（凝聚态物理专业论文）aual键合可靠性及其失效机理研究.pdf

摘要 本文设计了专用键合测试结构和数据采集系统，采用温度冲击和 高温贮存等试验方法对a u - a l 键合系统在严酷环境中的失效机理及其 退化规律展开了研究，主要得到了如下结论： a u - a l 键合在温冲条件下具有较好的抗热疲劳性能，键合拉力在 合格范围内，键合电阻随着试验周期的增加而增大；高温应力导致 a u _ a l 键合界面形成电阻率较高的化合物，引起键合电性能退化。在 1 5 0 和1 7 5 高温试验中，a u - a i 键合电阻随着存储时间的增加逐渐 增大，在2 0 0 高温试验中部分键合电阻出现了急剧增大的现象，而 a l _ a u 键合电阻在相应的高温试验中基本不变。a u - a l 键合点的键合强 度会随着试验时间的增加而减小，随着试验温度的升高而降低，而 a 1 _ a u 外键合点的键合强度基本保持不变。 对失效样品进行理化性能检测分析发现生成了a u 5 a l 。、a u n l 和 a u 擅l 等金属问化合物和k e r k e n d a l l 空洞，化合物的形成导致键合电 阻逐渐增加，空洞的出现会使键合电阻急剧增加，键合沟的存在使空 洞首先在键合点外围形成，提高温度则可以在a u 和富a u 相化合物间快 速形成k e r k e n d a ll 空洞。 在系统分析试验数据的基础上，对本试验条件下制备的a u - a l 键 合样品的失效机理、寿命退化机制等进行了理论推导与物理建模。分 别确立了寿命应力模型和电阻模型的模型参数，发现本试验条件下 a u - a 1 金属间化合物形成的激活能在1 2 e v 左右，而产生柯肯戴尔空洞 的激活能在l e v 左右。a u a l 键合在常温条件下具有较高的寿命，其退 化失效随着温度升高而急剧增加。寿命应力模型和电阻模型都可以用 来描述金铝键合退化失效，在一定的键合工艺和失效机理条件下，采 用寿命应力模型可以预测不同温度应力下的键合寿命及其可靠性指 标，而采用电阻模型则可以预测不同温度应力下任意时刻的键合电 阻。 关键词a u a 1 键合，理化性能，失效机理，寿命模型，激活能，可靠 性 a b s t ra c t w i t hac o m b i n a t i o no fs p e c i a l l yd e s i g n e db o n d i n gm e a s u r e m e n t s t m c t i l r 鼠d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dt e m p e r a t u r es h o c k , h i g h t e m p e r a t u r es t o r a g ee x p e r i m e n t s ，w ei n v e s t i g a t et h ef a i l u r em e c h a n i s m a n dd e g e n e r a t er e g u l a r i t yo fa u - a ib o n d i n gs y s t e mi nh a r de n v i r o n m e n t ， t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： a u a 1 b o n d i n g h a s g o o d t h e r m a l f a t i g u e r e s i s t a n c e d u r i n g t e m p e r a t u r es h o c ka n db o n d i n gp u l l ，b o n d i n gr e s i s t a n c ei n c r e a s ew i t ha n i n c r e a s eo fe x p e r i m e n t a lp e r i o d ；h i 曲t e m p e r a t u r es t r e s sc a l ll e a dt h e f o r m a t i o no fh i g h - r e s i s t a n c ec o m p o u n d , w h i c hd e g r a d e st h eb o n d i n g p r o p e r t i e sa ta u a ib o n d i n g i n t e r f a c e i nh i g ht e m p e r a t u r ee x p e r i m e n t so f 1 5 0 a n d1 7 5 ，a u - a 1b o n dr e s i s t a n c ei n c r e a s e sw i t hs t o r a g et i m e ，a n d i n2 0 0 ce x p e r i m e n t ，p a r to ft h eb o n d i n gr e s i s t a n c ei n c r e a s es h a r p l y , w h e r e a s t h eb o n d i n gs t r e n g t ho fa u - a ib o n d i n gd e c r e a s e sw i t ha n i n c r e a s eo fe x p e r i m e n t a lt i m ea n dt e m p e r a t u r er e s p e c t i v e l yi n s t e a do f a i a ub o n d i n g t h ep h y s i c a lt e s t i n ga n dc h e m i c a la n a l y s i so ff a i l u r es a m p l e ss h o w s m a tt h ef o r m a t i o no fi m e r m e t a u i cc o m p o u n d ss u c ha sa u s a l 2 、a u 4 舢、 a u 2 a 1a n dt h ek i r k e n d a l lv o i dr e s u l tt h ei n c r e a s eo f b o n d i n gr e s i s t a n c e 。 u s u a l l y t h eb o n dg a pm a k e st h ev o i df o r mf i r s ta tt h eb a l lp e r i p h e r ya n d t h ek i r k e n d a uv o i df o r mf a s ta th i g l lt e m p e r a t u r ei na ua n da uc o m p o u n d p h a s e b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a , t h ef a i l u r em e c h a n i s ma n dl i f e d e g r a d a t i o nm e c h a n i s ma r ed e r i v e dt h e o r e t i c a l l ya n dp h y s i e a l l ym o d e l e d , a n dt h e nm o d e lp a r a m e t e r so ft h et w om o d e l sa r ee s t a b l i s h e d t h e a c t i v a t i o ne n e r g yo fa u a ii n t e r m e t a u i ca n dk i r k e n d a l lv o i di sg i v e na s a b o u t1 2 e va n dl e v , a u - a ib o n d i n gd e t e r i o r a t e si n c r e a s ew i t h t e m p e r a t u r ei n c r e a s e s t h et w om o d e l sc a l l b eu s e dt od e s c r i b et h e d e t e r i o r a t i o no fa u - a ib o n d i n g u s i n gl i f e - s t r e s sm o d e l ，b o n dl i f ea n d r e l i a b i l i t yi nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r es t r e s sc a nb es p e c u l a t e d ，w h e r e a su s i n g r e s i s t a n c em o d e l ，b o n d i n gr e s i s t a n c ea la n yt i m ei nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s l t e s sc a nb es p e c u l a t e d k e yw o r d sa u - a lb o n d i n g ， f a i l u r e m e c h a n i s m ， r e l i a b i l i t y p h y s i c a l a n dc h e m i c a l p r o p e r t i e s ， l i r e m o d e l ，a c t i v a t i o ne n e r g y , 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引线键合在电子封装中的地位及其研究进展 1 1 1 电子封装 电子封装是指将具有一定功能的电子器件芯片，放置在一个与之相适应的外 壳容器中，为芯片提供一个稳定可靠的工作环境封装是芯片功率输入、输出 端同外界的过渡手段，同时也是器件工作所产生的热量向外扩散的手段。芯片封 装后形成了一个完整的整体，保护器件不受或少受外界环境影响。并经过一系列 的性能测试、筛选以及各种环境、气候和机械的试验来确保器件的质量，使之具 有稳定的、正常的功能。 电子封装发展总的原则是：在保证可靠性的前提下提高传输速度，提高功率， 提高散热能力，增加i 0 端数，减小器件尺寸，降低生产成本嘲目前。i c 封装 概念已经由器件封装扩展为电子封装，即包括从芯片到组装在印制电路板( p c b ) 上的全过程。理论上，芯片规模集成( w s i ) ，即在一个芯片上制作出整个系统或 次级系统并进行封装，最后切割开来成为一个器件，是最理想化的微电子封装。 然而，由于集成电路工艺技术所限，导致w s i 成品率较低，迄今为止，微电子产 业一般仍采用先将芯片划分为一系列单个芯片，在进行各个芯片各自封装后，再 进一步组装成系统，因此形成了微电子封装系统中的多级封装组装体系。电子封 装可以分为一级封装、二级封装、三级封装以及芯片直接贴装于印制电路板等。 一级封装是指芯片级封装，即将芯片封装以形成器件，所以又叫器件封装 器件封装的形式很多，按其外壳来分，有陶瓷封装，塑料封装，金属封装和玻璃 封装等；由于塑料封装具有成本低和便于自动化生成等优点，得到了广泛的应用， 目前国际上超过9 0 的集成电路都采用塑料封装，而陶瓷封装，金属封装则被用 于对器件可靠性要求较高的高端产品中。按其引脚方式来分，有单列式封装、双 列式封装、针栅数组封装、四边引线封装；按其与印刷电路板的连接方式来分， 有插孔器件、表面贴装器件安装等。 二级封装即印制电路板的连接技术，从早期的插孔式( p i nt h r o u g hh o l e ) 向表面贴装技术( s u r f a c em o u n t i n gt e c h n o l o g y ) 发展。三级或更高级封装是 指板级互连，即p c b 板p c b 板之间以及子板与母板之间的互连。 芯片直接贴装于印制电路板( c o b ，c h i po i lb o a r d ) 或芯片直接贴装( d c a ， 硕士学位论文第一章绪论 d i r e c tc h i pa t t a c h m e n t ) 技术，如印制电路板贴装芯片( c o b ) ，玻璃板贴装芯 片( c 0 g ，c h i po i lg l a s s ) 和倒装焊( f c o b ，f l i pc h i po nb o a r d ) ，可以消减 一级封装，直接实现芯片和p c b 的连接。 1 1 ，2 引线键合在电子封装中的地位 根据芯片和封装的关系，电子封装可以分为一级封装( 器件级封装) ，二级 封装( 器件在印刷电路板上的封装) ，以及三级封装( 母板级组装) 等。显然， 一级封装是最重要，最复杂，是对器件的性能、可靠性影响最大的一道环节在 一级封装中实现芯片和外界电连接的主要工艺是键合( w i r eb o n d i n g ) 、倒装焊 ( f l i pc h i p ) 、和载带自动键合( t a p ea u t ob o n d ) 等。 由于可靠性高，制造容易和成本低等优势，键合工艺是最早发展起来的用于 芯片与外界互连的技术，它现在仍是半导体工艺中占绝对统治地位的互连技术。 事实上，几乎所有的塑封动态随机存贮器( d r a m ) 和大多数消费类电予芯片都采 用键合工艺键合工艺和倒装焊以及载带自动键合的主要区别在于，它是将芯片 上电信号的输入、输出( i o ) 端和封装外壳的引脚用细的金属丝连接起来实现 导电功能，即这些端口和引脚的互连是用金属丝一根接一根依次互连的，而不是 如f c 或t a b 工艺那样用导电材料将预先制好互连图案的芯片和外壳依次粘连起 来。这从一方面来看可能是键合工艺在速度上的一个缺点，但是实际上这也意味 着键合工艺的一个最大的优点；灵活。当布线方式改变时，只需很少时间就能设 计出来一个新的键合图( b o n dp r o g r a m ) ，并马上用于新器件的制造，而不需要 f c 或t a b 工艺那样，采用昂贵的设备和材料来费时费力地实现互连图案的改变， 从而节约了时间和成本。 同时，由于键合工艺是直接在芯片表面的输入输出( i o ) 端实现金属丝和 焊盘( p a d ) 的键合，与f c 或t a b 相比，节省了大量的用于在硅片上生长导电凸 点( w a f e rb u m p i n g ) 的成本，同时采用键合工艺，可通过改变连接线弧( 1 0 0 p ) 的形状和距离，使多种器件能使用同一基板和外壳，而无需分别设计，这也是键 合工艺优于f c 和t a b 的方面因此，灵活、方便、成本低是键合工艺得以广泛 应用的主要原因m 。 键合工艺在半导体封装中占压倒优势的另一个原因是其可靠性不断提高 在二十世纪九十年代早期，每年有1 2 1 4 x1 0 ”根金属线被用于键合工艺，次 品率和和测试失效率很低( 4 0 1 0 0 0 p p m ) ，且还在下降陬。现在无论是采用全 自动设备每周封装几百万个器件的大公司，还是采用手工设备的仅进行小批量生 产的小公司，采用键合工艺都很容易得到很高的成品率和可靠性。随着键合工艺 的完善和提高，它仍将是电子封装中实现互连的主要技术限”，而倒装焊和载带 2 硕士学位论文 第一章绪论 自动键合将主要用于高端的，输入输出( i o ) 端多的器件中。 1 1 3 引线键合技术概况 用键合工艺完成一级封装的步骤一般为：先将芯片( 通常是其背面) 用导电 银浆和焊料焊在一个金属框架( 1 e a d f r a m e ) 和基板( s u b s t r a t e ) 上，这一过程 通常叫做贴片( d i eb o n d i n g ) ，然后将贴完片的基板送入键合机。金属丝被先后 键合于芯片上的焊盘和基板上通常使用的键合工艺有：超声热压工艺 ( t h e r m o s o n i cw e l d i n g ) 、超声压焊工艺( u l t r a s o n i cw e l d i n g ) 和热压工艺 ( t h e r m o c o m p r e s s i o nw e l d i n g ) 表1 1 为三种工艺的基本对比。 表1 1 三种引线键合工艺 将金属丝键合在芯片或衬底上的主要形式有两种( 表2 2 ) ：球键合( b a l l b o n d i n g ) 和楔键合( w e d g eb o n d i n g ) 由于金丝球键合工艺的速度远快于楔键 合。符合现代半导体行业的要求，因此目前超过9 0 的半导体器件中的互连方式 采用金丝球键合方式，而用楔键合方式的约占5 球键合和楔键合方式最早都 是在热压工艺中采用，但由于该过程需要的温度太高( 约3 5 0 ) ，所以现在大 多改用超声热压金丝球( 或楔) 键合( 1 5 0 - - 2 0 0 ) 或室温铝线楔键合的工艺。 表1 2 两种引线键合形式 一个完整的键合体系包括在芯片上的内焊盘，键合引线和在基板或引线框架 上的外焊盘。通常内焊盘采用a l 膜、a 1 合金膜或以金为基础的多层金属化，外 焊盘则采用a u n i c u 膜，键合引线常采用a u 丝、a 1 s i 丝等。在引线键合中会 形成a u a u 、a 1 一a 1 、a u a l 等多种金属学系统，其中a u a 1 系统是引线键合 中最为广泛使用的系统但是这一系统将不可避免地导致形成a u a 1 金属间化 3 硕士学位论文 第一章绪论 合物和k i r k e n d a l l 空洞，而且其形成随时间和温度的增加而加剧，a u a 1 系统 中存在五种金属间化合物形式，因此这一系统通常存在可靠性问题。 1 2 可靠性概述 1 2 1 可靠性的定义 可靠性的定义是“产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能 力”该定义明确指出评价一个产品的可靠性，与规定的工作条件和规定的工作 时间有关，也与规定产品应完成的功能有关。“规定的工作条件”是指产品工作 时所处的环境条件、负荷条件和工作方式。环境条件一般分为气候环境和机械环 境。气候环境是指电子元器件所处环境的温度、湿度、气压、气氛、盐雾、霉菌 和辐射等气候条件：机械环境是指电子元器件是否经常受到外界机械应力的影 响，如振动、冲击、碰撞、跌落、离心和摇摆等。环境对电路所施加的应力可能 是恒定的，也可能是变化的和交变的。负荷条件是指电子元器件所承受的电、热、 力等应力条件，目前主要是指加在电子元器件上的电压、电流和功率等条件。工 作方式一般分为连续工作和间断工作，不工作的情况属于贮存状态。“规定的时 间”是指评价电子元器件的可靠性和时间相关，可靠性本身就是时间的函数，要 保持电子元器件全部性能处于良好的工作状态，时间长比时间短更困难。在同一 工作条件下，保持的时间越长可靠性越高。所以，在讨论电子元器件可靠性时， 必须指明在多长时间内的可靠性 1 2 2 可靠度 根据可靠性的定义，说明对于电子元器件在规定的条件下和规定的时间内， 可能具有完成规定功能的能力，也可能丧失了完成规定功能的能力( 称为失效) 。 这属于一种随机事件。描述这种随机事件的概率可用来表征电子元器件可靠性的 特征量和特征函数，即用概率来表征电子元器件完成规定功能能力的大小。这样， 可靠性定义即可定量化为：电子元器件在规定的条件下和规定的时间内，完成规 定功能的概率。这种概率称之为电子元器件的可靠度，通常用r 表示。 可靠度r ( f ) ：表示电子元器件产品在规定条件下使用一段时间，后，还能完 成规定功能的概率。如果将这段时间记为电子元器件的寿命，则可靠度表示从开 始使用到失效的时间可靠度的概率表达式为 置( f ) = p ( t t ) 如果有个电子元器件产品从开始工作到t 时刻的失效数为厅o ) ，当足够 4 曼! 主塑笙茎 苎= 兰堕堡 大时，产品在f 时刻的可靠度可近似表示为： i t ( t ) * 了。v - n ( t ) ( 1 2 ) 随时间的不断增长，r ( f ) 将不断下降它是介于1 与0 之间的数，即： o r 0 ) 1 1 2 3 累积失效概率 ( 1 3 ) 累积失效概率表示电子元器件产品在规定条件下到工作到f 时刻这段时间内 的失效概率，用即) 表示，又称为失效分布函数，其表达式为 即) = p ( t t ) ( 1 4 ) 如果w 个电子7 c 器件产品在规定条件下工作到，时刻的失效数为疗( ，) ，则当 足够大时，产品在，时刻的累积失效概率可近似表示为 f o ) * - 9 _ 2 ( 1 5 ) 显然，r ( r ) + f ( f ) = 1 ，假如电子元器件的失效分布规律服从二参数威布尔分布， 则 ，( ，) ：l 一唧 ：l e ) p - ( 1 6 ) 式中，t o _ i l - ，m 为形状参数，厶为尺度参数，j l 为特征寿命。 1 2 4 失效分布密度 失效分布密度，( ，) 表示在规定条件下工作的电子元器件产品在f 时刻的失效 概率失效分布函数，( ，) 的导函数称为失效分布密度( ，) ，其表达式如下： ，( ，) ：_ d f f ( t ) ：，( ，) ( 1 7 ) 讲 当电子元器件的失效分布服从二参数威布尔分布时，失效分布密度可表示为： 邝) - f ，( f ) = 一警= 乒f _ d c x 州扣 ( 1 8 ) 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 5 失效率 失效率五o ) 也称为产品的瞬时失效率，是表征电子元器件可靠性数量的重要 标志。在实际工作的产品中，规定在t 时刻到( t a r 址) 的时间间隔，时间内的 产品失效百分比就是瞬时失效率。所以，a ( f ) 并不表示平均失效率其数学公式 推导如下： f ( f + a r ) 一，( f ) = r ( t ) - r ( t + a t ) 在时间间隔a t 内的平均失效率为 1 r ( t ) - r ( t + a t ) a t r ( f ) 在，一0 、以_ 的极限情况下，瞬时失效率为； 狰一击警= 等 = 焉一“d t m ( 1 9 ) l f ( f ) 如果电子元器件的失效分布规律服从二参数威布尔分布，r p f ( t ) ：l e 一，t 0 ， 婀靠度聊) = i - f ( f ) = e 广，失效靴) - - 南掣= 詈 1 2 6 寿命 寿命是定量表征电子元器件可靠性的又一类物理量。由于可靠性是一种统计 的概念，因此，在某一个特定电子元器件个体发生失效之前，难以标明其确切的 寿命，但明确了某一批电子元器件产品的失效率的2 ( t ) 特征后，就可以得到表征 其可靠性的若干寿命特征量，如平均寿命、可靠寿命、中位寿命、特征寿命等。 平均寿命是最常用的一种寿命特征量，是指一批电子元器件产品寿命的平 均值。从数理统计的观点，它是寿命的数学期望值。电子元器件产品属于不可修 复型产品，他们的平均寿命是指产品失效前的工作或储存时间的平均值，通常用 m 竹f ( w e a nt i m et of a i l u r e ) 表示。 如果已知总体的失效分布密度厂( ，) ，则可得到总体平均寿命的表达式 = i t f ( t ) d t 6 硕士学位论文第一章绪论 假如电子元器件的失效分布规律服从二参数威布尔分布，即f ( f ) ：l e 一，t o ， 则 邝) 玎，( r ) 2 乒吖“晰吾) _ 平均寿命可表示为 k = 矿正m + 1 ) ( 1 t o ) 可靠寿命是指一批电子元器件产品的可靠度五( f ) 下降到r 时，所经历的工 作时间。k 值可由r ( t r ) = r 求解。假如产品的失效分布属于威布尔分布规律， 则 即可求得k 如下 r ) ：口一詈，：(1 11) r(t r1 1 置) = 口” = ( 1 = 1 7 ( _ 2 3 0 2 6 1 9 r ) 。 ( 1 1 2 ) 中位寿命r o j 指产品的可靠度r ( t ) 降为5 0 时的可靠寿命，即： t o j = f ( t o j ) = 5 0 ( 1 1 3 ) 对于指数分布情况，可得 l t o j = 玎( _ 2 3 0 2 6 1 9 r ) 。 ( 1 1 4 ) 特征寿命f o 瑚是指产品的可靠度r ( f ) 降为三时的可靠寿命 1 3a u _ a i 键合可靠性研究进展、目的及意义 1 3 1a u - a i 键合可靠性研究进展 国外在七十年代前后，对a u a 1 键合系统的失效机理进行了一些研究工作， 该键合系统中最显著的失效现象是“紫色灾难”( p u r p l ep l a g u e ) ，就是指当温 度较高时( 3 5 0 以上) a u a 1 接口由于a u 和a 1 互扩散( a u 线键合在a 1 膜上， 或a 1 线键合在a u 膜上) 生成金属间化合物( 颜色为紫色) ”导致器件失效的 现象。g e h m a n 酬研究指出，在合适的条件下a u a 1 接口将生成金属间化合物a u a l 。 ( 紫色) 和a u 5 a 1 。( 白色) 等，这些金属间化合物本身并不会对器件的性能造成 损害，但他们的出现标志着键合点的可靠程度已经下降。因为这些金属间化合物 是脆性的，由于热循环等导致的金属丝的振动会很容易造成金属间的开裂和分 层，导致键合失效更值得注意的是，在高温下a 1 将迅速向富a 1 相a u a l ：中扩 7 硕士学位论文 第一章绪论 散会导致在a l 和a u a l ：的边界处出现空洞，被称为k i r k e n d a l lv o i d 同样。a u 原子也将向富a u 相a u 5 a 1 2 中扩散，在a u 和a u d l ：的接口处也能观察到k i r k e n d a l l v o i d 的出现。如果原子扩散现象进一步加剧，则会生成新的金属问化合物，在 边界处的空洞也将增多，最终将造成的结果是电路开路或焊点脱落。h o r s t i n g 口1 1 等指出如果镀金层中有杂质存在，将会出现增强的k i r k e n d a l lv o i d 的现象。以 上研究是针对热压焊展开的，其初始键合温度在3 5 0 以上通过改进设计和工 艺，使制造过程中器件在3 5 0 或更高温度处停留时间缩短，在使用过程中也不 会达到这样高的温度，所以在电子封装行业大多未在参考文献之外的其它地方真 正碰到过。紫色灾难”或“k i r k e n d a l lv o i d ”等失效现象。 随着键合工艺的改进，近年来对a u - a l 键合系统的进一步研究表明，该系统 经高温贮存后，将产生多种金属间化合物嘲，如a u 止l ，a u 5 a 1 ：，a u 2 a 1 ，a u a l ， a u a l 等。这几种金属间化合物的晶格常数和热膨胀系数互不相同侧，因而在键 合点中产生很大的内应力，由于金属间的互扩散效应，经过高温处理的金铝接口 将形成k i r k e n d a l l 空洞衢】，导致键合电阻增加或者开路嘲。这些金属间化合 物不是同时产生的，而是依次形成的矧。最先在金属接口处出现的是“2 a 1 ， 它在8 0 高温下即可出现( 5 0 时已存在局部不规则的a u 4 1 ) ，同时伴随中间 产物a u 5 a l 。，这一过程直到a 1 或a u 完全耗尽为止如果a u 膜厚度大于a l 膜， 则a l 完全耗尽。当温度增高到1 2 5 以后，a u 。a l 将转化为a u 5 a l ：；进一步加热 至1 7 5 ，产生a u a l 若a l 膜厚度大于a u 膜，则a u 全部耗尽当加热到2 3 0 时，a u 擅1 将转化为a u a l ：，而且研究表明化合物的厚度与热处理时间t 的平方 根成正比早期的研究认为a u a 1 键合点经高温贮存，接触电阻变大，主要是 a u a l 。( 俗称紫斑) 造成的，但后来有人认为不是a u a l ：，而是a u 2 a l ( 又称白斑) ， 因为其电阻率更低，质脆 a u a l 系统( 金丝与铝金属化间的内键合点、铝丝与镀金管腿间的外键合 点) 的脆裂导致键合点接触电阻增大，甚至脱落开路。键合部位由于异种金属的 接合，其晶格常数和热膨胀系数不同，经长期贮存后，金属间存在的互扩散效应 导致a u a l 化合物的产生，这些金属间化合物的晶格常数、膨胀系数以及形成过 程中体积的变化都是不同的，而且电导率都较低”1 。从而交界面电阻急骤上升、 键合强度显著下降。 虽然国外同行对金铝键合系统的失效机理有了较多的研究，结论却各不相 同，甚至相互矛盾。而国内对金铝键合失效微观机制的研究目前还没有相关报导。 同时，由于工艺和材料的差异，从科学的角度看不能直接引用国外同行的结论。 对于描述a u _ a l 键合系统退化规律的数学物理模型的研究还很少报导。国外 有人认为热压键合拉力随时间的变化可用来研究a u _ a l 键合的退化，并提出了相 3 硕士学位论文第一章绪论 应的数学模型，认为在环境温度为t 的条件下，由于 u - l 相互扩散而形成a u - a 1 化合物，使键合接触面积逐渐减小，键合拉力逐渐降低，最终导致键合失效。但 在对国内a u - a 1 键合退化的研究分析过程中，发现用键合拉力的变化来反应 a u a 1 键合的退化有其局限性。首先，键合拉力的测试是破坏性的，在进行键合 拉力测试时，要将键合引线拉断，因而无法继续监测键合拉力的变化情况。其次， 拉力测试精度不高，a u a 1 键合拉力测试仪的分辨率为0 5 克，精度则更低。再 次，有时 u - a l 键合的退化不能用键合拉力的变化来反应，键合的严重退化有时 也难于在拉力测试中反应出来。 国外有报导反映，a u - a l 键合的接触电阻在高温下会呈现越来越大的趋势， 但大多数都未能给出反映这种趋势的数学物理模型1 9 6 7 年g o r d o nkc 叫等人 认为金铝键合是一种扩散行为，键合电阻与溶质浓度直接相关，因而可以用电阻 来衡量热退火过程中金铝键合的退化。并根据二元合金电阻的计算公式导出金铝 键合在高温退火过程中合金电阻的表达式，再利用在不同的老化温度和时间下电 阻变化的重叠关系求出参考温度处的比例常数。该比例常数也可以利用固体扩散 经验公式导出，最后利用a r r h e n i u s 模型外推出不同温度下的比例常数并求出样 品的激活能。虽然该研究分别利用二元合金电阻公式和固体扩散经验公式导出了 比例系数和a u a l 键合的激活能，但是没有对失效机理进行微观机制研究，也没 有对试验结论进行验证，更没有给出该键合工艺的定量可靠性指标。 高温下a u _ a 1 键合系统的接触电阻随着试验时间的增加而增大，有人根据此 现象，提出了用接触电阻的变化来描述a u - a l 键合系统退化规律的数学模型，并 确立了相应的模型参数口1 1 但是该研究也没有对键合失效进行微观形貌观察研 究，也没有就不同失效机理分别确立模型参数以及对试验结论进行验证，同样也 没有给出该键合工艺的定量可靠性指标。 已有的文献表明，针对a u - a 1 键合失效机理和退化模型的研究主要集中在高 温区，而混合微电路中金铝键合的使用和贮存温度往往都不在此温度范围，确定 合理的贮存和使用温度范围是确保产品可靠工作的关键。同时关于a u - a 1 键合可 靠性的研究大多只针对金丝一铝膜键合，而对于铝丝一金膜键合研究较少。目前 还没有同时利用寿命应力模型和敏感参数模型对a u a l 键合的可靠性进行研究， 并利用试样断口的结构观察等试验研究验证结果。 1 3 2 u - a i 键合可靠性研究的目的和意义 在半导体器件的失效中，由引线键合引起的失效占4 9 。而电子封装中9 0 9 6 以上都采用a u a l 键合，可见研究a u - a 1 键合的可靠性对整个器件乃至系统的 可靠性研究都是十分重要的。适应国际形势和我国军用武器系统应用的要求，高 9 硕士学位论文第一章绪论 新武器系统的储备是保障国家安全的前提和基础。武器系统必须适应长期贮存、 随时可用和能用的特点，尤其是导弹等长期贮存、一次性使用的武器系统，元器 件的贮存寿命更是一项非常重要的指标。和平时代武器装备多处于非工作长期贮 存状态，为了保证其耐环境能力和长期可靠性，对元器件的贮存可靠性提出了更 高的要求。作为航天型号系统中最基本的元器件必须满足航天提出的“双零方 案0 即例行试验、交收试验均采用零失效方案。自。九五”期间开始的军用电 子元器件长期贮存可靠性研究表明，2 8 6 个型号规格9 9 0 9 个样品自然条件下库 房长期贮存试验，至今共累积约1 8 万个资料，3 4 3 x1 0 元器件小时，共发现有 1 4 5 个样品失效。东风三号地地核导弹延寿工程的电子元器件延寿试验( 试验对 象是从弹头及弹体系统上分解下来的、贮存时间多数达到l o 年以上的电子元器 件) 结果表明经弹上系统长期贮存的元器件，仍按其原产品技术规范要求考核， 性能已普遍较差，多数产品的贮存期达不到系统保存期限的要求。因此，为保证 重大型号系统的可靠性，开展元器件贮存可靠性及其评价、保障技术方面的研究 有着其重要意义同时，随着集成电路工业的迅猛发展，其输入输出埠数越来越 多，间距越来越小，应用领域也越来越广，而a u a l 键合作为电子封装中的一 种主要互连方式，其在贮存和工作状态下的可靠性、失效机理及其寿命评价的研 究越来越受到关注。 1 4 本文研究思路 引线键合是混合微电路内部互连的主要方式之一，目前金铝系统在引线键合 中仍然有广泛应用。通过加速寿命试验，开展非工作状态下内引线和外引线键合 可靠性评价，并从键合微观机制上给予解释，评价结果及理论分析将为键合可靠 性研究提供重要参考，有利于金铝键合可靠性的提高。同时，寿命应力模型和可 靠性物理模型在金铝键合加速寿命试验中的应用探索性研究，为可靠性指标的正 确确定提供一定的理论依据，可推广至其他元器件门类的加速寿命试验研究，具 有重要的理论和实际意义 本文主要从以下几方面展开研究： 对目前广泛采用的热超声键合工艺，设计并制作了金丝球键合和楔形键合两 种样品，主要用来研究金丝一铝膜内引线键合失效的微观机制及其寿命退化模 型，而针对超声键合工艺主要设计了铝丝一镀金层外引线键合样品，用来与内键 合点进行对比研究；对样品开展加速寿命试验并分析试验结果；对金铝键合点进 行微观机制研究，确认键合失效机理，解释，验证试验结果；分别利用寿命应力 模型和可靠性物理模型( 敏感参数模型) 处理试验数据，求出模型参数、不同失 效机理的激活能及可靠性指标；最后提出目前键合工艺产品的可靠性评价办法。 i 0 硕士学位论文第二章a u - a l 键合可靠性试验研究 第二章a u - a i 键合可靠性试验研究 2 1 试样设计与制备 在长期贮存或使用的过程中导致集成电路和混合微电路等各种元器件失效 的因素不是单一的，其失效机理很多，失效原因主要有腐蚀、贴装和键合等，为 了避免不同失效机理之间的相互影响，不能直接针对器件或电路开展可靠性研 究。一般采用对单一失效机理，设计样品测试结构，模拟其相关电路单元进行试 验、分析、检测 根据前面的介绍，电子封装中的键合工艺主要有热超声、超声波以及热压三 种形式但是热压焊需要的温度太高，对形成的键合造成早期损伤，在以后的贮 存和使用过程中很容易出现失效，所以目前主要采用热超声焊、超声焊两种工艺 由于键合工具不同，产生的键合形式也不同，通常有球键合和楔键合两种形式 电子封装中的引线键合往往有多种金属学系统，其中最广泛使用a u a 1 系统，包 括金丝与铝膜内键合点以及铝丝与金膜外键合点。考虑到样品制作的成本问题以 及不同键合体系的比较，我们将多个考核项目包容在键合测试结构中，针对热超 声球键合、热超声楔键合以及超声楔键合等工艺分别制备了测试样品，表2 1 是 三种测试样品对比情况，其中，键合金丝采用纯度为9 9 9 9 9 、直径为2 5 p r o 的a u 丝，芯片上a 1 膜厚度为l 岫，键合铝丝采用直径为3 2 岫的a i s i 丝，s i 含量为w t l 。 管壳引线柱采用镀a u 金属化层。测试结构均用1 6 引脚双列直插式陶瓷一金属封 装。 表2 1 三种测试样品对比情况 引线连接应具有低的接触电阻、合适的机械强度、长期的显微结构稳定性和 小的寄生参量。文献认为通过检测键合拉力( 机械强度) 很难全面反映出键合退 化情况，因此主要借助监测接触电阻的变化来体现引线键合的退化由于单个键 合点阻值较小，电阻测试受仪器精度和外界的干扰较大，所以在芯片的铝金属化 硕士学位论文 第二章a na l 键合可靠性试验研究 上制作一组( 8 个) 内引线键合点，在管壳的a u 金属化上制作两组( 4 个组) 外 引线键合点，这些键合点串联起来增大电阻阻值，减小单个键合电阻的测量误差， 同时采用适合小电阻测量的四线法测量键合电阻，这些措施有利于减少引线电阻 对测量结果的影响。 图2 1 为键合测试结构，每只样品中包含1 组内引线键合( 8 个键合点组) 和2 组外引线键合( 4 个键合点组) 引脚9 ，l o 、1 l 、1 2 为内引线键合测试 端，其中9 ，1 1 为电流测试端，1 0 、1 2 为电压测试端。引脚5 、6 、7 ，8 和1 3 、 1 4 、1 5 、1 6 为两组外引线键合测试端，其中5 、7 和1 3 、1 5 为电流测试端，6 、 8 和1 4 、1 6 为电压测试端。要求同组键合中处于同一位置的电流、电压测试端 位于同一直线上( 见图2 1 ) 。 3456 图2 1 键会测试结构 图2 2 芯片尺寸示意图 1 2 硕士学位论文 第二章a u a l 键合可靠性试验研究 芯片和封装管壳委托某厂制作，图2 2 为芯片尺寸示意图，图2 3 为封装管 壳 委托代表国内工艺水平的某研究所将特制芯片分别用导电胶粘接和铅锡焊 接两种方式贴装在封装管壳的中央位置，图2 4 为键合测试结构实物图。根据前 面的设计，采用热超声金丝球键合工艺制作6 0 只样品，芯片上的键合点形成 a u - a 1 金属系统( 见图2 5 ( a ) 和( b ) ) ，而在管壳上的键合点则形成a u a u 金属 系统( 见图2 5 ( c ) ) 采用热超声金丝楔键合工艺同样制作了6 0 只样品，芯片上 的键合点形成a u a 1 金属系统( 见图2 6 ( a ) 和( b ) ) ，而在管壳上的键合点则形 成a u a u 金属系统( 见图2 6 ( c ) ) 。采用超声波a l 丝楔键合工艺也制作了6 0 只 样品，芯片上的键合点形成a 1 一a 1 金属系统( 见图2 7 ( a ) 和( b ) ) ，而在管壳上 的键合点则形成a 1 一a u 金属系统( 见图2 7 ( c ) ) 。 图2 3 封装管壳图 图2 4 键合测试结构实物图 图2 5 热超声金丝l 岫乏合工艺样品形貌，“) 芯片外观图，( b ) 内键合点，( c ) 外键合点 硕士学位论文第二章a u - a 1 键合可靠性试验研究 图2 6 热超声金丝楔键合工艺样品形貌，( a ) 芯片外观图，( b ) 内键合点，( c ) 外键合点 图2 7 超声波a i 丝楔键合工艺样品形貌，“) 芯片外观图，( b ) 内键合点，( c ) 外键合点 2 2 试验装置 试验装置主要由试验箱、老化板、高温导线以及在线电阻测试系统( c r o m s ) 四部分构成，图2 8 为试验装置示意图。 图2 8 试验装置示意图 1 4 硕士学位论文第二章a u - a i 键合可靠性试验研究 图2 9 试验装置实物图图2 1 06 位半高精度万用表 图2 1 1 数据接口图2 1 2 老化板实物图 图2 9 为试验装置实物图，其中在线电阻自动测试系统包括自主开发的数据 采集软件和计算机、电表( 见图2 1 0 ) 、数据接口( 见图2 1 1 ) 等硬件，数据采 集软件可以实现电阻和温度的实时监测，实测电阻与初始值的比较分析，判断样 品失效数，记录样品失效时间和试验执行时间等功能；根据试验的要求，试验箱 可以选择高温箱、温度冲击箱、温度循环箱等环境试验箱体；为了解决高温环境 中的电阻测试和长时间的接触稳定性等问题，专门购买了特制高温导线，并制作 了与之配套使用的高温老化板，图2 1 2 为老化板实物图，试验中该部分处在严 酷环境下，所以对老化板和与之相连的导线有相关的要求，即能经受试验环境的 考验。每块老化板上可以焊接8 个插槽，试验样品被安放在插槽内与老化板实现 电连接，高温导线直接和老化板的输出端焊接，这种设计可以避免试验中的接触 问题以及样品在试验箱中的放置问题，图2 1 3 为老化板电路图。 硕士学位论文第二章a u - a i 键合可靠性试验研究 幽 粉淤 嚣产 剧上是 l豢戳 。 _ ；嚆_ _ 喽 枷 蒯 翮 # _ * 耕 一4 ：8 蕊 醺”_盏”麓湖 m 确 翮，tl u i t t t 割 o 鬣 4 。 删删# ，m 艮 翮翮翮翮 ：。t l h t l 3 a l l l l t 。i l l t l l。t t i u t l t 麓 ：l u l l 副 i , i l li i i 0 磁 翩 编。薯 ll 图2 1 3 老化板电路图 引线键合是半导体封装内部互连的主流方式之一，a u _ a l 键合系统大量应用 于半导体分立器件、集成电路、混合集成电路、m c m 组件等系统中。统计分析发 现，引线键合导致的器件失效模式约占4 9 嘲，可见键合系统的可靠性对整个器 件的可靠性是非常重要