Ni-Co合金+Au鍍覆陶瓷外殼的引線鍵合可靠性研究

丁榮崢，馬國榮，李 杰，陳桂芳，史麗英

（1.中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035；2.江蘇省宜興電子器件總廠，江蘇 宜興 214221；3.無錫天和電子有限公司，江蘇 無錫 214062）

Ni-Co合金+Au鍍覆陶瓷外殼的引線鍵合可靠性研究

丁榮崢1，馬國榮2,3，李 杰2，陳桂芳1，史麗英2

（1.中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035；2.江蘇省宜興電子器件總廠，江蘇 宜興 214221；3.無錫天和電子有限公司，江蘇 無錫 214062）

為了提高陶瓷外殼鍍層耐高溫變色、耐腐蝕以及長期貯存的能力，帶金屬零件的陶瓷外殼需采用Co含量在20%~40%的Ni-Co+Au鍍覆結(jié)構(gòu)，鍍層經(jīng)退火處理。研究分析了Ni+Au鍍覆和Ni-Co+Au鍍覆結(jié)構(gòu)對鋁絲楔焊和金絲球焊可靠性的影響，通過常溫、300 ℃高溫貯存1 h、300 ℃高溫貯存24 h后引線鍵合強度變化、鍵合面的元素面分布進行量化比較。試驗表明Ni+Au和Ni-Co+Au鍍覆結(jié)構(gòu)對引線鍵合強度和可靠性無明顯影響；兩種鍍覆結(jié)構(gòu)的外殼在鍵合時，鍵合工藝參數(shù)也不需要進行較大的調(diào)整；鋁絲在Ni-Co+Au鍍覆結(jié)構(gòu)與Ni+Au鍍覆結(jié)構(gòu)上鍵合，在鍵合界面均會生成金鋁金屬間化合物，但只要金層厚度受控，均不會產(chǎn)生“Kirkendall”失效，相對來講Ni-Co+Au鍍覆結(jié)構(gòu)的缺陷密度較低，生成金鋁金屬間化合物進程會慢些。

陶瓷外殼；Ni-Co+Au鍍層；鍵合強度；鍵合可靠性

1 引言

CSOP、CQFP、CDIP、CPGA等陶瓷外殼為保證互聯(lián)可焊性、合金焊料熔封可焊性、與芯片互連引線鍵合可焊接性與可靠性，以及封裝后電子器件耐惡劣環(huán)境，外殼的金屬零件及暴露的金屬化層的表面均進行鍍覆。

國內(nèi)陶瓷外殼均采用Ni+Au鍍覆結(jié)構(gòu)，對陶瓷外殼的鍍覆結(jié)構(gòu)未進行適應(yīng)性分類：如帶金屬外引線或引出端的陶瓷外殼采用Ni-Co+Au鍍覆結(jié)構(gòu)，對無金屬零件的陶瓷外殼采用Ni+Au鍍覆結(jié)構(gòu)，這樣可以很好地使陶瓷外殼在長期儲存中不易生銹，耐腐蝕性強。

Ni+Au鍍覆結(jié)構(gòu)的外殼鍵合可靠性在國內(nèi)使用較廣也有相關(guān)研究[5~6]，陶瓷外殼鍍層改變?yōu)镹i-Co+Au結(jié)構(gòu)，鍍層的表面形貌、硬度、殘余應(yīng)力等發(fā)生細微變化，陶瓷外殼抗高溫變色、耐腐蝕等能力得到提高，對陶瓷外殼鍍覆結(jié)構(gòu)的鍍層材料、結(jié)構(gòu)改變后的引線鍵合可焊性和鍵合互連可靠性有必要進行評價。

本文用金層質(zhì)量、耐高溫變色、鹽霧試驗均符合相關(guān)要求的電鍍工藝生產(chǎn)的合格陶瓷外殼，擬從金絲球焊、硅鋁絲楔焊兩個方面進行研究，通過檢測比較不同鍍層下鍵合引線抗拉強度[1]、鍵合引線破壞抗拉試驗失效模式，以及300 ℃、1 h[2~4]和300 ℃、24 h[3]高溫貯存后鍵合引線抗拉強度[3]、鍵合引線破壞抗拉試驗失效模式和鍵合界面的元素面分布[3]等來評價國產(chǎn)陶瓷外殼Ni-Co+Au鍍覆結(jié)構(gòu)鍍層的可靠性，未采用200 ℃、125 ℃等相對低溫的貯存來評價鍵合互連的可靠性[6]。鍵合指表面粗糙度雖對鍵合強度有一定影響[7]，但這與Ni-Co鍍層材料和結(jié)構(gòu)相關(guān)性較小，本文不論述。

2 陶瓷外殼Ni-Co+Au鍍層樣品

Ni-Co+Au鍍覆結(jié)構(gòu)和Ni+Au鍍覆結(jié)構(gòu)的0.80 mm節(jié)距CQFP64陶瓷外殼均由江蘇省宜興電子器件總廠提供，為同一批次生產(chǎn)的陶瓷外殼，僅底鍍層材料不同。Ni鍍層和Ni-Co鍍層厚度均為3～5 μm，Co含量在25%～35%；Au層厚度均為1.3～2.0 μm，鍍層均進行脫氫等處理。樣品的基本情況參見圖1、圖2和圖3。

圖1 Ni-Co+Au鍍覆結(jié)構(gòu)的鍍層表面顯微表面形貌

圖2 Ni-Co+Au鍍覆結(jié)構(gòu)的鍍層厚度測試（SEM）

表1 Ni-Co+Au鍍覆結(jié)構(gòu)陶瓷外殼中Co含量測試值

圖3 Ni-Co鍍層成分檢測

采用電鍍標樣進行Ni-Co鍍層硬度測試，硬度值在250～350 HV，較退火的4J42引腳、蓋板的硬度有較大提升（通常在190～230 HV），與電鍍后高溫處理有關(guān)。

3 樣品鍵合工藝

芯片與外殼采用JM7000粘接，互連引線分別進行金絲和鋁絲兩種材料的鍵合。Φ30 μm金絲互連用K&S公司ICONN鍵合機進行超聲球焊，Φ31.75 μm鋁絲（含1% Si）用ASM公司AB559A鍵合機進行超聲楔焊，鍵合工藝參數(shù)如表2所示。鍵合引線后每種樣品分成3份，其中1份不做任何處理，1份在DHG-9246A烘箱中進行300 ℃、1 h高溫存儲，1份進行300 ℃、24 h高溫存儲。

表2 引線的鍵合工藝參數(shù)

4 常溫下引線鍵合抗拉強度

因外殼表層均采用相同的金層，引線鍵合強度沒有差異，常溫下引線鍵合抗拉強度測試值不再列出。

5 300 ℃、1 h高溫貯存后引線鍵合抗拉強度、失效模式及元素分布

用Φ31.75 μm硅鋁絲超聲楔焊，鍵合后經(jīng)300 ℃、1 h高溫貯存后測試引線鍵合強度。鍵合了6只，測試結(jié)果數(shù)據(jù)基本相同，表3是任意1個外殼的25個連續(xù)鍵合引線抗拉強度數(shù)據(jù)。

表3 300 ℃、1 h高溫貯存后Φ 31.75 μm硅鋁絲超聲楔焊引線鍵合強度（單位/g）

Φ31.75 μm 1% Si-Al絲鍵合點經(jīng)過300 ℃、1 h高溫貯存后，其鍵合點周圍界面并未有任何變化，參見圖4；鋁鍵下的情況參見圖5，Ni+Au鍍層上的金鋁金屬間化合物厚度較Ni-Co+Au鍍層上的金鋁金屬間化合物厚度要厚。

用Φ30 μm金絲超聲球焊，鍵合后經(jīng)300 ℃、1 h高溫貯存后測試引線鍵合強度。鍵合了6只，測試結(jié)果數(shù)據(jù)基本相同，表4是任意1個外殼的25個連續(xù)鍵合引線抗拉強度數(shù)據(jù)。

圖4 Φ31.75 μm鋁絲鍵合經(jīng)300 ℃、1 h貯存后鍵合點形貌

圖5 300 ℃、1 h貯存后Ni+Au鍍層、Ni-Co+Au鍍層與Al鍵合點界面元素分布

Φ30 μm金絲鍵合點經(jīng)過300 ℃、1 h高溫貯存后，其鍵合點周界面并未有任何變化，參見圖6（圖中黑色是表面污染顆粒物）。

圖6 Φ30 μm金絲鍵合經(jīng)300 ℃、1 h貯存后鍵合點形貌

6 300 ℃、24 h高溫貯存后引線鍵合抗拉強度、失效模式及元素分布

用Φ31.75 μm硅鋁絲超聲楔焊，鍵合后經(jīng)300 ℃、24 h高溫貯存后測試引線鍵合強度。鍵合了6只，測試結(jié)果數(shù)據(jù)基本相同，表5是任意1個外殼的24個連續(xù)鍵合引線抗拉強度數(shù)據(jù)。

Φ31.75 μm 1% Si-Al絲鍵合點經(jīng)過300 ℃、24 h高溫貯存后，其鍵合點周界面并未有任何變化，參見圖7；鋁鍵下的金鋁金屬間化合物情況參見圖8，Ni+Au鍍層、Ni-Co+Au鍍層與Al鍵合點界面情況基本相同。

圖7 鋁絲鍵合經(jīng)300 ℃、24 h貯存后鍵合點形貌

表4 300 ℃、1 h高溫貯存后Φ30 μm金絲超聲球焊引線鍵合強度（單位/g）

圖8 300 ℃、24 h貯存后Ni+Au鍍層、Ni-Co+Au鍍層與Al鍵合點界面元素分布

表5 300 ℃、24 h高溫貯存后Φ31.75 μm硅鋁絲超聲楔焊引線鍵合強度（單位/g）

用Φ30 μm金絲超聲球焊，鍵合后經(jīng)300 ℃、24 h高溫貯存后測試引線鍵合強度。鍵合了6只，測試結(jié)果數(shù)據(jù)基本相同，表6是任意1個外殼的25個連續(xù)鍵合引線抗拉強度數(shù)據(jù)。

金絲鍵合經(jīng)300 ℃、24 h貯存后，在Ni-Co+Au鍍層的鍵合指上的鍵合點形貌完整，沒有任何金屬間化合物，而芯片上出現(xiàn)了不良金屬間化合物，雖然引線鍵合抗拉強度測試值也達到合格判據(jù)的規(guī)定值，但金屬間化合物屬于疏松結(jié)構(gòu)且脆性大，增大了失效風險，參見圖9和圖10。

從以上分析可以看出，電鍍Ni+Au層和Ni-Co+Au層對金絲鍵合無任何影響，對硅鋁絲鍵合也均能滿足相關(guān)要求；鋁絲在Ni-Co+Au鍍覆結(jié)構(gòu)與Ni+Au鍍覆結(jié)構(gòu)上鍵合，均在鍵合界面生成金鋁金屬間化合物[8]，但只要金層厚度受控，均不會產(chǎn)生“Kirkendall”失效，相對來講Ni-Co+Au鍍覆結(jié)構(gòu)層缺陷密度較低，生成金鋁金屬間化合物進程會慢些。

圖9 金絲鍵合經(jīng)300 ℃、24 h貯存后鍵合點形貌

7 結(jié)論

從以上數(shù)據(jù)對比分析可以看出，國產(chǎn)帶金屬引線或引腳的陶瓷外殼采用Ni-Co+Au鍍層材料及結(jié)構(gòu)在封裝引線鍵合中不需要更改鍵合工藝流程、大幅度調(diào)整鍵合參數(shù)，也不考慮鍵合區(qū)表面粗糙度對鍵合強度的影響[7]，其鍵合強度基本相近，滿足GJB548B-2005微電子電路試驗方法和程序方法2011.1鍵合強度；鍵合參照GJB2438A-2002混合集成電路通用規(guī)范、Q/JA 20085-2012宇航用混合集成電路通用規(guī)范、Q/JA 20084-2012宇航用半導(dǎo)體集成電路通用規(guī)范中的相關(guān)要求對鍵合經(jīng)300 ℃、1 h和300 ℃、24 h高溫處理后，其引線鍵合強度、元素面分布等可靠性要求也均全部合格，Ni-Co+Au鍍覆結(jié)構(gòu)可以直接替代Ni+Au鍍覆結(jié)構(gòu)的鍍層陶瓷外殼使用。

圖10 芯片上鍵合點周圍金屬間化合物主要元素

表6 300 ℃、24 h高溫貯存后Φ30 μm金絲超聲球焊引線鍵合強度（單位/g）

[1] 中國人民解放軍總裝備部. GJB548B-2005微電子器件試驗方法和程序[S]. 總裝備部軍標出版發(fā)行部.2005.

[2] 中國人民解放軍總裝備部. GJB2438A-2002混合集成電路通用規(guī)范[S]. 總裝備部軍標出版發(fā)行部.2003.

[3] 中國航天科技集團公司.Q/JA 20084-2012宇航用半導(dǎo)體集成電路通用規(guī)范[S]. 中國航天標準化研究所.2012.

[4] 中國航天科技集團公司. Q/JA 20085-2012宇航用混合集成電路通用規(guī)范[S]. 中國航天標準化研究所.2012.

[5] 張琪，姚莉. 金屬外殼引線鍵合可靠性研究[J].電子與封裝, 2009,9(3):28-31.

[6] 程春紅，許洋，劉紅兵. Au-Al雙金屬鍵合可靠性分析[J].半導(dǎo)體技術(shù), 2011,36(7):562-565.

[7] 席儉飛，張方暉. 平整度對細Al絲超聲引線鍵合強度的影響[J].半導(dǎo)體技術(shù), 2009,34(11):1070-1073.

[8] W Kohl,S Weber,A Bischoff. 關(guān)于金-鋁金屬間化合物相形成的金相研究[J]. 江南半導(dǎo)體通訊, 19(3): 72-75.

Wire Bonding Reliability Study of Plating Ni-Co and Au Layer Ceramic Package

DING Rongzheng1, MA Guorong2,3, LI Jie2, CHEN Guifang1, SHI Liying2

（1.China Electronics Technology Group Corporation No.58Research Institute,Wuxi214035,China; 2.Department of Electronic Engineering,Jiangsu Province Yixing Electronic Device General Factory,Yixing214221,China; 3.Wuxi TianHe Electronics Co.,Ltd.,Wuxi214062,China）

In order to improve the anti-tarnish plating ceramic package ability, corrosion resistance and longterm storage capability, ceramic package with metal parts requires Ni-Co plating layer containing Co with in 40% mass of the layer and then can be used by the consumers after electroplating Au layer. The paper compareswire bonding intensity and element distribution under the temperature: room temperature, 300 ℃ in one hour and 300 ℃ in 24 hours. It analyzes the reliability influence of aluminum wire wedge bonds and the gold ball bonds processunder the condition:Ni+Au plating layer and Ni-Co+Au plating layer. The experiments indicate that Ni-Co and Ni-Au plating layer do no obvious effect on the reliance and the bond strength.Existing bonding process also does not need to make adjustments to meet the bond strength and bond interconnect reliability. Aluminum wire bonding in the Ni-Co+Au plating layer or the Ni+Au plating layer were generated between Au-Al intermetallic compounds in the bonding interface, but as long as the thickness of the gold layer is controlled, it will not produce "Kirkendall" failure, relatively speaking, a Ni-Co+Au plating layer is relatively low defect density, aluminum intermetallic compounds generated process will be slower.

ceramic package; Ni-Co + Au plating; bond strength; bonding reliability

TN305.94

A

1681-1070（2014）08-0001-07

2014-07-20