鍍Au鍵合Ag線性能對(duì)鍵合質(zhì)量的影響研究

曹 軍，吳衛(wèi)星

(河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院, 河南 焦作 454000)

鍵合Ag線由于其優(yōu)秀的電學(xué)性能(可降低器件高頻噪聲、降低大功率LED發(fā)熱量等)及適當(dāng)?shù)某杀疽蛩?，且在LED封裝中可以有效降低光衰，提高轉(zhuǎn)化率，鍵合Ag線的諸多優(yōu)勢(shì)使其開(kāi)始應(yīng)用于微電子封裝中[1-7]，尤其在LED封裝中；但對(duì)于鍵合Ag線來(lái)說(shuō)，由于其抗氧化性能較弱，應(yīng)用過(guò)程中易于氧化使得鍵合參數(shù)窗口范圍較小，致使工藝過(guò)程不易于控制；其強(qiáng)度較低在低弧度引線封裝中容易出現(xiàn)塌絲及線弧不穩(wěn)定等缺陷，以及高溫條件下銀鋁界面電遷移嚴(yán)重引起失效幾率較高無(wú)法滿足大功率LED器件使用等問(wèn)題[8-13].而在鍵合銀線表面鍍一定厚度的金，可以增加鍵合銀線的抗氧化性能，提高其鍵合窗口；由于金在鍵合銀線表面擴(kuò)散，可以進(jìn)一步提高鍵合銀線強(qiáng)度，滿足其在低弧度、大功率器件封裝中的應(yīng)用.近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鍍貴金屬鍵合Ag線進(jìn)行了不少試驗(yàn)研究.Tseng[14]等研究了鍍Au鍵合Ag線組織結(jié)構(gòu)及特性，得出了鍍Au層可以增加鍵合Ag抗氧化性能，以及鍍Au鍵合Ag線熱處理過(guò)程中產(chǎn)生孿晶組織的結(jié)論；Tanna Suresh[15]等研究了鍍Pd鍵合Ag線Free Air Ball(FAB)特性，得出了鍍Pd鍵合Ag線可以改善FAB形狀的結(jié)論，上述研究多涉及的是有關(guān)鍍Au鍵合Ag線組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、電學(xué)性能及鍍Pd鍵合Ag線等方面的研究，而對(duì)于鍍AuAg性能對(duì)對(duì)鍵合質(zhì)量的影響研究鮮有論述.本文通過(guò)對(duì)鍍Au鍵合Ag線不同金層厚度及不同力學(xué)性能的鍍Au鍵合Ag線對(duì)鍵合質(zhì)量、鍵合點(diǎn)可靠性的影響進(jìn)行研究，進(jìn)一步探究鍍Au鍵合Ag線對(duì)鍵合質(zhì)量及其可靠性的影響因素，為鍍Au鍵合Ag線的生產(chǎn)及在微電子方面的應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為直徑0.025 mm不同金層厚度的AgAu1、AgAu2、AgAu3鍍Au鍵合Ag線，金層厚度分別為：AgAu1: 30～60 nm、AgAu2: 90～120 nm、AgAu3: 150～180 nm；直徑0.025 mm不同力學(xué)性能(強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率)的AgAu1、AgAu2、AgAu3鍍Au鍵合Ag線中的一種.

1.2 試驗(yàn)方法

分別采用AgAu1、AgAu2、AgAu3及其不同力學(xué)性能的鍍Au鍵合Ag線在自動(dòng)鍵合設(shè)備上進(jìn)行鍵合試驗(yàn)，鍵合設(shè)備型號(hào)：KAIJO FB-988，封裝類型：5050LED，劈刀類型：SPT SU-25140-415E-ZU36-E，鍵合參數(shù)如表1 所示，鍵合過(guò)程中采用N2氣體保護(hù)，氣體流量0.6 L/min，采用Dage Series 4000, BS250測(cè)試儀對(duì)鍵合點(diǎn)的拉力、剪切力進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；采用GDW-500型高低溫試驗(yàn)箱對(duì)樣品進(jìn)行冷熱循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度范圍：-40 ～120 ℃，高溫低溫保持時(shí)間：30 min；通過(guò)JEOL JSM-6700F掃描電鏡(裝配EDS)對(duì)不同性能鍍Au鍵合Ag線試驗(yàn)樣品、FAB形狀及其鍵合形貌、冷熱循環(huán)后焊點(diǎn)形貌進(jìn)行分析.

表1鍍Au鍵合Ag線鍵合參數(shù)

Table 1 Bonding parameters for Au coated Ag bonding wires

球鍵合楔鍵合燒球壓緊力Ff /N0.75鍵合力F1/N0.85放電電壓/V5 000鍵合力F/N0.70超聲功率P1/ mW70放電電流/A1.00超聲功率P/mW55鍵合時(shí)間t1/ms6燒球時(shí)間/ms0.50鍵合時(shí)間t/ms8鍵合力F2/N0.70尾絲長(zhǎng)度/mm0.15超聲功率P2/mW50鍵合溫度/℃220鍵合時(shí)間t2/ms6

2 分析與討論

2.1 不同金層厚度對(duì)鍍Au鍵合Ag線無(wú)空氣焊球(Free Air Ball)形狀的影響研究

圖1是不同鍍Au厚度AgAu1、AgAu2、AgAu3鍵合Ag線的SEM圖片，從圖中可以看出AgAu1、AgAu2、AgAu3金層厚度平均值分別為48.7、108.0和174.7 nm.圖2分別是AgAu1、AgAu2、AgAu3經(jīng)過(guò)Electronic-Flame-Off(EFO)后的FAB形貌及其EDS分析圖片，從圖2中可以看出，AgAu1經(jīng)過(guò)EFO后其FAB為非圓球，呈高爾夫球桿狀，圖2(a)所示；AgAu2成球規(guī)則，對(duì)稱性較好，圖2(b)所示；AgAu3成球不規(guī)則，底部出現(xiàn)尖頂，圖2(c)所示.從表2和圖2(a)中可以看出AgAu 1的FAB上金的分布不均勻，F(xiàn)AB接近鍍Au鍵合Ag線連接部位一側(cè)，即FAB曲率較小處金含量較高，約為0.89%(1位置)，在FAB中部和下部，金含量分別為0.54%(2位置)和0.38%(3位置)；AgAu 2的FAB上金的分布較均勻，金的含量平均值約為1.59%(1位置、 2位置、 3位置所示)， 圖2(b)所示； 對(duì)于AgAu3，在FAB尖頂區(qū)域金含量較高，約為3.86%(1位置)，F(xiàn)AB中部金的含量約為2.04%(2位置)， FAB上部接近鍍Au鍵合Ag線部分金含量較低(3位置)，金含量約為1.56%，圖2(c)所示.

圖1 鍍Au鍵合Ag線鍍層厚度分析

圖2 鍍Au鍵合Ag線FAB形貌及EDS分析

表2 鍍Au鍵合Ag線FAB表面EDS分析

鍍Au鍵合Ag線經(jīng)過(guò)EFO后，金和銀同時(shí)熔化并在表面張力作用下形成FAB，且頸部向球底部迅速凝固，F(xiàn)AB直徑約為線徑尺寸的2～3倍，由于AgAu1鍍層較薄，其金不能夠均勻包裹在FAB表面，致使金局部分布在FAB表面，由于Au在熔點(diǎn)溫度時(shí)(1 064 ℃)的表面張力為1 444 mN/m，Ag在熔點(diǎn)溫度時(shí)(962 ℃)的表面張力為1 106 mN/m；當(dāng)兩者同處于熔融狀態(tài)時(shí)，由于凝固時(shí)間極短(6～7 ms)Au無(wú)法有效向Ag擴(kuò)散，此時(shí)，Au和Ag同時(shí)分別凝固，Ag的表面張力明顯小于Au，在凝固過(guò)程中，由于表面張力的影響在Au含量較多的區(qū)域，凝固后其曲率半徑較小，造成高爾夫球桿形狀的FAB，圖2(a)所示；AgAu2由于Au層厚度適中，在熔融成球后，Au原子能夠均勻的包裹在FAB表面，其成球形狀較好；對(duì)于AgAu3，其Au層較厚，F(xiàn)AB凝固從接近頸部部位開(kāi)始并向球底部進(jìn)行，由于Ag的導(dǎo)熱系數(shù)(429 W/mk)高于Au的導(dǎo)熱系數(shù)(317 W/mk)，Au凝固速率將低于Ag凝固速率，且在FAB底部最后凝固，在其較大的表面張力和重力作用下，從而在底部形成尖頂狀，圖2(c)所示.高爾夫球桿狀的FAB在鍵合后球焊點(diǎn)將形成不規(guī)則形狀，且在曲率較小位置焊球部分會(huì)溢出，從而造成焊線的短路，圖3所示；此外，高爾夫球桿狀FAB還會(huì)導(dǎo)致球焊接區(qū)域面積減少，降低球焊點(diǎn)的拉力、剪切力及其器件的可靠性；對(duì)于尖頂狀的FAB將導(dǎo)致鍵合后球焊點(diǎn)連接面積不足，其球推力和球拉力較低，從而導(dǎo)致第一焊點(diǎn)連接強(qiáng)度不足，引起器件失效.因此，對(duì)于0.025 mm鍍Au鍵合Ag線來(lái)說(shuō)，金層厚度約為108 μm，亦即金層厚度為其線徑的0.43%.

圖3 鍍Au鍵合Ag線不規(guī)則FAB導(dǎo)致球焊點(diǎn)部分外溢

Fig.3 Partial overflow caused by Golf ball of Au coated Ag bonding wires

2.2 不同力學(xué)性能(伸長(zhǎng)率和拉斷力)對(duì)鍍Au鍵合Ag線球鍵合強(qiáng)度的影響研究

對(duì)直徑0.025 mm AgAu2分別在不同參數(shù)下進(jìn)行熱處理，熱處理參數(shù)及其力學(xué)性能分別為：AgAu2-a在360 ℃熱處理3 s，其伸長(zhǎng)率為8.4%，拉斷力為14.4 g；AgAu2-b在420 ℃熱處理3 s，其伸長(zhǎng)率為16.2%，拉斷力為8.6 g，AgAu2-c在480 ℃熱處理3 s，其伸長(zhǎng)率為14.4%，拉斷力為8.4 g.圖4是分別采用AgAu2-a、AgAu2-b、AgAu2-c鍵合后(鍵合方式為Bonded Stitch on Ball，BSOB模式)球拉力測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果.從圖4中可以看出，AgAu2-a拉力值范圍波動(dòng)較大，最小值6.5 g，最大值16.0 g；AgAu2-b鍍Au鍵合Ag線球拉力分布均勻，波動(dòng)范圍較小，拉力值在9.5～11.5 g分布； AgAu2-c拉力值較低且波動(dòng)范圍較大.

圖4AgAu2-a、AgAu2-b和AgAu2-c鍍Au鍵合Ag線球焊點(diǎn)拉力分析

Fig.4 Analysis of ball pull force for AgAu2-a, AgAu2-b and AgAu2-c

圖5AgAu2-a、AgAu2-b和AgAu2-c鍍Au鍵合Ag線球焊點(diǎn)拉力斷點(diǎn)位置對(duì)比

Fig.5 Comparative analysis of broken location for AgAu2-a, AgAu2-b, and AgAu2-c

圖5是AgAu2-a、AgAu2-b和AgAu2-c球焊點(diǎn)拉力斷點(diǎn)位置統(tǒng)計(jì)，由圖5可知，AgAu2-b球拉力斷點(diǎn)位置基本都在中間斷裂(正常斷裂位置)，AgAu2-a和AgAu2-c鍍Au鍵合Ag線球拉力在頸部位置斷裂較多，其在頸部位置斷裂的比例分別為43.3%和70%；圖6、圖7分別是AgAu2-a和AgAu2-c鍍Au鍵合Ag線球焊點(diǎn)形貌，由圖6可知，AgAu2-a鍍Au鍵合銀線球焊點(diǎn)頸部位置存在微小裂紋，由于AgAu2-a鍍Au鍵合銀線熱處理溫度較低，熱處理后存在部分應(yīng)力集中，且強(qiáng)度較高，伸長(zhǎng)率較低，球焊點(diǎn)頸部在劈刀作用下反向大變形后在正向成弧，由于球焊點(diǎn)與楔焊點(diǎn)高度差較大，焊球頸部的成弧形變量大，由于其存在應(yīng)力集中，頸部熱影響區(qū)位置力學(xué)性能嚴(yán)重降低，從而形成頸部裂紋，致使其球焊點(diǎn)拉力在頸部斷裂，且拉力值較小.對(duì)于AgAu2-c，其熱處理溫度較高，熱處理過(guò)程中產(chǎn)生晶粒生長(zhǎng)，圖7(a)所示，強(qiáng)度開(kāi)始下降，在頸部熱影響區(qū)位置晶粒進(jìn)一步增大，如圖8所示，力學(xué)性能降低，進(jìn)而球拉力斷點(diǎn)位置較多出現(xiàn)在頸部大晶粒出，產(chǎn)生晶間斷裂，如圖9所示；AgAu2-b其熱處理過(guò)程中未出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象，組織結(jié)構(gòu)較為均勻，圖7(b)所示，其塑性變形能力較好，在鍵合過(guò)程中具有較好的頸部強(qiáng)度，消除了頸部斷裂缺陷.

圖6 AgAu2-a鍍Au鍵合Ag線球焊點(diǎn)頸部裂紋

Fig.6 Neck crack morphology of ball bonded for AgAu2-a Au coated Ag bonding wire

圖7 AgAu2-b和AgAu2-c鍍Au鍵合Ag線組織結(jié)構(gòu)

Fig.7 Structures for AgAu2-c and AgAu2-c Au coated Ag bonding wires

圖8 AgAu2-c鍍Au鍵合Ag線FAB頸部組織結(jié)構(gòu)

Fig.8 FAB neck structures for AgAu2-c Au coated Ag bonding wire

圖9 AgAu2-c鍍Au鍵合Ag線球焊點(diǎn)斷口形貌

Fig.9 Broken morphology of ball bonded for AgAu2-c Au coated Ag bonding wire

2.3 不同力學(xué)性能(伸長(zhǎng)率和拉斷力)對(duì)鍍Au鍵合Ag線鍵合可靠性影響研究

圖10為AgAu2-a、AgAu2-b、AgAu2-c鍵合后冷熱沖擊可靠性試驗(yàn)結(jié)果，由圖10可知,AgAu2-a鍍Au鍵合銀線冷熱沖擊200次后開(kāi)始出現(xiàn)失效(死燈)，經(jīng)過(guò)500次后有14%失效，1 000次后有90%失效；AgAu2-b鍍Au鍵合銀線冷熱沖擊200次后未出現(xiàn)失效(死燈)，經(jīng)過(guò)500次后有14%失效，1 000次后有70%失效；AgAu2-c鍍Au鍵合銀線冷熱沖擊200次后未出現(xiàn)失效(死燈)，經(jīng)過(guò)300次后有60%失效，500次后有76%失效，1 000次后完全失效.

圖10AgAu2-a、AgAu2-b和AgAu2-c鍍Au鍵合Ag線失效分析

Fig.10 Failure analysis of AgAu2-a, AgAu2-b, and AgAu2-c

圖11是經(jīng)過(guò)冷熱沖擊后的AgAu2-a、AgAu2-b、AgAu2-c球焊點(diǎn)形貌，由圖11(a)可知，AgAu2-a鍍Au鍵合Ag線，其經(jīng)過(guò)冷熱沖擊試驗(yàn)后，球焊點(diǎn)頸部出現(xiàn)明顯裂紋；對(duì)于AgAu2-c鍍Au鍵合Ag線，頸部明顯發(fā)黑，圖11(c)所示，并伴隨明顯裂紋；對(duì)于AgAu2-a和AgAu2-c由于其力學(xué)性能較差，頸部應(yīng)力集中或內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻，冷熱沖擊過(guò)程中在周期性形變作用下，其頸部產(chǎn)生裂紋并引起電阻增加，進(jìn)而產(chǎn)生發(fā)黑現(xiàn)象，并進(jìn)一步出現(xiàn)球焊點(diǎn)頸部斷裂，引起斷路失效.AgAu2-b鍍Au鍵合Ag線，其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)均勻，力學(xué)性能較穩(wěn)定，其抵抗周期性應(yīng)變能力較強(qiáng)，頸部沒(méi)有裂紋和發(fā)黑，圖11(b)所示，可靠性較AgAu2-a和AgAu2-c高.

圖11 鍍Au鍵合Ag線冷熱循環(huán)后球焊點(diǎn)形貌

Fig.11 Ball bonded morphology of Au coated Ag bonding wire after thermalcycling

3 結(jié) 論

本文通過(guò)研究不同鍍層厚度的鍍Au鍵合Ag線FAB形狀、鍍Au鍵合Ag線力學(xué)性能對(duì)鍵合質(zhì)量及可靠性的影響因素，得出以下結(jié)論.

1)鍍Au鍵合Ag線金層厚度影響FAB形狀，過(guò)小的金層厚度會(huì)形成高爾夫球桿狀的FAB球，過(guò)大的金層厚度會(huì)導(dǎo)致FAB底部變尖，0.025 mm鍍Au鍵合Ag線其金層厚度約為108.0 nm.

2)鍍Au鍵合Ag線高強(qiáng)度(拉斷力)、低伸長(zhǎng)率引起鍵合點(diǎn)頸部裂紋，低強(qiáng)度(拉斷力)、高伸長(zhǎng)率引起頸部晶粒粗大進(jìn)而降低頸部連接強(qiáng)度.

3)鍍Au鍵合Ag線頸部應(yīng)力集中或內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻，冷熱沖擊過(guò)程中在周期性形變作用下，頸部產(chǎn)生裂紋并引起電阻增加，產(chǎn)生發(fā)黑現(xiàn)象，引起斷路失效.