铜线键合CuAl界面金属间化合物微结构

1、也 封装、检测与设备Package,Test and EquipmenlDOI： 10. 3969/j. issn. 1003 -353x. 2011. 11.015铜线键合Cu/AI界面金属间化合物微结构研究刘兴杰-张滨海I,王德峻2,从羽奇S王家楫（1.复旦大学材料科学系.上海200433； 2.日月光封装测试有限公司.上海201203 ）摘要：由于铜线具有较鬲的热导率、卓越的电学性能以及较低的成本，被普遍认为将逐渐代 替传统的金线而在IC封装的键合工艺中得到广泛的应用。铜线键合工艺中Cu/AI界面金厲间化 合物Q1C）与金线键合的Au/Al IMC生长情况有很大差别，本文针对球焊键合中键

2、合点的Cu/ Al界面，将金厲间化合物生长理论与分析手段相结合，研究了 Cu/AI界面IMC的生长行为及其 微结构。文中采用SEM测试方法，观察了 IMC的形貌轩点，测莹并得到了 I1C月度平方正比于 热处理时间的关系，计算得到了生长速率和活化能数值，并采用TE'I, EDS等测试手段，进一 步研究了 IMC界面的微结构、成分分布及其金相结构。关键词：封装；铜线键合；微结构；金属间化合物；扩散中图分类号：TN3O5.96文献标识码：A文章编号：1003 -353X 0011 ） II -0880-05Properties of Cu-AI Intermetallic Compounds

3、 in Copper Wire BondingLiu Xinjie1 , Zhang Binhai1 , Wang Dejun2, Cong Yuqi2, Wang Jiaji1(1. Department of Material Science, Fudan UnitTrsily. Shanghai 200433. China ；2. ASE Assembly & 7对(Shanghai) IJmited. Shanghai 201203. China )Abstract: For its higher thennal conductivity, better electrical

4、property and lower cost, copper wire is considered to replace the conventional gold wire and become widely Used in IC assembly bonding processes recent years Th© growth of Cu/1 intennetallic compounds OMC ) is different from that of ?u/ Al IMC in gold wire bonding, the study was focused on Cu/A

5、I first bonding to learn Cu/AI interlace properties and behaviors, combining theories with many analysis methods, and get a systematic study on Cu/AI IMC growing process and its micro - structure By means of SEM analyi methods, topography feature of the IMC was observed, the square of IMC thickne wa

6、s measured and found being proportional to heat treatment time, Cu/AI IMC growing rate and activation energy were also calculated. The IMC microstructure9 the element distribution in IMC interface region and its metallurgical structure were further investigated by means of TEM and EDS.Key words： pac

7、kage; copper wire bonding; microstructure; intennetallic compound QMC ); diffusion EEACC: 2550； 0170Jo引言在IC封装工艺中，金线由丁其优秀电学性能 和稳定的化学性质.一直广泛应用丁芯片与框架或 基板间的互连傩合丁艺。但近年來.黄金价格持续 匕涨.加之ic封装越来越呈现高密度化趋势.半 导体业界开始研究用新材料來代替传统的金线。其 中铜线材料虽为受人关注2。相对金线而言,铜 线貝冇更高的拉伸强度.更高的热导率和更低的电 阻率,而且铜的价格便宜.仅为金的l/io但同时 铜线也有明显的局限性和缺陷,

8、相对于金线而言, 铜线更加容易氧化.并且硬度较高，这些都会影响 引线锥合的质量。傩合界面的一系列力学行为以及键合可幕性均 与金属间化合物的成分与性能有着也接和密切的关 系.因而铜线键合后界面处的金属间化合物2011年11月880半导体技术第36卷第11期刘兴杰 等：铜线犍合Cu/Al界面金厲间化合物微结构研究OMC )的牛.长悄况一点是人们最为关心的问题之 一。在传统的金丝球焊匚艺中键合后金丝球和芯 片上的铝垫形成的Au/Al金属间化合物aMC )的 牛长过程、机理及微结构特征祁已经得到了比较深 入的研究和讨论.并已有较成熟的结论.而对铜线 键合后Cu/Al界血的金属间化合物QIC )的研究

9、还相对较少。本文通过SEM, TEM和EDS等分析于段，并 结合金展界浙上的iic牛.长理论.系统地研究了 Cu/Al界hi IMG的牛长行为及具微结构.测就并计 算得到了其生K速率及活化能。1 CU/AI界面IMC的生长首先进行了一系列铜线键合肩Cu/Al界面IMC 的生长实验.通过测量不同老化时间下IMC的厚 度，得到了 Cu/Al界而金属间化合物的牛长速率。 该实验采用的铜线样品为4N纯铜线，苴径为 25 jinu在适当的工艺条件将铜线烧结成无空 7悍球(free air ball FAB ),并在铝垫上完成键合。 所冇实验样品的乞项键合参数均保持不变。本文选 定了 180 . 200

10、. 220 %：三个不同的温度作为热老化 参数.并对每一个温度卜不同时间Cu/Al界面的 IMC厚度进行了测量。对丁"匸长实验中所获得的所有样品，本文均采 取先勿封然肩再用氧化铝砂纸研磨和抛光的形式 进行制样以得到比较平整的【MC侧剖面.并在 SEM卜进行观案和测呆。图1显示了 180 T温度 196 h老化时间后IMC的生长情况。图1180弋温度环境下196 h老化后Cu/Al界面IMC SEM形貌图Fig. 1 SEM graph of Cu/Al IMC interface topography ageing after 196 h at 180 X.图1中Cu/Al界面上的I

11、MC区域已明显可见, 即箭头所指的区域o |I|T键合丁艺以及样品实际键 合衣面状态等原因，导致形成的IMC庁度冇一定 的起伏，所以在测呆和计算过程中对每个样品中的 IMC厚度进行了平均化处理。采用类似的方法，分别测得了 180, 200和 220 T温度下不同时间老化后的IMC厚度。按照所 得到的耳度数据绘制了散点图(图2所示)，并 进行了曲线拟合。从图中可以看出.当横轴设定为 IMC生长时间的1/2次方.纵轴设定为IMC厚度 时，«温度卜的散点也线拟合帖况较为理想，即说 明IMC厚度与工怏时间的平方根均近似成正比。丿/(Ws)图2不同温度下Cu/AI界面1MC生长厚度与时间平方根

12、的 拟合曲线Fig. 2 Fitted curve of grown IMC thickness and >quarp root of (imp in Cu/AI interface at different temj)eralure根据不同金属间扩散反应的相关理论.在具固 相反应过程中.一般认为金属间化合物的厚度遵循 经验公式x = (Kt),/na)式中:x为在/时刻金属间化合物生长的厚度,单 位为叫人为金属间化合物的卞长常数 或寻称为 牛长速率),单位为Gn2/S ); n为时间指数.在固相反应中，研究人员普遍认为：当“近似 为1时，金属间化合物的牛长为界血化学反应控 制；当“近似

13、为2时,金属间化合物的生长受扩散 控制；当“M3时.金属间化合物的生长行为则较 为复杂除了受娠本的扩散行为控制外.晶界也会 作为反应尤素的扩散通道.而随看扩散的进行.金 属间化合物牛长品界会不断地被扩散的金属原子 填满，使得通道数量减少、"值提高。因此，本文 试验中所得的IMC生长厚度与时间平方根。曲线 证实,Cu/Al的IMC牛长主要为原子的扩散行为刘兴杰 等：铜线犍合Cu/Al界面金厲间化合物微结构研究November 201 /Scniiconductor Technology Vol. 36 No. 11881刘兴杰 等：侗线钺合Cu/Al界面全属间化合扬微结构研究控制。同时

14、.根据公式 = （Ki ）,/fl可以血道，图2 中的三条直线的斜率即为卞长速率K的平方根. 因此.得到了不同温度卜的牛长速率如表1所示。表1不同温度下的IMC生长速率Tab. 1 IMC growth rate at different temperature参数数值r/K453473493K! (1«2厂1 )5.92E 20I.57E-194.08E-19根据扩故理论中著名的Arrhenius方程.本文 认为.Cu/AI界面IMC的卞长系数K也符合 Arrhenius 方程人=Koexp （-諜）Q）式中：人为生长速率；凡为牛长速率因子；为 金属间化合物牛长的激活能（也称活化能

15、）；R为 理想Y体常数8. 314 J/ GnolK）； T为绝对温度。 由该公式可加，和1/卩成一次函数关系，而该 直线的斜率即为'Q/R。根据衣1所得数据拟合出的直线如图3所示。 计算得Cu/AI界面金属间化合物的激活能（活化 能）为89. 5 kj/mol，它是Au/Al金属间化合物的 激活能40. 1 kj/mol的两倍多 <,因此Cu/AI的界 面互扩散速率将要比Au/Al界面慢很多。图3 Cu/AI界而IMC生氏速率与温度的关系Fig. 3 Kelalion>hip between Cu/AI interface IMC growth rate and the

16、tern,）eraturp'石要说叩的是.此次活化能测定所采用的足实 际Cu - FAB与Al- PAD的键合丁艺样品，所形成 的Cu/AI界而结构及其缺陷形态会受到具体超声 热斥焊的影响，由此产生界面结构上的微缺陷会帮 助Cu和A1原子的界面互扩散,从而增快了 IMC的生长速率，最终导致活化能降低。此外,根据Westbrook的IMC生长理论，晶格 类型、原子尺寸、电负性、价电子数、原子序数、 结合能等均会影响IMC生长速率.Cu, Al和Au 三种金属的相关性质如衣2所示。表2三种金属的性质比较Tab. 2 Comparison of three metal原子名称/原了疔数冊格

17、结构原子半径/nm电负性价电子Gi/29fee0. 1281.M/13fee0. 1431.53Au 779fee0. 1443. 11从表2中可知.三种金属都是面心立方结构, 晶格结构不是阳碍原子扩散的因素。但这二种元素 的原子尺寸不同，Au和A1原子半径大致相等，相 差仅为0.7%，而Cu和Al原子半径相差较大，达 10. 5% ,原子尺寸差增大，无论原子扩散遵循的是 玄换机制还是填隙子机制.祁会导致晶格畸变能増 加.需要克服的阳格变形能也越大.使得原子扩散 困难6。另一方面，AU与Al在电负性上的差异也 要比Cu与A1高得多，因此Au具有更髙的电场來 促进原子的扩散。从价电子构成的影响来看.Cu和Au的价电子 数祁是1,因此价电子対于IMC牛长速率的影响二 者相似。另外.元素的结合能往往用其熔点表征, Cu和Au的熔点分别是1 083忙和1 063 T,熔点 非常接近.因此结合能也不是影响牛.氏速率的主要 因素.综合以上分析，本文认为Cu与A1原子尺寸 相差校大、电负性差较小是造成Cu/AI界面IMC 生长速率比Au/Al小的主要原因。2 CU/AI界面IMC的微结构为了进一步