金铜丝球键合焊点的可靠性对比研究

1、金、铜丝球键合焊点的可靠性对比研究徐慧，杭春进，王春青，田艳红学材料科学与工程学院微连接研究室 黑龙江 哈尔滨150001 ）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 ,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 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 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 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， 代26。铜丝球焊

2、具有很多优势：（1）价格优势：引线键合中使用的各种规格的。（2）电学性能和热学性能：铜的电导率为 0.62 （pQcm） 1,比金的电导率0.42 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 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 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， 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 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

3、Au/Al界面的慢 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）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 损伤甚至是破坏。别实现u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 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 性能的相关关系。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 程提供可靠的还原性气体保护（95%N25%H2）,芯片焊盘为A1+1

4、%Si+0.5%Cu 如董所不。生能）Au（99,99%）如M - 55 4 12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 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 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!含善数m金缺球寿7MI45018U刈I0Q1 10044450W230320264J155()2。121222022(|220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、老化过程中被

5、氧化，需要在老化过程中进行氮气保护。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 在焊点正中，再采用1.0 pm粒度的金刚石掩模剂在金丝绒专用布上抛光，HITACHIS被散射电子像，EDX分析界面组成成分。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 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 4pm,以5m/s us 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 正态分布。成长 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，合刚结束时很难形成金属间化合

6、物，对焊点进行200 c老化，如图1所示。金丝球焊属间化合物层，EDX成分分析表明生成的金属间化合物为 Au4Al为和Au5AL2 ,老all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, 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 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1pm,b）U g化4大;化行E旧M照片）20MC老化16大WAI 1M c00 C老化121天况下，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 都是面心立方晶格，都为第旧族元素，而且结合能相近，但

7、是 Cu与Al原子尺寸差 L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。和失效模式（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 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 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， 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 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。81012诃，天口焊点剪M斯虬载荷种失效模式：完全剥离（沿球与铝层界面剥离）、金球残留、铝层断裂、球内断裂失效模式

8、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：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 失效模式，导致剪切断裂载荷降低。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球焊点00 c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增多，尤其老他1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 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 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。5刹露断 * 全球乂二二 二 一 81012I“天m与老化时间美乐效模式/ * ,_*s ra rr孙天山上式与老化时间关系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 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 ,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（根部断裂）和焊点剥离（引线和焊盘界面剥离），如图9所示，铜丝球焊拉伸天以后焊点剥离逐渐增多，主要是因为铜丝球焊老