銅鋁過渡片在SMD-0.5封裝中的應(yīng)用及可靠性研究

薛山 王芳

（貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體股份有限公司 貴州省貴陽市 550018）

隨著科技的不斷發(fā)展，集成電路對封裝中的引線鍵合等技術(shù)的要求也越來越高。引線鍵合失效是集成電路中的常見失效模式，是影響整機(jī)長期可靠性的關(guān)鍵因素之一。

在常規(guī)的SMD-0.5 封裝中，產(chǎn)品多采用Au-Al 鍵合系統(tǒng)，而Au 與Al 在接觸過程中容易發(fā)生以下兩種物理過程：

（1）在200～250℃下，在接觸界面處容易生成五種金屬化合物：AuAl、AuAl、AuAl、AuAl、AuAl。其中，AuAl呈紫色，又稱“紫斑”；AuAl 呈白色，又稱“白斑”；它們都是一種比較脆的絕緣體，極易造成鍵合斷裂。

（2）在250～300℃下，接觸界面處Au 向Al 中大量擴(kuò)散，形成空洞，通過顯微鏡觀察可以看見黑色環(huán)形孔，即所謂的Kirkendall 效應(yīng)。

器件在長時間工作時溫度會升高，Au-Al 鍵合系統(tǒng)榮易發(fā)生上述的兩種物理過程，導(dǎo)致產(chǎn)品致命性失效。在歷次的失效分析中發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品在20000g 單次沖擊試驗（馬西特試驗）中的確多因Au-Al 焊接點出現(xiàn)脫鍵現(xiàn)象導(dǎo)致器件失效。

消除這種隱患的方法有兩種：

（1）通過多層金屬化或引入過渡片的方法避免Au-Al鍵合；

（2）通過設(shè)計，盡可能的降低鍵合點處的溫度(降低電阻，減少產(chǎn)生的熱量）。

第一種是治本的辦法。我們通過引入銅鋁過渡鍵合墊片，取消了Au-Al 鍵合系統(tǒng)，改用Al-Al 鍵合系統(tǒng)。但對于SMD-0.5 封裝引入Al-Al 鍵合系統(tǒng)是對工藝方面做了較大的更改，所以對這項新的工藝進(jìn)行可靠性分析十分必要。

1 過渡片簡單介紹

銅鋁過渡片是選擇Cu 作為墊片，然后再Cu 墊片的一個表面上淀積上Al 層作為Al 絲的鍵合窗口，最后根據(jù)所需要的尺寸進(jìn)行切割。該方法不需要進(jìn)行光刻、腐蝕或者剝離工藝，降低了工藝的復(fù)雜性。另外，由于Cu 是容易被氧化的金屬，所以在Cu/Al 界面設(shè)計增加一層粘附層，以便提高整個金屬層間的粘附性?；静襟E為：準(zhǔn)備Cu 墊片→清洗→去除表面氧化層→蒸發(fā)沉淀Al 層→切割→清洗。

在過渡片中，Al 材料所占比例為12%～18%，其余成分主要是Cu 材料。Al 層用作鋁絲鍵合窗口，Cu 層用作與管殼表面粘接。

2 過渡片尺寸選擇

常見的SMD-0.5 外殼，腔內(nèi)尺寸大約為5.1mm*4.2mm，而該封裝產(chǎn)品常用芯片尺寸為2.0mm*2.0mm 左右。在實際壓焊過程中，為方便鍵合的同時避免鍵合絲的橋搭以及鍵合絲過長，在進(jìn)行裝結(jié)工藝時芯片的邊沿不能與管基邊沿平行，導(dǎo)致基座內(nèi)腔可使用面積減少，為引入過渡片帶來了困難。銅鋁過渡片的作用是作為過渡層，使用Al-Al 鍵合系統(tǒng)代替Au-Al 鍵合系統(tǒng)，因此對其尺寸的要求不需要很大，為保證鍵合工藝的可操作性，過渡片的尺寸又不可太小，綜合這兩點考慮，過渡片的尺寸選擇為1.0mm*1.0mm。

3 工藝參數(shù)優(yōu)化

過渡片分別使用JM7000 導(dǎo)電膠、納米銀漿、Au80S20的金錫焊料進(jìn)行燒結(jié)。但在采用JM7000 導(dǎo)電膠或是納米銀漿燒結(jié)，無法保證過渡片鍵合面平整度而影響鍵合，也容易沾污芯片。使用JM7000 導(dǎo)電膠燒結(jié)，過渡片剪切強(qiáng)度較差，過渡片易脫落，且JM7000 導(dǎo)電膠電阻較大，電導(dǎo)性不夠。使用納米銀漿燒結(jié)要求芯片背金，使用受限。Au80Sn20 合金具有良好的浸潤性，而且對鍍金層的浸蝕程度很低，同時也沒有像銀那樣的遷徙現(xiàn)象；還具有高耐腐蝕性、高抗蠕變性和良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，因此選用Au80Sn20 焊料對過渡片進(jìn)行燒結(jié)。最終選定燒結(jié)材料為Au80S20 的金錫焊料。燒結(jié)工藝相應(yīng)的選用真空低熔點合金焊工藝（真空共晶焊）。

通過對比試驗，選定過渡片的燒結(jié)工藝采用面積為1.0×1.0×0.03mm 的焊片以及0.03g 的壓塊。另外，影響真空低熔點合金焊工藝的參數(shù)主要為保溫溫度、保溫時間、焊接溫度和焊接時間。通過正交試驗的方法確定燒結(jié)工藝參數(shù)表1所示。

表1：燒結(jié)工藝參數(shù)因素水平表

SMD-0.5 封裝產(chǎn)品的鍵合絲選用的為50um 的硅鋁絲。影響超聲鍵合的三個關(guān)鍵因素：超聲功率、鍵合時間、鍵合壓力。通過正交試驗的方法確定工藝參數(shù)表2所示。

表2：鍵合參數(shù)因素水平表

4 過渡片引入后對參數(shù)的影響分析

常使用SMD-0.5 封裝產(chǎn)品多為電壓調(diào)整器。由于過渡片的所起的作用是導(dǎo)線作用，其電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10Ω，所分擔(dān)的電壓也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10V，相較于電路中的輸入輸出端的電壓可以忽略不計。所以引入過渡片對產(chǎn)品的電性能所造成的影響可以忽略不計?，F(xiàn)以三端固定輸出電壓調(diào)整器的參數(shù)電壓調(diào)整率（線性調(diào)整率）Sv 為例來計算引入過渡片后產(chǎn)品電性能的變化。

Sv 參數(shù)定義：當(dāng)輸出電壓和環(huán)境溫度保持不變時，由于輸入電壓變化引起的輸出電壓的變化量。

測試原理如圖1所示。

圖1：線性調(diào)整率Sv 測試原理圖

原理說明：

（1）器件輸入端施加規(guī)定的輸入電壓Vi，測試器件輸出電壓Vo。

（2）器件輸入端施加規(guī)定的輸入電壓Vi'，測試器件輸出電壓Vo'。

（3）電壓調(diào)整率：

在這里我們以r 代表過渡片的電阻，因為加載的負(fù)載電流Io 是固定的，所以引入過渡片后的電壓調(diào)整率為：

由公式（1）以及公式（2）可見，引入過渡片后對產(chǎn)品的電壓調(diào)整率未造成稱影響。同樣的原理，其他的電參數(shù)例如電流調(diào)整率Si、紋波抑制比Srip 等。另外，未引入過渡片與引入過渡片后電參數(shù)對比表3所示，可見引入過渡片后產(chǎn)品的電參數(shù)也是滿足使用需求的。

表3：產(chǎn)品7805 引入過渡片前后電參數(shù)對比

5 可靠性驗證

使用表1和表2工藝參數(shù)進(jìn)行試驗樣品制樣，產(chǎn)品內(nèi)部照片如圖2所示。

圖2：引入過渡片后的SMD-0.5 封裝產(chǎn)品內(nèi)部照片

為實現(xiàn)Al-Al 鍵合系統(tǒng)，在SMD-0.5 封裝內(nèi)引入了銅鋁過渡片。這一操作，可能會對產(chǎn)品的性能、可靠性、質(zhì)量等造成一定的影響。為驗證該項目的可靠性，必須通過測試分析，對其做出明確判據(jù)，故參考GJB597B-2012《半導(dǎo)體集成電路通用規(guī)范》中3.4.3 及表3關(guān)于j 項目引線材料的成分和尺寸的改變、k 項目封裝或封蓋結(jié)構(gòu)與材料的更改與內(nèi)腔幾何形狀的改變，或引線框架的變化、l 項目密封技術(shù)（材料或工藝）的改變（包括封帽、引線的封接、框架粘結(jié)和框架的清洗）試驗指南制定試驗方案，并根據(jù)GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》對試驗的要求與方法進(jìn)行相關(guān)驗證試驗。具體試驗方案如表4所示。

表4：可靠性驗證實驗方案

選用兩個SMD-0.5 封裝的代表產(chǎn)品進(jìn)行驗證摸底，試驗樣品為三端固定輸出正電壓調(diào)整器7805 和三端固定輸出負(fù)電壓調(diào)整器7908。

兩種產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)3 批（每批100 只），從每批中選取22 只產(chǎn)品作為試驗樣品進(jìn)行驗證試驗。按表4試驗方案進(jìn)行試驗后，對試驗結(jié)果進(jìn)行了記錄，如表5所示。

表5：試驗驗證結(jié)果

根據(jù)表5所示試驗結(jié)果可以看出，引入過渡片后的產(chǎn)品仍可以滿足一系列的環(huán)境應(yīng)力以及機(jī)械應(yīng)力的要求。

使用X 射線檢測設(shè)備對過渡片的裝結(jié)空洞進(jìn)行分析圖3所示。

圖3：過渡片裝結(jié)空洞面積

從圖3中可以看出，采用表1的工藝參數(shù)進(jìn)行真空合金焊，過渡片的空洞面積非常小，滿足工藝要求。

對部分過渡片進(jìn)行剪切力試驗，其剪切強(qiáng)度記錄如表6所示。

表6：剪切力強(qiáng)度強(qiáng)度試驗記錄

對產(chǎn)品進(jìn)行鍵合強(qiáng)度試驗，其鍵合拉力記錄如表7所示。

表7：鍵合強(qiáng)度試驗記錄

從表5至表7以及圖3中可以看出，通過正交試驗所得出的最優(yōu)參數(shù)組合完全滿足工藝要求。

6 小結(jié)

通過分析、參數(shù)優(yōu)化及可靠性研究，證明在SMD-0.5封裝中引入銅鋁過渡片實現(xiàn)使用Al-Al 鍵合系統(tǒng)代替Au-Al是可行的。并可以此為借鑒，為后期取消混合集成電路的異質(zhì)鍵合做提供經(jīng)驗。