金、铜丝球键合焊点的可靠性对比研究

金、铜丝球键合焊点的可靠性对比研究
1 引言
丝球焊是引线键合中最具代表性的焊接技术，它是在一定的温度下，作用键合工具劈刀的压力，并加载超声振动，将引线一端键合在IC芯片的金属法层上，另一端键合到引线框架上或PCB便的焊盘上，实现芯片内部电路与外围电路的电连接，由于丝球焊操作方便、灵活、而且焊点牢固，压点面积大（为金属丝直径的2.5－3倍），又无方向性，故可实现高速自动化焊接[1]。

丝球焊广泛采用金引线，金丝具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，广泛应用于集成电路，铝丝由于存在形球非常困难等问题，只能采用楔键合，主要应用在功率器件、微波器件和光电器件，随着高密度封装的发展，金丝球焊的缺点将日益突出，同时微电子行业为降低成本、提高可靠性，必将寻求工艺性能好、价格低廉的金属材料来代替价格昂贵的金，众多研究结果表明铜是金的最佳替代品[2－6]。

铜丝球焊具有很多优势：
（1）价格优势：引线键合中使用的各种规格的铜丝，其成本只有金丝的1/3－1/10。

（2）电学性能和热学性能：铜的电导率为0.62（μΩ/cm）－1，比金的电导率[0.42（μΩ/cm）－1]大，同时铜的热导率也高于金，因此在直径相同的条件下铜丝可以承载更大电流，使得铜引线不仅用于功率器件中，也应用于更小直径引线以适应高密度集成电路封装；
（3）机械性能：铜引线相对金引线的高刚度使得其更适合细小引线键合；
（4）焊点金属间化合物：对于金引线键合到铝金属化焊盘，对界面组织的显微结构及界面氧化过程研究较多，其中最让人们关心的是"紫斑"（AuAl2）和"白斑"（Au2Al）问题，并且因Au和Al两种元素的扩散速率不同，导致界面处形成柯肯德尔孔洞以及裂纹。

降低了焊点力学性能和电学性能[7，8]，对于铜引线键合到铝金属化焊盘，研究的相对较少，Hyoung－Joon Kim等人[9]认为在同等条件下，Cu/Al界面的金属间化合物生长速度比Au/Al界面的慢10倍，因此，铜丝球焊焊点的可靠性要高于金丝球焊焊点。

1992年8月，美国国家半导体公司开始将铜丝球焊技术正式运用在实际生产中去，但目前铜丝球焊所占引线键合的比例依然很少，主要是因此铜丝球焊技术面临着一些难点：
（1）铜容易被氧化，键合工艺不稳定，
（2）铜的硬度、屈服强度等物理参数高于金和铝。

键合时需要施加更大的超声能量和键合压力，因此容易对硅芯片造成损伤甚至是破坏。

本文采用热压超声键合的方法，分别实现Au引线和Cu引线键合到Al-1％Si-0.5％Cu金属化焊盘，对比考察两种焊点在200℃老化过程中的界面组织演变情况，焊点力学性能变化规律，焊点剪切失效模式和拉伸失效模式，分析了焊点不同失效模式产生的原因及其和力学性能的相关关系。

2 试验材料及方法
键合设备采用K＆S公司生产的Nu-Tek丝球焊机，超声频率为120m赫兹，铜丝球焊时，增加了一套Copper Kit防氧化保护装置，为烧球过程和键合过程提供可靠的还原性气体保护（95％N25％H2），芯片焊盘为Al＋1％Si＋0.5％Cu金属化层，厚度为3μm。

引线性能如表1所示。

采用DOE实验对键合参数（主要为超声功率、键合时间、键合压力和预热温度四个参数）进行了优化，同时把能量施加方式做了改进，采用两阶段能量施加方法进行键合，首先在接触阶段（第一阶段），以较大的键合压力和较低的超声功率共同作用于金属球（FAB），使其发生较大的塑性变形，形成焊点的初步形貌；随之用较低的键合压力和较高超声功率来完成最后的连接过程（第二阶段），焊点界面结合强度主要取决于第二阶段，本文所采用的键合参数，如表2所示。

为加速焊点界面组织演变，在200℃下采用恒温老化炉进行老化实验，老化时间分别为n2天（n＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11）。

为防止焊点在老化过程中被氧化，需要在老化过程中进行氮气保护。

焊点的横截面按照标准的制样过程进行制备。

但由于焊点的尺寸原因需要特别精心，首先采用树脂进行密封，在水砂纸上掩模到2000号精度，保证横截面在焊点正中，再采用1.0μm粒度的金刚石掩模剂在金丝绒专用布上抛光，HITACHIS－4700扫描电镜抓取了试样表面的被散射电子像，EDX分析界面组成成分。

剪切实验和拉伸实验是研究焊点力学性能和失效模式的主要实验方法，采用Royce 580测试仪对各种老化条件下的焊点进行剪切实验和拉伸实验，记录焊点的剪切断裂载荷和拉伸断裂载荷，剪切实验时，劈刀距离焊盘表面4μm，以5μm/s的速度沿水平方向推动焊点，Olympus STM6光学显微镜观察记录焊点失效模式，对于每个老化条件，分别48个焊点用于剪切实验和拉伸实验，以满足正态分布。

3 试验结果与分析
3.1 金、铜丝球焊焊点金属间化合物成长
丝球焊是在一定的温度和压力下，超声作用很短时间内（一般为几十毫秒）完成，而且键合温度远没有达到金属熔点，原子互扩散来不及进行，因此在键合刚结束时很难
形成金属间化合物，对焊点进行200℃老化，如图1所示。

金丝球焊焊点老化1天形成了约8μm厚的金属间化合物层，EDX成分分析表明生成的金属间化合物为Au4Al为和Au5AL2，老化时间4天时出现了明显的Kirkendall空洞，铜丝球焊焊点生成金属间化合物的速率要比金丝球焊慢很多，如图2所示，在老化9天后没有发现明显的金属间化合物，在老化16天时，发现了很薄的Cu/Al金属间化合物层（由于Cu和Al在300℃以下固溶度非常小，因此认为生成的Cu/Al相是金属间化合物），图3显示了老化121天时其厚度也不超过1μm，没有出现kirkendall空洞。

在温度、压力等外界因素一定的情况下，影响两种元素生成金属间化合物速率的主要因素有晶格类型、原子尺寸、电负性、原子序数和结合能。

Cu和Au都是面心立方晶格，都为第IB族元素，而且结合能相近，但是Cu与Al原子尺寸差比Au与AL原子尺寸差大，Cu和AL电负性差较小，导致Cu/Al生成金属间化合物比Au/Al生成金属间化合物慢。

3.2 金、铜丝球焊焊点剪切断裂载荷和失效模式
图4显示了金、铜丝球焊第一焊点（球焊点）剪切断裂载荷老化时间的变化，可以看到，无论对于金球焊点还是铜球焊点，其剪切断裂载荷在很长一段时间内随老化时间增加而增加，随后剪切断裂载荷下降，这主要与不同老化阶段剪切失效模式不同有关，同时可以发现，铜球焊点具有比金球焊点更稳定的剪切断裂载荷，并且在未老化及老化
一定时间内，铜球焊点的剪切断裂载荷比金球焊点好，老化时间增长后，铜球焊点剪切断裂载荷不如金球焊点，但此时金球焊点内部出现大量Kirkendall空洞及裂纹，导致其电气性能急剧下降，而铜球焊点没有出现空洞及裂纹，其电气性能较好。

对于金球焊点，剪切实验共发现了5种失效模式：完全剥离（沿球与铝层界面剥离）、金球残留、铝层断裂、球内断裂和弹坑，图5显示了金球焊点剪切失效模式随老化时间的变化，未老化时，Au/Al为还没有形成金属间化合物，剪切失效模式为完全剥离，由于Au/Al老化过程中很快生成金属间化合物，失效模式在老化初期马上发展为以铝层剥离为主：随后，铝层消耗完毕，老化中期失效模式以金球残留为主，此时断裂发生在金属间化合物与金球界面；老化100天以后金球内部断裂急剧增加，成为主要失效模式，导致剪切断裂载荷降低。

对于铜球焊点，剪切实验共发现了4种失效模式：完全剥离、铜球残留、铝层断裂和弹坑。

图6显示了铜球焊点剪切失效模式随老化时间的变化，由于铜球焊点200℃时生成金属间化合物很慢，因此其剪切失效模式在老化较长时间内以完全剥离为主：弹坑随老化进行逐渐增多，尤其老化81天后，应力型弹坑大量增加，导致剪切断裂载荷下降，图7所示为弹坑数量随老化时间变化，需要说明的是弹坑包括应力型弹坑和剪切性弹坑，应力型弹坑为剪切实验之前就已经存在的缺陷，而剪切型弹坑是由于接头连接强度高，在剪切实验过程中产生，因此只有应力型弹坑是导致剪切断裂载荷下降的原因，相对金球焊点，铜球焊点剪切出现弹坑较多，主要是因为铜丝球焊键合压力比金丝球焊大。

2.3 金、铜丝球焊拉伸断裂载荷和失效模式
图8显示了金、铜丝球焊拉伸断裂载荷随老化时间的变化，金丝球焊拉伸断裂载荷随老化时间变化不大，拉伸断裂模式以第一焊点和中间引线断裂为主。

铜丝球焊拉伸断裂载荷随老化时间不断下降，由于铜的塑性比金差，而且铜丝球焊第二焊点键合压力比金丝球焊大很多，因此铜丝球焊第二焊点比金丝球焊变形损伤大，铜丝球焊拉伸时容易发生第二焊点断裂，第二焊点断裂又分为鱼尾处断裂（根部断裂）和焊点剥离（引线和焊盘界面剥离），如图9所示，铜丝球焊拉伸在老化初期为鱼尾处断裂，老化16天以后焊点剥离逐渐增多，主要是因为铜丝球焊老化过程中第二焊点被氧化，从而也导致拉伸断裂载荷下降。

4 结论
（1）铜丝球焊焊点的金属间化合物生长速率比金丝球焊焊点慢得多，认为Cu与Al原子尺寸差Au与Al原子尺寸差大，Cu和Al电负性差较小是其本质原因。

（2）铜丝球焊焊点具有比金丝球焊焊点更稳定的剪切断裂载荷，并且在老化一定时间内铜丝球焊焊点表现出更好的力学性能。

（3）铜丝球焊焊点和金丝球焊焊点老化后的失效模式有较大差别。