高溫老化期間引線鍵合空洞形成探討

楊建生

（天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000）

1 引言

在半導(dǎo)體生產(chǎn)中廣泛使用金絲壓焊到鋁焊盤的工藝技術(shù)，已出版的大量刊物報(bào)道了有關(guān)金-鋁壓焊的狀況。隨著電子封裝先進(jìn)工藝技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了更小的半導(dǎo)體產(chǎn)品，鋁焊盤和金絲尺寸逐漸縮小，對(duì)金-鋁壓焊強(qiáng)度的可靠性要求越來越高。通過檢查壓焊失效機(jī)理，詳細(xì)評(píng)定微型結(jié)構(gòu)，可有效提高壓焊可靠性。

在金-鋁金屬間化合物相中形成的空洞，降低了引線鍵合的長(zhǎng)期可靠性，通常壓焊失效的原因是穿過金屬間化合物相層的金原子和鋁原子不同的擴(kuò)散產(chǎn)生的。對(duì)壓焊失效機(jī)理研討的傳統(tǒng)試驗(yàn)方法，就是采用對(duì)器件的高溫老化、斷面金相檢查和開封來檢查金屬間剖面。

在本文中，把金-鋁壓焊空洞分為三種類型：初始空洞、環(huán)形空洞和微小空洞[1]。通過系列引線鍵合微結(jié)構(gòu)探討，研判空洞形成機(jī)理。

2 試驗(yàn)程序

2.1 材料

使用4N級(jí)（金＞99.99%）、直徑為25 μm的金絲，把試驗(yàn)芯片粘貼到銅類引線框架上，壓焊焊盤金屬化結(jié)構(gòu)層是在薄的鈦層上具有大約1 μm厚的鋁層（Al1%Si0.5%Cu）。使用K&S型1488鍵合機(jī)壓焊樣品，使壓焊工藝參數(shù)最佳化并采用球剪切試驗(yàn)，進(jìn)行球尺寸和正常生產(chǎn)過程中別的相關(guān)檢查來核查[3]。把壓焊樣品用適合的模塑料密封。模塑料應(yīng)選擇低應(yīng)力產(chǎn)品，老化處理溫度為155 ℃、165 ℃、175 ℃、195 ℃和205 ℃。依據(jù)老化處理溫度，從1 h到3 000 h檢查樣品[4]。

2.2 分析方法

把樣品安裝并接地以便揭示球焊接狀況，對(duì)金相檢查而言，首先把樣品與各種SiC磨料接地，接著用3 μm 和1 μm磨料鉆石膏進(jìn)行拋光，在擴(kuò)散層中集中，用電子探針微分析儀（EPMA）檢查金屬間相[4]。

3 結(jié)果與討論

3.1 初始空洞形成的機(jī)理

初始空洞主要出現(xiàn)在絲焊前鋁焊盤上無源區(qū)域。由于較厚的氧化鋁或化學(xué)殘余物造成的鋁焊盤雜質(zhì)可形成無源區(qū)域，超過20 nm厚的氧化物膜阻礙焊接接觸并導(dǎo)致弱的壓焊質(zhì)量。對(duì)要求金和鋁內(nèi)部擴(kuò)散的表面擴(kuò)散路徑而言，無源區(qū)域發(fā)揮著局部擴(kuò)散阻擋作用（如圖1所示）。在無源區(qū)域下面形成的金屬互化層比正常區(qū)域更薄，初始空洞形成于其上（如圖2所示）。初始空洞的又一來源是為了驗(yàn)證IC芯片功能，集成電路測(cè)試試驗(yàn)后留在每個(gè)鋁焊盤上的探測(cè)標(biāo)記[2]。

圖1 無源區(qū)域周圍金原子擴(kuò)散路徑

圖3顯示出了試驗(yàn)兩次留在鋁焊盤上兩個(gè)探測(cè)標(biāo)記。有刮痕的表面誘發(fā)斷面圖中V型空洞。采用有限元分析來檢驗(yàn)探測(cè)標(biāo)記影響。在細(xì)間距IC封裝中，鋁焊盤上探測(cè)標(biāo)記擦傷損壞是潛在的問題。

圖2 無源區(qū)域頂部形成的空洞及在無源區(qū)域底部形成的更薄的金屬互化層

圖3 鋁焊盤上留下的探測(cè)標(biāo)記

初始空洞的第三個(gè)來源為不適宜的絲焊技術(shù)，在不均勻壓焊界面處未焊接區(qū)域大范圍存在。這些未焊接區(qū)域變成初始空洞，在整個(gè)壓焊界面引發(fā)不規(guī)則金屬間化合物生長(zhǎng)，能夠形成大的空洞或腔體（如圖4）。

圖4 與大的空洞或腔體有關(guān)的不規(guī)則金屬間化合物生長(zhǎng)

3.2 環(huán)形空洞形成機(jī)理

圖5（a）～（h）包括微結(jié)構(gòu)示意圖和簡(jiǎn)圖，解釋了環(huán)形空洞形成的各種發(fā)展階段[2]。圖5（a）示出的壓焊縫隙是由于超聲波熱焊期間超聲擠榨作用形成的。因?yàn)樘峁M向超聲應(yīng)力，沒有豎向壓焊力，沒有有效的金/鋁合金混合，壓焊毛細(xì)管使金焊球變形并把金焊球從毛細(xì)管周邊擠榨出來。超聲壓焊造成了焊球周邊的壓焊縫隙，在金屬間化合物形成期間，焊球壓焊區(qū)域通過沿著邊緣的金和鋁的內(nèi)部擴(kuò)散而擴(kuò)大，如圖5（a）～（d）。壓焊縫隙增大到其最終尺寸，如圖5（d）。

圖5 各個(gè)階段環(huán)形空洞形成

在后來的金屬間化合物進(jìn)展階段，由于在圖5（e）～（h）中解釋的特定擴(kuò)散路徑，在壓焊縫隙的內(nèi)邊緣上形成凹形。在界面上擴(kuò)散，這種凹形誘發(fā)空隙、腔體和裂紋的逐漸形成。當(dāng)異常壓焊情況發(fā)生時(shí)，在中心壓焊區(qū)域也會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象，導(dǎo)致沿著大的腔體同樣凹形的出現(xiàn)（如圖6）。異常的絲焊引發(fā)部分未焊接金/鋁區(qū)域，造成壓焊間隙，在壓焊區(qū)域形成凹形狀[1]。

圖6 由于異常引線鍵合在壓焊區(qū)域形成的凹形

表1 金、鋁在金鋁化合物中所占的百分比

圖7（a）～（d）示出了四種典型的引線框架空洞形成發(fā)展階段：壓焊縫隙、孔隙、腔體和裂紋現(xiàn)象[2]。鹵化物系列穿過壓焊縫隙可能被輸送到中心壓焊區(qū)域并腐蝕Au4Al相。鹵化物系列起源于模塑料中的阻燃物分解。

3.3 極小空洞形成機(jī)理

極小空洞發(fā)生在Au4Al相內(nèi)部，如圖8所示。隨著一行行孔隙，極小空洞線的上下部分之間Au4Al相的紋理是變化的。部分極小空洞是Au4Al相之后殘留的初始空洞，值得注意的是引線鍵合金屬間化合物不總是產(chǎn)生極小空洞現(xiàn)象。

假定解釋在Au4Al相階段發(fā)生紋理差異的兩種機(jī)理，按照探討結(jié)果，在內(nèi)部金屬層中典型的相序列為Au/Au4Al/Au5Al2。圖9（a）～（d）示出了第一個(gè)機(jī)理。圖9（a）為提供底部焊盤的鋁耗盡階段，金原子繼續(xù)擴(kuò)散進(jìn)入金屬間層，而沒有鋁原子從底部焊盤擴(kuò)散。接著Au5Al2相分解并回轉(zhuǎn)到Au4Al相，如圖9（b）較低部分所示。Au5Al2相分解反應(yīng)釋放鋁原子，鋁原子與金原子反應(yīng)在較上部位形成Au4Al相。從Au5Al2相的衰變形成Au4Al相的較下部分。Au4Al相的較上部分是由金原子和鋁原子的反應(yīng)形成的，紋理差異也許是由于這些不同成形過程，最后，Au4Al相的雙層厚度和中心孔隙極小空洞的尺寸會(huì)增大，如圖9（c）和（d）所示。

圖7 引線框架空洞形成發(fā)展階段

圖8 在Au4Al相層中兩種不同的紋理

另外，極小空洞形成于接近金球表面的晶粒界面[2]，圖10（a）和（b）依次示出了金球和變形球壓焊的晶粒紋理狀況。在焊球表面附近存在大約1 μm厚的表層，超聲壓焊的焊線火花之后，當(dāng)表面快速冷卻時(shí)，立即形成薄晶粒層。金屬間化合物生長(zhǎng)可達(dá)到此晶粒界面。金屬間和金界面上部分初始空洞會(huì)與此晶粒界面結(jié)合，形成線性形體的極小空洞。在晶粒界面兩邊形成的Au4Al會(huì)產(chǎn)生不同的紋理。極小空洞的形成與富含金屬間相的生長(zhǎng)有關(guān)，位于兩個(gè)不同相層之間。注意到在沒有化合物密封情況下，真空中退火處理之后沿著金和金屬間界面有極小空洞現(xiàn)象。

圖9 極小空洞形成機(jī)理

圖10 晶粒紋理

4 結(jié)束語

（1）探測(cè)標(biāo)記和鋁焊盤污染是在金焊球和金屬互化層界面中形成初始空洞的主要原因。在不恰當(dāng)?shù)慕z焊狀況下，大的空洞或腔體與不規(guī)則的金屬間互化層生長(zhǎng)相連形成。初始空洞阻礙合金擴(kuò)散并減慢了金屬間化合物生長(zhǎng)率?？斩幢砻孀鳛閿U(kuò)大金屬間化合物生長(zhǎng)過程中空洞尺寸的主要途徑。

（2）環(huán)形空洞主要是由超聲波熱焊期間超聲擠榨作用造成的。壓焊縫隙作為產(chǎn)生腐蝕引線鍵合的鹵化物的途徑，由于焊球邊緣內(nèi)部擴(kuò)散的擴(kuò)展可增大壓焊區(qū)域，壓焊縫隙的內(nèi)部邊緣可形成大的空洞和裂紋。

（3）在Au4Al相期間形成極小空洞。Au4Al相內(nèi)部的兩種紋理也許是由于不同Au4Al相形成的反應(yīng)，或者是通過金球表面層上晶粒界面影響造成的。

[1]N Noolu,M Klossner,K Ely,W Baeslack,J Lippold.Elevated temperature failure mechanisms in Au-Al ball bonds [C].in Proc.2002 Int.Symp.Microelectron,2002,478-483.

[2]H S Chang,J P Pon,K C Hsieh,C C Chen.Intermetallic growth of wire-bond at 175 C high temperature aging [J].Electron.Mater,2001,30（9）: 1171-1177.

[3]中國(guó)電子學(xué)會(huì)封裝專業(yè)委員會(huì)，電子封裝叢書編委會(huì).微電子封裝手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.118-206.

[4]電子封裝技術(shù)叢書編委會(huì).集成電路封裝試驗(yàn)手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998.26-71.