鐘小剛，李 莉

（廣東風(fēng)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(duì)于封裝廠來說，隨著原材料價(jià)格不斷上漲，原材料價(jià)格在封裝成本中所占的比例越來越突出。在此種嚴(yán)峻形勢(shì)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?yàn)殂~線的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，加之良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、機(jī)械性能，替代金線鍵合并實(shí)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(gè)世紀(jì)，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(xué)穩(wěn)定性不如金，而且銅導(dǎo)線的制備、應(yīng)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(yīng)用面臨巨大考驗(yàn)[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(zhǎng)和分布將影響鍵合點(diǎn)的可靠性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)“脫鍵”，導(dǎo)致元器件失效。同時(shí)，熱的作用還可能導(dǎo)致焊點(diǎn)內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[3～4]。高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)可以加速焊點(diǎn)微觀組織演變，在短時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)元器件長(zhǎng)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(chǔ)下焊點(diǎn)界面IMC的生長(zhǎng)及微觀結(jié)構(gòu)變化。

2 高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以20.3 μm銅線鍵合產(chǎn)品SOT-23為試驗(yàn)樣品進(jìn)行高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)，樣品在試驗(yàn)之前經(jīng)檢測(cè)電氣性能良好。試驗(yàn)設(shè)備為愛斯佩克PHH201。

將樣品同時(shí)進(jìn)行175 ℃、200 ℃和250 ℃下的高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)。每個(gè)設(shè)定溫度下分別試驗(yàn)1天、4天、9天、16天、25天。每組試驗(yàn)取15只樣品。之后對(duì)樣品進(jìn)行磨拋，利用OLYMPUS GX71金相顯微鏡和HITACHI S-4700電子顯微鏡分別對(duì)鍵合界面進(jìn)行金相、SEM觀察。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 存儲(chǔ)溫度為175 ℃

在175 ℃下存儲(chǔ)不同時(shí)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(diǎn)狀分布的IMC向鋁層突出生長(zhǎng)。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，界面上更多的IMC突出，到第9天的時(shí)候這種趨勢(shì)已經(jīng)很明顯。繼續(xù)增加存儲(chǔ)的時(shí)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(zhǎng)停止，并進(jìn)一步朝著垂直界面方向生長(zhǎng)。當(dāng)達(dá)到25天時(shí)，整個(gè)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(shí)IMC最厚處達(dá)到約1.3 μm。利用EDX對(duì)25天的鍵合界面的俯視面進(jìn)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(zhǎng)狀態(tài)。銅球焊點(diǎn)截面SEM圖像如圖1（a）和（b）。對(duì)IMC較集中的區(qū)域進(jìn)行EDX分析測(cè)試，得到銅和鋁的原子百分比約為31.5:67.3，可預(yù)計(jì)主要成分為Al2Cu[5～6]。

3.2 存儲(chǔ)溫度為200 ℃

將試樣在200 ℃下分別存儲(chǔ)1天、4天、9天、16天和25天。存儲(chǔ)1天后，仔細(xì)辨認(rèn)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(kuò)散比鋁原子向銅球內(nèi)擴(kuò)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(jié)構(gòu)與第1天相同，只是總厚度達(dá)到0.5～0.7 μm。在存儲(chǔ)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(dá)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(diǎn)截面SEM圖像如圖1（c）和（d）。

圖1 不同存儲(chǔ)時(shí)間銅球焊點(diǎn)截面SEM圖像

隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，裂紋沿著界面擴(kuò)展并逐漸增大。圖2為200 ℃分別存儲(chǔ)9天、16天和25天后，剝離銅球后鍵合焊點(diǎn)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(shí)間的增長(zhǎng)，鍵合區(qū)生成的IMC的分布面積明顯增大。同時(shí)還可以看出同一鍵合點(diǎn)內(nèi)IMC的分布非常不均勻，對(duì)于不同的銅球鍵合焊點(diǎn)，IMC的分布規(guī)律不同，有的在焊點(diǎn)邊沿區(qū)域優(yōu)先生成IMC并生長(zhǎng)較厚，如圖3（a）和（c）所示；有些IMC則在鍵合點(diǎn)中心區(qū)域形成較多，如圖3（b）所示。

進(jìn)行EDX分析，IMC中銅的含量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，最終形成的穩(wěn)定塊狀I(lǐng)MC中銅與鋁的原子百分比約為1:2。綜合以上的分析結(jié)果，可以認(rèn)為在200 ℃存儲(chǔ)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(chǔ)溫度為250 ℃

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

圖3 200 ℃存儲(chǔ)不同時(shí)間銅球焊點(diǎn)俯視面SEM圖像

圖4 250 ℃存儲(chǔ)16 h出現(xiàn)點(diǎn)蝕及表面反應(yīng)

當(dāng)時(shí)間達(dá)到9 h后，在靠銅球側(cè)發(fā)現(xiàn)了Kirkendall空洞，裂紋向著空洞的方向擴(kuò)展?？斩吹拇嬖跇O大地弱化了鍵合界面的結(jié)合強(qiáng)度，加之IMC脆性大，當(dāng)受到因溫度變化等因素產(chǎn)生較大應(yīng)力作用時(shí)很容易在空洞處生成裂紋，裂紋一旦形成便沿著強(qiáng)度很低的存在空洞的區(qū)域快速擴(kuò)展，最終貫穿整個(gè)鍵合界面。當(dāng)存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)到16 h，EMC層和銅之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。銅絲上開始出現(xiàn)類似點(diǎn)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(yán)重。

存儲(chǔ)更長(zhǎng)時(shí)間之后，如圖5所示?？梢钥闯鳇c(diǎn)蝕的實(shí)質(zhì)是銅的晶粒結(jié)構(gòu)由于元素間的反應(yīng)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I(xiàn)MC、銅絲內(nèi)生成的塊狀白色I(xiàn)MC以及銅絲附近塑封料中的白色I(xiàn)MC的成分比較接近，銻的原子百分含量在22%～23%左右，預(yù)計(jì)生成的IMC相為Cu3Sb。

4 小結(jié)

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

（2）200 ℃存儲(chǔ)時(shí)，隨著時(shí)間的增加，Cu-Al鍵合界面的擴(kuò)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(chǔ)9天時(shí)，在銅球與IMC之間形成了微裂紋，時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，則裂紋擴(kuò)展至整個(gè)鍵合界面。較長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)之后界面處生成的IMC以CuAl2為主。

圖5 250℃存儲(chǔ)不同時(shí)間下銅絲的變化

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

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