銀合金鍵合線IMC的實(shí)驗(yàn)檢查方法研究

楊千棟

(天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000)

IMC是Intermetallic Compound的縮寫，通常譯為“金屬間化合物”。IMC是指異種金屬相互緊密接觸之間的界面層，在此界面層間會產(chǎn)生一種原子遷移互動的行為，金屬原子間相互結(jié)合、滲入、遷移、以及擴(kuò)散，在冷卻固化之后立即出現(xiàn)一層類似合金的“化合物”，后續(xù)隨著老化過程還會逐漸成長增厚。近年來，銀合金線已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體封裝鍵合領(lǐng)域。相比傳統(tǒng)的金線，銀合金線有更好的電性質(zhì)、熱導(dǎo)率和更低的成本，然而在高溫和高電流密度下更容易發(fā)生銀遷移[1]。IMC結(jié)合層是通過化學(xué)藥品腐蝕的方法，檢查焊線后芯片鋁層和焊球異種金屬之間相互接觸形成的合金層面積來判定。若IMC覆蓋面積太小（＜85%），說明異種金屬之間沒有得到有效的原子之間滲透擴(kuò)散結(jié)合，存在著脫焊的風(fēng)險。本文中研究了銀合金線IMC的結(jié)合面積在封裝鍵合過程中如何準(zhǔn)確的判定并監(jiān)控，從而避免了后續(xù)由于鍵合問題造成的可靠性隱患。

1 IMC與侵蝕危害

鍵合界面的一系列力學(xué)行為以及鍵合可靠性與金屬間化合物的成分與性能有著直接密切的關(guān)系，因而銀合金線鍵合后界面處的金屬間化合物（IMC）的生長情況一直是業(yè)界最為關(guān)心的問題之一。在傳統(tǒng)的金絲球焊工藝中，鍵合后金絲球和芯片上的鋁墊形成的Au/Al金屬間化合物IMC的生長過程、機(jī)理及微結(jié)構(gòu)特征都已經(jīng)得到了比較深入的研究和討論，而對銀合金鍵合后Ag/Al界面的金屬間化合物IMC的研究相對較少。其中，相對于傳統(tǒng)的金線產(chǎn)品IMC測量方法，不能適用于銀合金線的IMC測量過程，本文通過了化學(xué)腐蝕試驗(yàn)、軟件測量的方法，結(jié)合金屬界面上的IMC生長理論，通過軟件測量計算得到了其IMC覆蓋面積[2]，得出了一套銀合金線IMC的測量監(jiān)控方法。使用銀線作為鍵合線材應(yīng)用在超聲熱壓焊過程中，通過MSL2預(yù)處理和PCT 240 h后，IMC的腐蝕會發(fā)生在Au-Ag-Al-Pd界面。足夠的IMC特征長度對銀合金線是必要的，特別是對于伴隨著濕氣環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕鋁墊的銀線鍵合[3]，通過高壓高濕老化試驗(yàn)，鍵合界面引入了水汽，IMC會受到一定程度的侵蝕。IMC本身具有不良的脆性，將會損及焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度及壽命，尤其對疲勞強(qiáng)度(Fatigue Strength)危害最大，其熔點(diǎn)也較原來的金屬要高。由于焊點(diǎn)中IMC合金層的滲入，使得該結(jié)合層面本身的硬度也隨之增加，久之會有脆化的問題。因此銀合金線的IMC形成質(zhì)量監(jiān)控在生產(chǎn)應(yīng)用過程中非常必要。

2 銀合金線IMC監(jiān)控過程中存在的問題

對于傳統(tǒng)的金線產(chǎn)品，由于金線的IMC層的色差與周圍的金有明顯的差異，可以通過物理的辨識方法以及軟件測量其合金層覆蓋面積可以得出，圖1a所示為傳統(tǒng)金線IMC界面圖片，IMC層與金層色差明顯，可以通過物理判斷的方式進(jìn)行判定是否在界面層原子之間有效的結(jié)合，結(jié)合面之間不能出現(xiàn)連續(xù)貫穿性隧道空洞。而由于銀合金線的材質(zhì)顏色等特性，銀線與鋁墊形成的IMC層與周圍的銀層不能明顯的區(qū)分，IMC物理確認(rèn)方法較困難，無法在球面底部有效地判斷IMC形成的覆蓋面積，圖1b所示為銀合金線的界面圖片，需要研究化學(xué)腐蝕確認(rèn)方法。

圖1 IMC界面圖片

3 銀合金線IMC實(shí)驗(yàn)檢查方法

在IMC實(shí)驗(yàn)過程中，需要一定的輔助材料與實(shí)驗(yàn)裝置，所需要的設(shè)備工具有：加熱臺、超聲波清洗器、高倍顯微鏡（200X-1000X）、普通顯微鏡（15X-50X）、鑷子、挑針、刀片、燒杯、濾紙、移液管、廢藥水回收瓶、防護(hù)眼鏡、橡膠手套等防護(hù)工具。材料有濃硝酸（98%）、純水、丙酮等。

3.1 銀合金線IMC實(shí)驗(yàn)流程

銀合金線IMC實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)研究過程

先用挑針將試驗(yàn)樣品的所有焊線從第二焊點(diǎn)（魚尾）處挑開，如圖3所示，防止后續(xù)取下芯片與框架載體時因線弧受力造成第一焊點(diǎn)球脫、鋁墊受損。用剪刀將材料從導(dǎo)線架上或者基板剪下，并保留整顆的導(dǎo)線架基島或者基板。

圖2 銀合金線IMC實(shí)驗(yàn)流程

圖3 銀合金線挑線示意圖

將已挑開兩焊點(diǎn)的試驗(yàn)樣品，用刀片將載體連筋割斷，圖4所示為載體連筋位置示意圖。同時取下芯片與框架載體，放入托盤中，如圖5所示。取未做推拉力測試的Ink（墨點(diǎn)）材料，剪取材料時注意第一焊點(diǎn)不可受損。

將實(shí)驗(yàn)樣品放入烘箱進(jìn)行烘烤，烘烤后將裝載樣品的托盤取出并冷卻；加熱板溫度調(diào)至90～115℃（具體的溫度需要依據(jù)產(chǎn)品特性進(jìn)行DOE試驗(yàn)），在燒杯中倒入30 ml、98% 的濃硝酸，確保樣品放入溶液中正面始終朝上，加熱3～5 min，與酸反應(yīng)后的樣品放入裝有純水的燒杯內(nèi)超聲波清洗并脫水晾干；將樣品放置高倍顯微鏡下觀察每一個PAD（焊點(diǎn)），抽取IMC最差的PAD進(jìn)行拍照記錄（截取IMC照片，需要將色差以及焦距調(diào)節(jié)清楚，否則影響測量結(jié)果）。圖6為IMC拍照樣品示例。

圖4 載體連筋位置示意圖

圖5 樣品放置托盤

圖6 IMC拍照樣品示例

3.3 銀合金線 IMC測量方法

3.3.1 軟件測量方法

打開測量軟件Image-pro plus 6.0，軟件界面打開后，選項(xiàng)Macro中點(diǎn)選IMCSCC_REV4菜單，選取取色筆進(jìn)行取色，軟件自動算出IMC面積的百分比值。

3.3.2 測量原理

球底部沒有IMC的部分的顏色與Pad（鋁墊）的顏色一樣，通過Pad面與IMC層面的色差比較，軟件自動找出沒有IMC的部分。IMC共金面積計算比例=100%×共金層/（非共金層+共金層）。圖7所示為IMC覆蓋面積計算原理圖。

圖7 IMC覆蓋面積計算原理圖

3.4 機(jī)械拋光切片檢查

除了上文中描述的針對銀合金線IMC覆蓋面積的計算測量之外，對銀合金線內(nèi)部進(jìn)行截面分析也是常規(guī)方法之一，稱之為機(jī)械拋光切片檢查，主要是將樣品使用環(huán)氧樹脂塑封起來，然后用機(jī)械拋光研磨的方式將樣品磨削至所要觀察的區(qū)域，然后利用SEM來表征試樣內(nèi)部的形貌[4]。圖8為銀合金線與鋁墊界面切片內(nèi)部形貌圖。

圖8 銀合金線與鋁墊界面切片圖

從圖8中可以看到銀合金線與鋁層之間結(jié)合的表面形態(tài)、鋁層殘留的平整度，以及銀合金線所形成的球形形貌。如圖8中被圈所示的區(qū)域，從內(nèi)部形貌觀察發(fā)現(xiàn)銀合金線與鋁層表面形成了較為明顯的IMC層。以上圖片也說明了銀線表面遷移的物理現(xiàn)象，銀合金線在電遷移過程中也會伴隨發(fā)生內(nèi)部遷移[4]。這種機(jī)械拋光研磨的試驗(yàn)方法對于微米級別的試樣使用存在比較大的弊端，首先由于銀合金線的硬度相對來說比較軟，使用研磨的方法很容易破壞表面形貌，同時因?yàn)橹茦拥闹饕煞质倾y，受研磨使用的砂紙與拋光液的影響，會導(dǎo)致表面不平整出現(xiàn)細(xì)微的劃痕。另外由于所要觀察的區(qū)域很小，利用機(jī)械拋光的方法需要人為手動操作，很難控制選取所需位置，可重復(fù)操作性差。基于以上兩點(diǎn)，需要更加精密測量以及結(jié)果分析需求時，則采用FIB（Focused Ion Beam的縮寫，聚焦離子束）實(shí)驗(yàn)方法制取試樣進(jìn)行分析[4]。

3.5 IMC結(jié)果可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證依據(jù)IMC測試結(jié)果來預(yù)估可靠性，該產(chǎn)品使用 20 μm（0.8 mil）銀合金線，針對某芯片產(chǎn)品進(jìn)行IMC測試，最小測試數(shù)據(jù)為85.28%，如圖9所示。

圖9 最小IMC數(shù)據(jù)測量

針對此產(chǎn)品完成了如下全套可靠性考核，F(xiàn)T均Pass，各項(xiàng)指標(biāo)滿足JEDEC標(biāo)準(zhǔn)，具體可靠性考核項(xiàng)目為Pre-con/PCT 168hrs/TCT 500cys/THT 1000hrs/HTST 1000hrs。

4 結(jié)束語

本文中主要從銀合金鍵合線IMC的原理入手，研究了銀合金線IMC的檢查實(shí)驗(yàn)方法，也提到了通過機(jī)械研磨的切片試驗(yàn)方法作為IMC界面結(jié)合性的判定依據(jù)之一，具有很強(qiáng)的實(shí)際工程指導(dǎo)意義。通過實(shí)際的產(chǎn)品可靠性驗(yàn)證，F(xiàn)T測試通過，各項(xiàng)指標(biāo)滿足JEDEC標(biāo)準(zhǔn)，說明本文所研究的關(guān)于IMC的實(shí)驗(yàn)檢查方法可以有效的預(yù)估可靠性結(jié)果。

由于銀線的金屬特性，銀置于空氣中容易與氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生黑色的氧化銀，在實(shí)際作業(yè)應(yīng)用過程中需要特別注意防護(hù)管控，另外，對于銀線IMC遷移的問題，在高電流密度和高溫下，銀合金線表面的銀離子從正極遷移到負(fù)極即表面遷移，銀線遷移會造成金屬間接觸界面阻值升高，會加速銀合金線IMC的老化脆化，從而影響電性能以及信號傳輸，具有很大的危害性，為了避免銀遷移問題，需要從原材料金屬配方制備、工藝方法、加工設(shè)備、包括保護(hù)氣體、鍵合工藝參數(shù)等各個方面著手深入研究，達(dá)到預(yù)防和控制銀線遷移問題的發(fā)生。