗口較小，工藝穩(wěn)定性不高，因此銅絲球鍵合工藝參數(shù)優(yōu)化和選擇顯得更為重要。目前有很多學者對銅絲球鍵合工藝參數(shù)進行了研究。研究人員對鍵合壓力、鍵合溫度及鍵合時間通過試驗設(shè)計分析認為，采用較高的壓力和溫度可獲得高強度焊點，但壓力過大會造成芯片彈坑和金屬化層擠壓嚴重。鍵合時間的加長有利于銅絲表面氧化物的去除，長時間超聲振動會使焊點變形加大，同時使氧化膜部分擠出，從而鍵合效果得到加強，但是會影響到焊點外觀也不利于量產(chǎn)，因此應(yīng)綜合考慮以確定最佳鍵合時間。不同的超聲能量會對焊點剪切強度產(chǎn)生較大影響，但是與金絲球焊相比，其影響并沒有后者顯著。另外較低的鍵合溫度將不能保證焊點的結(jié)合強度。通過實驗還發(fā)現(xiàn)，由于銅球硬度較高，在剪切試驗時，焊盤金屬化層會隨著銅球焊點的脫落而部分脫落，脫落區(qū)域面積取決于金屬化層厚度、工藝參數(shù)和所使用芯片金屬化層種類。

Luu T. Nguyen[8]認為銅絲球鍵合主要依靠超聲能量來去除氧化膜，但如果超聲能量過大會造成芯片損傷破裂，如果超聲能量過小，則氧化物去除不充分，將形成虛焊。為了更為有效地去除氧化膜，他們提出了采用兩階段超聲施加方式來解決這一問題，如圖2所示：第一階段的超聲能量主要用于去除氧化膜，而第二階段的超聲能量主要用來進行鍵合，且能量約為第一階段的30%～50%。實驗發(fā)現(xiàn)采用這種方式進行鍵合能取得較為理想的結(jié)果，同時還發(fā)現(xiàn)焊點剪切強度與第一階段的超聲能量有直接關(guān)系，與第二階段關(guān)系不大。同時通過實驗發(fā)現(xiàn)，鍵合壓力對芯片的損傷程度大于超聲能量對芯片損傷。如果在超聲振動初期不施加一個較大的壓力來固定焊點使銅球發(fā)生充分變形，那么將更容易使芯片上產(chǎn)生彈坑。因此，在超聲施加之前需要一個較大的壓力來使銅球充分變形，在鍵合超聲施加后必須減小鍵合壓力來減輕芯片損傷。實驗發(fā)現(xiàn)這兩個階段的壓力之比在2～4:1左右比較合適。從銅球變形模擬模型來看，鍵合后最大應(yīng)力在銅球的邊緣區(qū)域，事實也證明在該區(qū)域最容易出現(xiàn)彈坑。另外焊盤上金屬化層厚度越大，芯片上壓應(yīng)力將會越小，這說明在銅球和SiO2之間的鋁金屬化層對銅球鍵合所帶來的沖擊起到一定的緩沖作用。

超聲能量又可細分為超聲頻率和超聲振幅。超聲頻率和振幅會對焊點性能產(chǎn)生不同程度的影響。目前鋁絲鍵合所采用的超聲頻率多為60kHz，金絲鍵合所采用的超聲頻率多為120kHz，這主要是根據(jù)幾十年以前的工藝參數(shù)所定的。另外也有使用低于0.1kHz和高于1MHz超聲的相關(guān)報道。研究認為，采用高頻超聲可以在較低溫度下經(jīng)過較短時間完成可靠的連接過程，并且可以改善鍵合效果。從鍵合點外觀看，超聲頻率越大，焊點尺寸越大，也就是說金屬發(fā)生塑性變形的能力越強。

一直以來研究人員通過研究超聲對金屬塑性變形作用發(fā)現(xiàn)，超聲對金屬的作用有兩種：一種是超聲軟化作用，另一種是超聲作用過后對金屬的加工硬化作用。他們通過對高純鋁單晶的實驗研究發(fā)現(xiàn)，超聲振動和外界溫度都能促進金屬塑性變形能力，但其原理是不一樣的：超聲振動在傳播時能被金屬內(nèi)部的位錯吸收，并且超聲能量只會在能發(fā)生塑性變形的晶界處被吸收[9]，從而激發(fā)金屬內(nèi)部位錯的移動，因此超聲對金屬有軟化作用且效果較為明顯；外界溫度對金屬的軟化作用沒有超聲作用明顯，主要是因為溫度所產(chǎn)生的熱量是均勻分布在晶體內(nèi)部，從而對塑性變形影響較小。超聲的另一個作用是在超聲施加后會產(chǎn)生加工硬化，而熱作用后一般只會產(chǎn)生永久的軟化。正是因為超聲的這種特殊作用機制使得采用不同頻率的超聲所引起的軟化程度有所不同。Charles等人[10]采用60kHz和100kHz的超聲頻率進行了鍵合對比試驗發(fā)現(xiàn)，在金焊盤和純鋁焊盤上采用100kHz的超聲頻率所獲得的焊點強度遠大于采用60kHz超聲頻率時的焊點強度，而60kHz超聲時的工藝參數(shù)窗口要大于100kHz時的工藝參數(shù)窗口，但100kHz超聲頻率下的明顯優(yōu)勢是可以使鍵合時間降低20%～60%而保持剪切強度不變，特別是在軟焊盤上這種優(yōu)勢更為明顯。

3.3 晶粒方面

金屬內(nèi)部的晶粒大小對其硬度有著直接的影響。因此，為了降低銅絲球焊點的硬度，采用合適的燒球工藝參數(shù)來改變銅絲熱影響區(qū)及銅球內(nèi)部的晶粒大小對提高鍵合性能有著重要的作用。

Caers等人[7]認為，銅絲內(nèi)部晶粒尺寸與絲線直徑之間的比例會影響到第二焊點形狀，他們通過高溫回火處理使銅絲內(nèi)部組織發(fā)生重結(jié)晶來軟化銅絲，研究發(fā)現(xiàn)，如果銅絲在重結(jié)晶過程中形成的晶粒尺寸與絲徑尺寸相差不多，那么其機械性能和未回火的銅絲相近。一般認為好的熱處理過的銅絲在絲徑尺寸內(nèi)有數(shù)個晶粒組織并相互交錯，這樣的組織在第二焊點鍵合時可獲得可靠的連接效果。

銅是面心立方體結(jié)構(gòu)，在結(jié)晶過程中晶粒生長沿[001]方向，具有12個滑移系，且在應(yīng)力方向上很容易發(fā)生滑移。鍵合時由于超聲和壓力的作用銅球會迅速發(fā)生變形。由于金屬塑性變形主要是通過滑移及孿生等方式進行的，因此在銅絲鍵合之后必然會在焊點內(nèi)部出現(xiàn)位錯墻、微滑移帶、亞晶等缺陷和變形組織。Srikanth[11]通過對不同直徑銅絲球焊點截面分析發(fā)現(xiàn)，由于燒球過程中保護氣體的對流散熱作用，銅球在結(jié)晶過程中會從球底部向球徑處生長出柱狀晶，而靠近銅球的銅絲有明顯的再結(jié)晶跡象，如圖3（a）所示。而在鍵合后，焊點內(nèi)的柱狀晶粒在超聲和壓力的作用下發(fā)生了較為嚴重的變形，而在每個晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了蜂窩狀的晶苞和疲勞紋狀的滑移帶，如圖3（b）所示。

Hansen[12]研究了包括銅在內(nèi)的多晶面心立方材料在冷變形過程中的顯微組織變化。研究發(fā)現(xiàn)，即使只有更少的滑移系（少于5個），在一個晶粒內(nèi)仍然會發(fā)生以滑移帶的方式進行的塑性變形。晶粒尺寸D*可以通過下面的經(jīng)驗公式表示：

式中K是常量，G是剪切模量，b是伯格斯矢量，τ是流動應(yīng)力，τ0是摩擦應(yīng)力。其中，流動應(yīng)力與單位面積上施加的超聲能量成正比。

另外，銅發(fā)生孿晶變形的臨界應(yīng)力受多個參數(shù)控制：溫度、變形率、晶粒尺寸以及堆垛層錯能。孿生生長所需的應(yīng)力是成核應(yīng)力的一部分，這是因為孿生基本上是克服障礙且與滑移相關(guān)的塑性流。從Hall-Petch關(guān)系；

式中σ是應(yīng)力，σ0是摩擦應(yīng)力（firction stress），d是平均晶粒尺寸。常量k，即Hall-Petch斜率，對純銅孿生而言取0.7MN/m3/2，對滑移而言取0.35MN/m3/2。因此，在銅體系中發(fā)生孿生要比滑移困難。

4 銅絲球焊互連可靠性研究

4.1 金屬間化合物

在引線鍵合技術(shù)中為了達到有效的鍵合強度，必須使引線材料和焊盤之間達到潔凈原子間的接觸。引線材料和焊盤達到原子間接觸后由于材料的不同，一般會在界面處生成金屬間化合物（IMC）。金屬間化合物的適度生長會使焊點界面合金化從而有效增加焊點的結(jié)合強度。但是，IMC的過量生長會導致焊點失效。

目前，對于金絲鋁焊盤引線鍵合中IMC生長導致的紫斑（AuAl2）和白斑（Au2Al）等問題已經(jīng)得到了業(yè)界廣泛的關(guān)注。銅絲鋁焊盤引線鍵合焊點內(nèi)部的IMC生長問題也已經(jīng)得到一定程度的研究。一般來說，銅/鋁間擴散速度要比金/鋁間擴散速度低的多，金球焊點比銅球焊點更易形成柯肯德爾孔洞。原因有兩個：首先，銅原子激活能大于金原子，銅原子之間的原子間距比金小，因此需要更多的能量克服原子間的束縛力實現(xiàn)擴散；銅鋁之間的擴散類似于置換式擴散，需要更多的能量，而金鋁之間的主要擴散形式則是需要能量相對較小的間隙式擴散。許多研究人員通過對宏觀Cu/Al界面的擴散試驗發(fā)現(xiàn)，在150℃～300℃之間，從鋁到銅，金屬間化合物的主要成分依次是：CuAl2、CuAl、Cu4Al3、Cu3Al2、Cu9Al4等[13]。圖4是銅鋁相圖。

Hyoung-Joon. Kim等人[14]通過對銅絲球焊中銅鋁金屬間化合物研究發(fā)現(xiàn)，由于焊盤上鋁層較薄，在高溫存儲時生成的IMC主要是CuAl2、CuAl、Cu9Al4這三種，但要區(qū)分各成分是比較困難的。有研究表明[15]，影響IMC生成的主要因素有原子尺寸、電負性、原子序數(shù)、結(jié)合能量等。而結(jié)合能量主要表現(xiàn)為金屬的熔點，Cu、Al、Au三種金屬熔點相近，故結(jié)合能量對金屬間化合物的形成不起重要作用。另外，Cu、Al、Au三種金屬的原子序數(shù)相近，從固溶性的角度出發(fā)，一般認為原子序數(shù)對金屬間化合物生成的影響不大?？傮w來說影響金屬間化合物生成的主要因素是原子尺寸和負電性。由于Cu、Al、Au都是面心立方體結(jié)構(gòu)，它們都不能阻礙原子移動，所以在Cu-Al及Au-Al之間都存在完全固態(tài)可溶性的可能。Hume-Rothery理論認為原子尺寸大小、電化學性、電子價態(tài)等共同決定了原子的可溶性。盡管三種金屬的結(jié)構(gòu)相同，但是銅和鋁原子尺寸相差甚遠，鋁原子半徑的滲入會破壞銅原子排列陣列。金、鋁原子陣列不匹配度為-0.7%，而銅、鋁原子陣列不匹配度為+10.7%，因此鋁原子可以輕易進入金原子的陣列，而不能輕易進入銅原子的陣列中去。Hume-Rothery理論認為只要不匹配度在±15%以內(nèi)都可以固溶，因此原子半徑差異是影響金屬的固溶性的因素之一，但不是必要因素。負電性方面，金原子的負電性要比銅原子高，約為鋁原子的兩倍，而負電性決定了原子的化學親和力，因此鋁原子可以比較容易在金原子中溶解。綜上，原子半徑大小和負電性差都有利于鋁在金中的固溶，而不能在銅原子中很好的固溶，因此Au-Al之間更易形成金屬間化合物，并且Au-Al之間形成的化合物要比Cu-Al化合物穩(wěn)定。

4.2 失效模式

為了解銅絲球鍵合點在器件使用過程中性能變化情況，很多研究人員通過加速壽命試驗對焊點界面IMC生長情況及失效模式進行了分析。Hyoung-Joon. Kim[16]通過對鍵合焊點進行不同溫度的高溫存貯，并進行老化試驗發(fā)現(xiàn)：不同老化溫度和時間的焊點的剪切強度變化有所不同，并且剪切失效模式也有差異。一般球鍵合點的剪切失效模式一般可分為三種：粘接失效、界面失效和球內(nèi)斷裂，如圖5所示。

在150℃時，隨著老化時間的增加，剪切后焊盤上銅球殘余越來越多，而且焊盤上仍然有大量鋁存在，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)在這種條件下Cu/Al的IMC很難生成，即使生成，量也是很小的，IMC的不足導致焊點強度較低，因此在剪切時會在界面處斷裂，如圖5（a）所示，這種失效模式稱為粘接失效。隨著老化時間的增長，界面開始反應(yīng)，所以老化時間越長，焊盤上的銅殘留越多。當老化溫度上升到250℃時，焊盤上的鋁明顯減少，同時研究發(fā)現(xiàn)鋁層下面SiO2發(fā)生了增長，時間越長，增長越嚴重。由于鋁層較薄，在250℃老化條件下，銅和鋁的相互擴散速度增大，經(jīng)過一段時間后鋁層將被消耗掉，導致IMC直接與SiO2接觸，而這種界面強度要明顯低于Cu-Al界面強度，從而形成如圖5（b）所示的界面失效模式。當在300℃老化條件下，老化25h之前界面失效類似于250℃時的情況，老化時間為100h后失效將發(fā)生在銅球內(nèi)部，形成球內(nèi)斷裂失效模式，這主要是因為在較高的溫度下，銅球內(nèi)部發(fā)生了重結(jié)晶，改變了銅球內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，使銅球發(fā)生了軟化，故剪切試驗時失效模式為球內(nèi)斷裂。

5 其他

近年來，由于銅絲在機械性能、電學性能及IMC生長穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢及芯片銅焊盤技術(shù)的發(fā)展，銅引線框架、基板覆銅工藝及銅絲球鍵合已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注和研究。隨著微電子封裝集成度的不斷提高，相應(yīng)的封裝過程中需要更小尺寸的焊盤結(jié)構(gòu)和焊點形態(tài)。由于楔焊過程是冷壓超聲焊，不需要燒球，縮短了焊點尺寸，縮短了鍵合工藝時間，因此更有利于在高密度、細間距封裝中應(yīng)用。除銅絲球鍵合工藝以外，銅絲楔焊也正受到半導體封裝行業(yè)研究領(lǐng)域關(guān)注。銅絲楔焊過程中所遇到的一系列問題也有待進一步的解決。

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