高溫存儲下銅線鍵合焊點分析

鐘小剛，李 莉

（廣東風華芯電科技股份有限公司，廣州 510663）

1 銅線鍵合發(fā)展的必要性

對于封裝廠來說，隨著原材料價格不斷上漲，原材料價格在封裝成本中所占的比例越來越突出。在此種嚴峻形勢下，封裝廠需要找出替代金線鍵合的方案，目前行業(yè)內(nèi)正在大力研發(fā)銅線替代金線鍵合的方案。因為銅線的價格優(yōu)勢，加之良好的導電、導熱、機械性能，替代金線鍵合并實現(xiàn)量產(chǎn)已具有很高的可行性。但是金線鍵合已存在半個世紀，加之完善的制程工藝，要完全替代是有難度的。另外銅的化學穩(wěn)定性不如金，而且銅導線的制備、應用及后續(xù)產(chǎn)品可靠性方面還存在諸多問題（例如銅易氧化影響鍵合質(zhì)量和產(chǎn)品壽命、銅的硬度較高容易造成Al墊受損等），使銅線的應用面臨巨大考驗[1～2]。

與金絲球鍵合相比，銅絲球鍵合工藝參數(shù)窗口較窄，工藝穩(wěn)定性不高。采用銅線鍵合工藝生產(chǎn)的電子元器件在服役過程中產(chǎn)生熱量，引起引線與金屬化焊盤界面出現(xiàn)IMC（金屬間化合物），IMC的生長和分布將影響鍵合點的可靠性，嚴重時會出現(xiàn)“脫鍵”，導致元器件失效。同時，熱的作用還可能導致焊點內(nèi)部的晶體結構發(fā)生變化[3～4]。高溫存儲試驗可以加速焊點微觀組織演變，在短時間內(nèi)預測元器件長期服役過程中的可靠性。本文主要研究了銅線鍵合產(chǎn)品在高溫存儲下焊點界面IMC的生長及微觀結構變化。

2 高溫存儲試驗設計

以20.3 μm銅線鍵合產(chǎn)品SOT-23為試驗樣品進行高溫存儲試驗，樣品在試驗之前經(jīng)檢測電氣性能良好。試驗設備為愛斯佩克PHH201。

將樣品同時進行175 ℃、200 ℃和250 ℃下的高溫存儲試驗。每個設定溫度下分別試驗1天、4天、9天、16天、25天。每組試驗取15只樣品。之后對樣品進行磨拋，利用OLYMPUS GX71金相顯微鏡和HITACHI S-4700電子顯微鏡分別對鍵合界面進行金相、SEM觀察。

3 試驗結果分析

3.1 存儲溫度為175 ℃

在175 ℃下存儲不同時間之后，銅球與芯片鋁焊盤的鍵合初期界面處只有少量的點狀分布的IMC向鋁層突出生長。隨著時間的延長，界面上更多的IMC突出，到第9天的時候這種趨勢已經(jīng)很明顯。繼續(xù)增加存儲的時間，界面處更多的IMC連接呈層狀分布，此后IMC沿界面平行方向的生長停止，并進一步朝著垂直界面方向生長。當達到25天時，整個界面處的IMC基本都連起來，形成厚薄不一的前端呈鋸齒狀的IMC層，此時IMC最厚處達到約1.3 μm。利用EDX對25天的鍵合界面的俯視面進行EDX分析，如圖2所示。從俯視圖來看，銅球與芯片鋁焊盤之間生成的IMC已經(jīng)連成片，但是IMC的分布并不均勻，在局部區(qū)域呈集中生長狀態(tài)。銅球焊點截面SEM圖像如圖1（a）和（b）。對IMC較集中的區(qū)域進行EDX分析測試，得到銅和鋁的原子百分比約為31.5:67.3，可預計主要成分為Al2Cu[5～6]。

3.2 存儲溫度為200 ℃

將試樣在200 ℃下分別存儲1天、4天、9天、16天和25天。存儲1天后，仔細辨認能看出界面IMC分為兩部分，靠銅球的IMC層較薄，靠鋁層的IMC層厚度約為靠銅球的2倍，說明鍵合界面區(qū)銅原子向鋁層中擴散比鋁原子向銅球內(nèi)擴散速率快。而IMC層總厚度并不均勻，在0.3～0.5 μm之間，面向鋁層的前端呈鋸齒狀。4天后的Cu-Al界面IMC層結構與第1天相同，只是總厚度達到0.5～0.7 μm。在存儲9天后的界面IMC層依舊不均勻，最薄處只有0.3～0.4 μm，最厚處達0.9～1 μm，在銅球與IMC層之間已形成了可見的連續(xù)裂紋。銅球焊點截面SEM圖像如圖1（c）和（d）。

圖1 不同存儲時間銅球焊點截面SEM圖像

隨著時間的延長，裂紋沿著界面擴展并逐漸增大。圖2為200 ℃分別存儲9天、16天和25天后，剝離銅球后鍵合焊點界面俯視面的背散射電子圖像。圖中沿著被銅球下壓的鋁層表面分布的白色相即為IMC，隨著時間的增長，鍵合區(qū)生成的IMC的分布面積明顯增大。同時還可以看出同一鍵合點內(nèi)IMC的分布非常不均勻，對于不同的銅球鍵合焊點，IMC的分布規(guī)律不同，有的在焊點邊沿區(qū)域優(yōu)先生成IMC并生長較厚，如圖3（a）和（c）所示；有些IMC則在鍵合點中心區(qū)域形成較多，如圖3（b）所示。

進行EDX分析，IMC中銅的含量隨著時間的延長而增加，最終形成的穩(wěn)定塊狀IMC中銅與鋁的原子百分比約為1:2。綜合以上的分析結果，可以認為在200 ℃存儲條件下，銅球和鋁焊盤的界面處最終形成的穩(wěn)定的IMC為Al2Cu。

3.3 存儲溫度為250 ℃

在175 ℃和200 ℃存儲時，銅球鍵合界面僅發(fā)生Cu-Al之間的相互擴散反應，環(huán)氧樹脂基塑封料與銅球及引線不發(fā)生反應，所以銅球及銅線保存完好。而250 ℃下存儲不同時間之后，塑封料中的元素也參與了反應，而且在長時間存儲的情況下，塑封料與銅球和銅線的反應成為主要的反應。

圖3 200 ℃存儲不同時間銅球焊點俯視面SEM圖像

圖4 250 ℃存儲16 h出現(xiàn)點蝕及表面反應

當時間達到9 h后，在靠銅球側發(fā)現(xiàn)了Kirkendall空洞，裂紋向著空洞的方向擴展?？斩吹拇嬖跇O大地弱化了鍵合界面的結合強度，加之IMC脆性大，當受到因溫度變化等因素產(chǎn)生較大應力作用時很容易在空洞處生成裂紋，裂紋一旦形成便沿著強度很低的存在空洞的區(qū)域快速擴展，最終貫穿整個鍵合界面。當存儲時間達到16 h，EMC層和銅之間發(fā)生化學反應。銅絲上開始出現(xiàn)類似點蝕的缺損，如圖4，這種現(xiàn)象在銅絲的彎曲處較先出現(xiàn)，后期也較其他部位嚴重。

存儲更長時間之后，如圖5所示。可以看出點蝕的實質(zhì)是銅的晶粒結構由于元素間的反應而破碎。48 h后，銅絲完全碎化，并生成了塊狀的IMC。

通過EDX分析可知銅絲表層的薄層內(nèi)白色IMC、銅絲內(nèi)生成的塊狀白色IMC以及銅絲附近塑封料中的白色IMC的成分比較接近，銻的原子百分含量在22%～23%左右，預計生成的IMC相為Cu3Sb。

4 小結

（1）銅球焊點在175 ℃下存儲時，隨著時間的增加，鍵合界面處的IMC緩慢增加。25天時，150 ℃下IMC最厚處約0.5 μm，175 ℃下IMC最厚約1.3 μm。

（2）200 ℃存儲時，隨著時間的增加，Cu-Al鍵合界面的擴散增加，形成的IMC分為兩層：靠銅球薄層和靠鋁的厚層，前者厚度約為后者的1/2。存儲9天時，在銅球與IMC之間形成了微裂紋，時間繼續(xù)延長，則裂紋擴展至整個鍵合界面。較長時間存儲之后界面處生成的IMC以CuAl2為主。

圖5 250℃存儲不同時間下銅絲的變化

（3）250 ℃下存儲不同時間之后，塑封料中的元素參與反應，而且在長時間存儲的情況下，塑封料與銅球和銅線的反應成為主要的反應。1～9 h主要進行銅球和鋁焊盤的擴散反應，9 h后銅與塑封料中的銻發(fā)生反應，在銅球和銅絲表層生成IMC。

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