细直径铜丝超声球焊工艺及可靠性的研究（可编辑）

细直径铜丝超声球焊工艺及可靠性的研究（可编辑） 硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 细直径铜丝超声球焊工艺及可靠性研究INVESTIGATION ON ULTRASONIC BALL BONDING AND RELIABILITY OF BALL BONDS WITH FINE DIAMETER COPPER WIRE欧阳恭群 2009 年 6 月 国内图 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 分类号:TN405 学校代码:10213 国际图书分类号:621.791 密级:公开 工学硕士学位论文细直径铜丝超声球焊工艺及可靠性研究 硕士研究生:欧阳恭群 导 师:田艳红副教授 申请学位:工学硕士 学科:材料加工工程 所 在 单 位:材料科学与工程学院 答 辩 日 期:2009 年 6 月 授予学位单位:哈尔滨工业大学 Classified Index: TN405 U.D.C: 621.791 Dissertation for the Master Degree in EngineeringINVESTIGATION ON ULTRASONIC BALL BONDING AND RELIABILITY OF BALL BONDS WITH FINE DIAMATER COPPER WIRECandidate: Ouyang GongqunSupervisor: Ass. Prof. Tian Yanhong Academic Degree Applied for: Master of Engineering Materials Processing Engineering Speciality: School of Materials Science and Affiliation: Engineering June, 2009 Date of Defence: Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 本文研究了小外形晶体管(Small Outline Transistor, SOT)封装中 0.8mil (20 μm)细直径铜丝球键合工艺及可靠性。 首先对铜丝球焊 FAB 成形工艺参数进行了优化。对各参数下的烧球质量分 析表明,烧球时间和烧球电流是影响铜球尺寸的主要因素。随着烧球参数的增 加,铜球直径也相应增加。保护气体流速对 FAB 尺寸的影响不明显,但直接影 响到铜球防氧化效果以及成形的质量,保护气体流速达到一定值之后才能形成 表面光滑无氧化的铜球。 对键合过程中的主要工艺参数进行了优化,确定了 0.8mil 铜丝的理想工艺 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 。结合工艺参数优化结果,讨论了各工艺参数对键合质量的影响规律。 研 究发现,键合阶段的参数对铜球焊点键合强度的影响比接触阶段参数更为明显, 其中超声功率的影响昀突出。在剪切试验中铜 球焊点的失效模主要为:芯片铝 焊盘残留、铜球残留、铜球内部断裂以及硅芯片损伤。 对键合前后的铜球的结晶状态进行了研究,结果发现铜球主要由几个大尺 寸柱状晶粒组成。同一晶粒内存在两个不同的区域,分析认为铜球晶粒生长过 程分为两个阶段:初期以平面方式生长以及后期以胞状晶的形式进行。凝固初 期由于固液界面前方的液相成分过冷较小,晶体以平面推进方式生长,随着固 相金属增加,散热加快以及周围液相中溶质的富集,液相成分过冷增加,由扰 动产生的凸起得以进一步长大,从而以胞状晶的形式进行长大。铜球底部较多 的胞状晶结构有利于键合过程中变形亚晶的形成,促进键合界面有效结合。 为了研究用环氧树脂材料塑封后铜丝球键合点的可靠性,本文分别采用了 高低温冲击试验、电耐久性试验以及高温存储试验方法。研究结果表明铜丝球 键合焊点具有良好的抗高低温冲击能力以及电耐久可靠性能。 在高温存储环境下,铜球键合点的演化随存储温度以及时间的不同呈显不 同的反应形式。在 200?以下以及 250?短时间存储时,主要发生的是铜球与铝 焊盘间的扩散反应,其中在 150?和 175?下存储时金属间化合物(Inter-metallic Compounds, IMCs)生长缓慢,200?时则明显加快,9 天后 IMC 较厚处约 1 μm, 并在界面处出现了裂纹,且随时间增加而扩展。250?存储 9 小时后 IMCs 达 1 μm,并形成了明显的 Kirkendall 空洞,裂纹在此形成并扩展。 250?存储 9 小时后铜与塑封料中的元素(Sb)发生反应,在铜球和铜丝 表层以及附近的塑封料中生成Cu Sb、 Cu Sb等多种IMC,内部发生扩散并反应, 3 2 I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 金属整体性被破坏。通过复杂的相互作用,引线框架上的镀银层利用塑封料中 的微通道扩散、迁移和反应,存储时间超过 4 天后银层迁移至铜球部位并聚集。 300?存储时铜丝与铜球的演化过程与 250?相似,但反应更剧烈,9 小时后在 铜丝部位存在大量的银。 关键词:铜丝球焊;工艺优化;可靠性;金属间化合物;迁移 ? II ?哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract In this paper, the ultrasonic ball bonding process and reliability of 0.8mil small diameter copper wire ball bonds using small outline transistor package was investigated First, the parameters of EFO electronic flame off process during copper wire bonding were optimized. After analyzing the results, it was found that EFO current and time had more affects on ball forming condition. As the EFO parameters increased, the diameter of FAB free air ball became larger. The flow of shield gas, whose impact on FAB size was not obvious, played an important role on preventing FAB oxidation and Cu FAB formation quality. Shield gas flow would reach a certain value in order to form a smooth surface without oxidation copper ballThe bonding parameters were optimized in the experiment, and the 0.8mil copper wire optimal bonding criterion was settled. Combine with the optimized results, the influence of each parameter was discussed. It was found the impact to bonding strength of bonding phase parameters was more obvious than contact phase, and the effects of ultrasonic power is more prominent. The bond failure mode in ball shear test were: aluminum pad residuum, copper ball residuum, copper ball fracture and the silicon chip damageThe crystal form of copper ball before and after bonding was studied and found that the Cu FAB is composed by a few big columnar grains. There are two different regions in the same grain. It was consider that the copper ball grain growth process is divided into two periods: the initial with plant-crystal growth, as well as the late approach to cellular crystal form. The degree of supercooling of liquid phase in front of solid liquid interphase is not enough large to result in plant-crystal growthAs the increase of solid phase and rejection of heat, as well as the solute concentration enrichment around the liquid phase, the degree of supercooling increased and plant-crystal stop growth. Instead, crystal grow up with cellular crystal form. At the bottom of copper ball, there was more cellular crystalline structure, which conducive to subgrain formation in bonding formation process. It could promote effective bonding In order to study the reliability of copper wire bonding sealed in epoxyIII哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 molding compound, the high-low temperature impact test, electrical endurance test and high temperature storage test were carried out. The results show that the bond has a good resistance of high-low temperature impact and high electrical reliabilityIn high-temperature environment, the copper ball bond has significantly different reaction forms with the evolution of temperature and storage time. Storage at 200 ? and short-term storage at 250 ?, the inter-reaction of copper ball and the aluminum pad is the main reaction form. The IMC Intermetallic Compounds has slow growth as storage at 150? and 175?. And the reaction rate rise up whenth storing at 200?. After 9 day the thickness of thick IMC was approximate 1 μm, and cracks appeared along the interface and extended over time. After storing nine hours at 250 ? IMC thickness is up to 1 μm, and Kirkendall cavities and cracks are formed 9 hours storage after at 250 ?, copper react with the element Sb in epoxy molding compound. There are a variety of IMC such as Cu Sb, Cu Sb etc formed 3 2 in the surface of copper ball and copper wire and in the epoxy molding compound around. At the same time, copper diffuse into epoxy molding compound then metal structure damage. Through complex interactions and the micro-channels around epoxy molding compound, the silver layer plated lead frame plastic diffused and migrated. In later period silver moved to copper ball site and aggregated. It’s same to at 250 ? when the copper ball bond was stored at 300 ?, but more intense. It found a large number of silver in the copper wire region 9 hours after at 300 ? Keywords: copper ball bonding;parameter optimize;reliability;intermetallic compound;migrate- IV - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘 要I Abstract.III 第 1 章 绪 论.1 1.1 背景及选 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 意义..1 1.2 研究现状综述2 1.2.1 丝球键合技术的发展..2 1.2.2 铜丝球键合研究现状..3 1.3 本文研究内容7 第 2 章 试验材料与方法.9 2.1 本文研究过程9 2.2 实验材料.9 2.3 实验设备和方法 10 2.3.1 试验设备. 10 2.3.1 SEM和EDX分析11 2.3.3 工艺参数实验设计方法11 2.3.4 显微硬度测试11 2.3.5 剪切和拉伸试验11 2.4 本章小结12 第 3 章 铜丝FAB成形工艺参数优化13 3.1 引言. 13 3.2 铜丝FAB成形工艺参数优化14 3.3 烧球参数对FAB成形的影响19 3.3.1 FAB成形不良的因素分析 19 3.3.2 保护气体流量的影响 20 3.4 本章小结22 第 4 章 铜丝键合工艺参数优化 23 4.1 引言. 23 4.2 铜丝球键合工艺参数优化23 4.3 铜球焊点的失效模式. 28- V -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4.4 铜球焊点组织分析及硬度测试. 30 4.5 本章小结33 第 5 章 键合焊点可靠性研究. 34 5.1 引言. 34 5.2 高低温冲击试验 34 5.3 电耐久性试验. 35 5.4 高温存储试验. 37 5.4.1 存储温度为 150?37 5.4.2 存储温度为 175?38 5.4.3 存储温度为 200?40 5.4.4 存储温度为 250?43 5.4.5 存储温度为 300?48 5.5 本章小结50 结 论. 52 参考文献 53 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 57 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 58 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 58 致 谢. 59- VI - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 1 章 绪 论 1.1 背景及选题意义 引线键合技术是电子封装中实现芯片互连技术中昀基本、昀主要的一种, [1] 占目前芯片互连工艺的 90%以上 。 铝丝和金丝是引线键合技术中使用昀广泛的材 料,铝丝由于难以形成良好 的自由空气球(Free Air Ball, FAB),只能用于楔焊键合,主要应用于微波器件 [2,3] 的封装等 。金丝凭借其性能优点、成熟的技术、稳定的工艺,广泛应用于集 成电路封装丝球焊技术。随着高密度封装的发展,金丝球焊技术的不足日益突 显:材料成本昂贵,高温下金球与芯片铝焊盘键合处易形成金属间化合物 [4] AuAl 紫斑和Au Al(白斑) 以及其它金属间化合物,此外会在键合界面出 2 2 [5] 生成可见的Kirkendall空洞或裂纹,导致键合失效 ,极大的降低了键合的可靠 性。 铜丝因其低廉的价格,相对于金丝更为优越的电学、热学以及机械性能, [6] 被认为是目前发现的昀好的金丝替代品。虽然上世纪 90 年代方鸿渊 等人深入 研究了铜丝球焊FAB成形机理,经过十多年的发展,铜丝球焊的应用比例依然 很少。虽然铜丝球焊技术已应用到实际生产中,拥有广阔的应用前景,但目前 铜球键合机理和可靠性研究,以及超声在键合过程中的作用机理尚不明确, 对 Cu-Al系统的反应扩散机理仍缺乏研究。铜丝球焊工艺方面的一些问题亟待进一 步研究:1)氧化问题:铜在有氧条件下极易氧化,形成的氧化膜硬度高且不易 除去,对键合后产品的可靠性带来很大隐患,因此烧球过程中需通保护气体防 止铜球氧化,工艺流程增加;2)弹坑问题:铜球的硬度较高,键合过程中需要 更大的键合压力和超声输入,容易对焊盘下面的芯片造成损伤;3)键合过程稳 定性问题:目前铜丝键合工艺仍不稳定,工艺参数窗口较窄,抗干扰能力差。 因此,铜丝球焊对键合工艺、键合设备以及芯片设计制造和封装材料提出了新 的挑战。 本课题将在研究小外形晶体管封装细直径铜丝形球及键合工艺参数对键合 质量影响的基础上,通过对键合焊点的力学性能可靠性及失效模式进行研究, 分析各参数对形球及键合质量的影响,深入研究铜丝球焊的键合机理,并分析 老化过程中铜丝与芯片铝合金焊盘键合的金属间化合物生长情况,重点分析超 - 1 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 声键合界面互连机理。 1.2 研究现状综述 1.2.1 丝球键合技术的发展 集成电路封装中实现芯片级互连的技术主要有:引线键合(Wire Bonding, WB)、载带自动焊(Tape Automatic Bonding, TAB)和倒装芯片焊(Flip Chip, FC)。其中引线键合技术起源于 20 世纪 60 年代初,因其技术成熟、应用广泛、 [7] 操作简单、可靠性高、成本低、工艺适应性强 ,在芯片互连中占主导地位。 引线键合按能量作用方式可分为热压键合(Thermo-compression bonding)、 [8] 超声键合(Ultrasonic Bonding)和热压超声键合(Thermosonic Bonding) 。 早先采用的热压键合工艺因温度较高容易造成芯片热损伤;为降低键合温度, 引入超声,发展为超声键合技术和热超声键合技术。前者又称为楔键合(Wedge bonding),后者形成的第一焊点为球形故也称丝球键合(Wire ball bonding)。 丝球键合是引线键合中昀具代表性的焊接技术 。在一定的温度下,在键合 工具劈刀的压力作用下,同时加载超声振动,将引线的一段键合到IC芯片的金 属化层上,另一端键合到引线框架或PCB板的焊盘上,从而实现芯片内部电路 与外围电路的连接。丝球键合操作灵活,键合点牢固,压点面积大(为金属丝 [9] 直径的 2.5~3 倍),无方向性,可实现高速化自动化焊接 。 从导电性、导热性和键合性方面考虑,金、铜、铝是芯片互连的优良材料。 铝丝球焊曾小范围应用,但由于铝易氧化,表面容易形成致密的氧化膜,烧球 过程中形球非常困难,形成的铝球中包含气孔,键合后焊点可靠性难以得到保 [4] 证 。此外铝熔点较低,受热易软化,强度下降较严重,因此铝丝球焊技术逐 渐淡出人们的视线。目前铝丝键合以楔键合为主。 金丝具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点,而且技术成熟,工艺稳定性 好,是丝球焊中使用昀多、昀成功的金属引线 。对金丝球焊的研究也比较广泛 [10] 深入。一般认为金丝键合点键合是一种固相连接 ,形成过程主要包括:金球 以及金属焊盘上氧化物和污染物的去除阶段、新鲜金属接触阶段以及压力作用 [11] 下原子间键合阶段 。键合过程中,超声具有软化金属球的作用,使金属更容 易屈服而能在较低键合温度下发生足够塑性变形,并且超声振动促使金球与焊 [12-13] 盘之间产生相对滑动,能增强键合点的键合强度 。深入的研究结果表明超 声振动所引起的金属与金属化焊盘间的相对滑动式是形成可靠金属键合点的关 [14-18] 键 。- 2 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 尽管应用广泛,金丝球焊技术也具有一定的局限性:金的价格昂贵,成本 非常高;Au-Al化学亲和力较强,在高温条件下,键合点出金球与芯片铝焊盘 之间容易生成IMC,如AuAl (紫斑)、Au Al(白斑)、Au Al、Au Al 等,这 2 2 4 5 2 些化合物接触电阻大,脆性高硬度大,在键合界面处易形成较大的应力而开裂; 键合界面金属相互扩散,由于Au、 Al的扩散系数不同而容易生成可见的 Kirkendall空洞或裂纹,导致键合失效。此外,随着微电子的集成度越来越高, 芯片的引线间距和焊球直径同幅减小,引线密度急剧增加,这对键合材料的导 电性、导热性和可靠性提出了更高的要求,采用金丝的互连材料不能完全满足 新的要求。 1.2.2 铜丝球键合研究现状 [19-22] 与金丝球焊相比,铜丝球焊具有以下优势 :(1)价格优势:引线键合 中的铜丝成本只有金丝的 1/3~1/10 且市场价格稳定; (2)电学性能和热学性能: -1 -1 常温下铜的电导率为 0.62(/cm) ,比金的电导率(0.42(/cm) )大 33%左右,同时铜的热导率(398.0 W/m?K)也高于金(317.9 W/m?K)约 25%, 因此在直径相同条件下铜丝可以承载更大电流;(3)机械性能:铜的刚性比金 好,具有更好的抗丝摆、坍塌能力,更适于超细间距引线键合; (4)界面IMC: Cu-Al界面IMC的生长速率比Au-Al IMC的生长速率慢很多,由IMC生长引起的 键合点失效等可靠性问题较轻。以上这些优点使以铜丝代替金丝用于引线键合 成为半导体封装工艺发展的新方向。采用铜丝键合新工艺不但能降低器件制造 成本,提升器件的性能和可靠性,同时还能推动细间距、高引出端数器件封装 [23] 技术的发展 。 铜丝球焊技术的缺点也显而易见:铜线易氧化导致焊接性能下降、铜球形 成质量不稳定、铜球硬度高易导致键合过程中硅芯片损伤。此外,铜球键合技 术的可靠性研究较少,而且多有冲突。经过二十年的发展,研究人员针对铜丝 球焊技术键合过程及其影响因素,铜丝、焊盘制造工艺和铜丝球焊键合界面及 焊点可靠性等几个方面开展了一系列研究工作。 1.2.2.1 FAB 形球工艺研究 FAB形球(又称烧球)过程中形球的尺寸、形状、表面氧化污染状况以及 硬度等直接决定了球键合点的键合质量和可靠性。而铜球形成的好坏又取决于 [24] 尾丝形成质量和烧球工艺参数 。铜丝与楔键合点的连结强度将决定尾丝形成 [25] 质量 。连结强度过小则尾丝弯曲较大,烧球后得到偏置铜球(偏头球),键 合后形成低质量的高尔夫球焊点,如图 1-1 所示。 [25] [26] Chen 等人与Tan 等人研究结果一致表明烧球电流和烧球时间是影响烧 - 3 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文球质量的主要因素。采用高烧球电流可提高烧球效率以及铜球键合点的性能 [24] ,但烧球电流过高将产生尖头铜球。 打火杆对烧球效率也有一定的影响。打火杆的损耗会导致放电过程不稳定, 烧球质量下降从而影响键合点性能;而打火杆表面污染物在放电过程中会转移 [27] 到金属球表面,使其焊接性能退化 。 a 铜球偏置 b 高尔夫焊点 图 1-1 偏头球形貌及高尔夫球焊点 烧球质量受防氧化保护气体的种类和流速的影响显著。在 95%N /5%H 2 2 [28] 的保护气氛下能获得表面未氧化的良好FAB ,还原性气体H 可将铜丝表面 2 的铜氧化物部分还原,获得表面光滑的铜球。 硬度可衡量铜球可变形性能,是影响键合质量的一个显著因素。硬度越大, 铜球可变形性能越差,键合时需要的压力更大,易造成芯片损伤。而铜丝纯度、 防氧化保护效果、保护气体温度以及烧球工艺参数等对铜球的硬度都有影响。 [29] 根据J. Onuki 等人研究表明铜球的硬度随着铜丝纯度的提高、保护气体杂质 的减少、保护气体温度的上升而下降。铜球硬度越高,芯片受损的风险越高, [30] 如图 1-2 所示。Zhong 等人研究了烧球电流及烧球时间对铜球键合点硬度的 影响后推测铜球键合点显微硬度的差别主要归功于铜球本身的硬度差别。 Substrate T: 330 ?C Bonding load: 125 g Ultrasonic: 45 mW 10 n 80 5 0 40 50 60 Ball hardness [Hv] 图1-2 铜球硬度与芯片出现损伤机率关系曲线根据文献[29]修改 - 4 - Damage occurrence ratio [%]哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 [31-32] 烧球过程中金属球内部的热量主要以热传导的方式散发出去 。靠近球 体部分金属丝因受传导热作用而重结晶,晶粒长大,拉伸强度有所下降。 [33] [24] Sripada 等人指出热影响区长度随着烧球电流的升高不断下降,这与Qin 等 [34] 人的结论一致。Liu 等人用精密拉伸测试仪直接测量了微米尺度下的金丝热 影响区昀大拉伸载荷,比正常金丝降低了约 25%。 1.2.2.2 键合工艺研究 铜丝球焊过程中,除了铜球形球质量,决定键合过程以及键合质量好坏的 关键因素为铜丝键合参数:超声功率、键合压力、键合时间和键合温度。 超声能量的作用可增加金属原子迁移率和晶格位错密度,降低金属的屈服 强度,促进其变形以及金属间的扩散连接。因铜球屈服强度较高,超声能量的 [35] 正确施加显得尤为重要。Luu 等人提出采用两阶段的超声施加方法获得较理 想的铜球焊点:第一阶段的超声能量主要用来去除铜丝表面的氧化物,第二阶 段主要用来铜丝键合,为第一阶段参数值的 30%-50%。而超声振动方向对焊点 尺寸也有较大的影响。振动方向与线弧平行方向的球焊点的直径要大于垂直方 [36] 向焊点的直径 。 适当的键合压力可使金属球与焊盘金属之间良好接触,保证超声功率顺利 [37] 传递到键合界面,并使金属产生形成接头所需要的塑性变形。Toyozawa 等人 提出超声施加前以一定的压力使铜球变形充分,在施加超声后减小键合压力可 减轻对芯片的损伤。 键合时间会影响焊点尺寸和强度。合适的时间可以保证超声作用充分,去 处表面氧化膜,实现有效连接。键合时间过短则能量输入不足,焊点强度较低; 但过长的键合时间会使铜球的变形过分加大,焊盘金属的受挤压量也过大,还 可能导致焊点内部应力积累过多而影响其可靠性。当铜线表面出现较多的氧化 [37] 物时,适当加长键合时间将有利于铜氧化物的去除 。 施加一定的键合温度可使金属的塑性变形能力增加,变形抗力降低,使其 在外力作用下容易变形;同时还能软化金属表面的氧化层,使其在较小载荷下 被撕裂开来。此外键合温度还能有效的促进键合界面上金属原子间的扩散。铜 丝球焊中,过高的键合温度会导致铜线氧化加重,而键合温度过低则不能保证 [20] 铜球焊点的结合强度 。 1.2.2.3 铜球键合点可靠性研究 铜丝球焊键合过程中可能出现的失效模式:电介质层破裂、硅片破裂、楔 键合点虚焊、弱强度键合点、键合点外形尺寸不一致、焊盘金属层被挤压等。 键合能量过高和键合压力低过会使电介质层产生微小裂纹;键合参数设置不当 易引起硅片破裂;铜丝、引线框架氧化过度或键合参数过小都可能造成楔键合 - 5 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 点虚焊;烧球时形球质量不好会造成键合点外形尺寸不一;键合过程中焊盘 金 [35] 属层的挤出会导致键合点连接强度下降 。 剪切实验和拉伸试验是评价键合点连结强度普遍使用的方法。在剪切工具 作用下 Cu-Al 键合点可能的断裂位置为:铜球内部、铜铝结合面、铝焊盘层、 硅铝界面以及硅片内部,如图 1-3 所示。具体失效位置主要受键合参数、焊 后 处理等影响。 A:铜铝结合面 Cu:铜球内部 B:铝焊盘层 Si:硅内部 C:硅铝界面 Cu A Si B C [38] 图1-3 铜球键合点剪切测试主要断裂形式 [28] Ellis 等人发现Cu-Al键合点的剪切断面穿过铝焊区,可见Cu-Al键合点键 合强度高于铝焊盘本身的强度。在铜球、IMC层和焊盘金属层三者中昀薄弱的 [39] 环节是焊盘金属层,所以键合点受剪切时会在此断裂 。不同老化温度下铜球 焊点主要失效模式为:粘结失效、界面失效以及铜球断裂,失效具体形式取决 [20] 于老化条件 。 [31] Cohen 等人研究认为表面张力、重力和温度梯度等是影响铜球成形的主 要因素,铜球冷却凝固时热量主要以热传导的方式散发出去,凝固过程从铜丝 与铜球结合处开始向铜球底部方向延伸。受热流方向的影响,柱状晶粒从热影 [20] 响区向铜球底部生长,方向与丝的轴向基本平行 。从铜球焊点剖面图可以看 出,中心晶粒在键合压力、能量的作用下没有发生变形,而周围的晶粒沿着焊 点的外形发生弯曲,表明铜球在受挤压时发生了金属流动,如图 1-4 所示。 [40] 多晶铜塑性变形的主要形式是组织孪生和滑移 ,形成孪生组织的难度大 于形成滑移组织。铜丝球焊中铜线细分的原因在于铜球中出现了连续不断的位 错和大量的滑移带,也正说明铜球在键合过程中遭受高能冲击并使铜球键合 点 加工硬化。 键合界面处IMC的生长情况决定了球焊点的键合强度及可靠性。一定量的 IMC能增强键合强度,但过多的IMC将影响键合点的电、热学性能并加速键合 点的失效。铜丝球焊中芯片焊盘金属一般为铝或铝合金。Cu-Al之间可能形成的 - 6 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 IMC有Cu Al 、Cu Al 、Cu Al 、CuAl、CuAl 等。Cu-Al键合界面处IMC的生 9 4 3 2 4 3 2 长规律与Au-Al键合点明显不同。由于键合工艺、焊盘材料、测试环境、测试 [41] 手段等多方面的差异,研究人员对Cu-Al IMC的生长速度看法不一。Kim 等 [42] 人认为Cu-Al IMC生长速度要比Au-Al的慢 100 倍,而Sheaffer 等人则认为 [43] Au-Al扩散速度是Cu-Al的 3~3.5 倍。Murali 等人甚至认为Cu-Al键合点中很难 出现IMC。结论虽不统一但都表明:Cu-Al界面间互扩散速率小,IMC生成速 度 慢,因而铜球焊点可靠性更高,运行寿命更长。 28?m b 铜球焊点剖面 a 铜球剖面 c 焊点内部的滑移带 d 细分组织 图1-4 铜球及铜焊点SEM照片 [44] Jin Onuki 等人认为铜丝球焊中Al-Cu界面上昀常见的IMC 主要是CuAl、 [20] CuAl 。Hyoung-Joon Kim 等人认为铜丝球焊点在 150?C~300 ?的老化时生成 2 [45] 的IMC主要成分为Cu Al ,但 300 ?老化更长时将出现更多的合金相。 Murali 9 4 等人认为铜丝球焊点中由于铜铝之间扩散能力过低而使得IMC形成缓慢,形成 的量很少,成分很难区分。 1.3 本文研究内容 本课题将在研究 SOT 封装细直径铜丝形球及键合工艺参数对键合质量影 响的基础上,分析各参数对形球及键合质量的影响,深入研究铜丝球焊的键合 - 7 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 机理,并分析键合界面金属间化合物生长规律以及键合焊点失效机理。具体研 究内容如下: (1)铜丝 FAB 成形工艺优化:使用实验设计方法对直径为 0.8mil 铜丝的 FAB 形球工艺参数进行优化设计。分析各个因素对烧球质量的影响,从而获得 成形良好的铜丝 FAB 形球工艺。 (2)铜丝球键合工艺优化:通过实验设计对 0.8mil 直径铜丝进行键合工 艺参数优化,分析各参数对铜球焊点键合质量的影响,获得稳定可行的铜丝键 合工艺参数,并对铜球焊点的失效模式进行分析。 (3)铜丝球超声键合焊点可靠性研究:对用环氧树脂基塑封后的铜丝球键 合焊点进行高低温冲击、高温存储和电耐久性试验,研究不同环境下键合界面 金属间化合物生长规律及失效机理。- 8 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 2 章 试验材料与方法 2.1 本文研究过程 随着微电子的集成度越来越高,芯片的引线间距和焊球直径同幅减小,引 线密度急剧增加,这对键合材料的导电性、导热性和可靠性提出了更高要求, 而铜丝球键合由于成本低、电学和热学性能好等优势有望逐步取代金丝球焊, 可以使焊点更小,引脚间距更细,反应速度更快。 本文将针细直径铜丝球焊在实际生产中遇到的问题,对其进行了工艺参数 的优化及其影响的分析,同时对铜球的晶体结构、界面金属键化合物的生长、 焊点力学性能及可靠性进行了分析研究。 主要研究过程简单介绍如下:首先对铜丝球焊进行烧球工艺的优化实验, 通过扫描电子显微镜(SEM)进行分析,并测量铜球表面状况、成形质量和形 球直径,从而确定各参数对形球质量的影响;进行键合工艺参数的优化实验, 通过焊点形态、剪切力和拉伸力测试和键合焊点的失效模式等来分析各参数对 键合质量的影响,从而确定稳定可靠的工艺参数;同时对铜球以及铜球键合点 的显微硬度以及晶粒形态进行测量和分析,研究键合过程中铜球晶体结构的变 化;对优化后的工艺参数下键合的焊点进行塑封后进行不同温度下的高温存储 试验、不同循环次数的高低温冲击试验和不同时间的电耐久性试验,通过 SEM、 EDX 等方法分析 Cu-Al 键合界面 IMC 的生长情况,以及铜球焊点塑封后在不 同环境下的演变过程,分析塑封料对铜球焊点的影响,从而评定铜丝球键合 焊 点的可靠性。 2.2 实验材料 本文所采用的两种品牌的 0.8mil(20 μm)细直径铜丝,分别以 A 铜丝和 B 铜丝表示。两种铜丝的具体性能参数如表 2-1 所示,从中看出 A 与 B 的成 分以 及延展率有所不同。 本文所采用的键合芯片为 NPN 型三极管芯片,芯片的键合区表面镀有 Al+1%Si 金属化焊盘,厚度为 3 μm。 - 9 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表 2-1 键合铜丝引线性能 铜丝 A B 成分 Cu 99.99% Cu 99.999% 直径 mil 0.8 0.8 断裂载荷 g >5~11g >5~10g 延展率 % 4~16% 3-8% 本文所采用的引线框架为 SOT-23 铁镍合金框架,键合引脚区域表面电镀 厚度为 6 μm 的 Ag 层以保证键合质量。图 2-1 为上芯以及键合之后的引 线框架 外观。引线键合之后,芯片以及键合区用环氧树脂塑封料(Epoxy Molding Compound, EMC)进行封装,图 2-2 所示为封装之后的产品的示意图。 EMC Copper WireDie Lead 图 2-1 引线键合后外观 图 2-2 引线键合塑封后示意图 2.3 实验设备和方法 2.3.1 试验设备 本文所采用的键合设备为ASM公司的Eagle 60 全自动热超声焊接机,超声 振动频率为 120KHz。为了防止铜的氧化,在键合过程中使用防氧化装置对烧 球部位吹还原性气体(90% N 10% H )对铜球进行保护。图 2-3为键合设备Eagle 2 2 60,图 2-4 为键合劈刀嘴部及防氧化气体保护气嘴。 图 2-3 键合设备 Eagle60 图 2-4 防氧化气体保护装置 - 10 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2.3.1 SEM和EDX分析 为了分析铜丝烧球质量、键合焊点的形态和键合后及老化过程中键合界面 的组织,需要进行 SEM 观察以及 EDX 分析。键合点的纵截面和俯视面按照标 准的制样过程进行制备。首先采用树脂将键合之后的塑封件进行密封,制成试 样。纵截面样品依次使用 500#、800#、1200#和 2000#砂纸进行打磨,保证纵截 面在键合点的正中;俯视面试样用依次用 800#、1200#和 2000#的砂纸研磨到接 近 IMC 层(通过光学显微镜观察试样研磨层的颜色判断)。然后对研磨完毕的 试样先后用 1.0 μm 和 0.5 μm 粒度的金刚石悬浮液在金丝绒抛光布上抛光。 使用 Keyence公司的 VHX-600光学数字测量显微镜观察键合焊点的外观形 貌,使用 HITACHI S-570 和 S-4700 扫描电子显微镜获取铜球以及键合试样纵 截面与俯视面二次电子像和背散射电子像。采用与扫描电镜配套的 EDX 能谱 分析键合焊点连接界面 IMC 成分。 2.3.3 工艺参数实验设计方法 为了确定铜丝球焊烧球及键合过程中的工艺参数,通过实验设计的方法对 各参数进行优化,本文所采用的实验设计软件为 SAS 公司的 JMP 软件。 2.3.4 显微硬度测试 材料组织或相的硬度可以用显微硬度计进行测定。为证实超声功率和键合 压力等对引线组织、性能的影响,可以测试键合后焊点及临近区域引线的显微 硬度变化。本文采用 SHIMADZU DUH-W201S 数字式显微硬度计,硬度计压头 为正方锥形状。由于键合点很小,在保证测量精度的前提下,尽可能采用小的 载荷,试验中加载载荷 30mN,保持时间 10s。 2.3.5 剪切和拉伸试验 为了评估铜丝球焊点的结合强度和质量,本文采用了剪切和拉伸试验。实 验设备为 DAGE 公司的推拉力测试机 DAGE 4000。采用 JEDEC 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 剪切试验, 该标准适用于集成电路或者混合封装的引线直径为 0.7~3mil(18~76 μm)的丝 球键合点或者引线直径大于 76 μm 的楔焊键合点。 剪切试验是利用剪切劈刀以恒定速率推动键合点,示意图如图 2-5 所示。 导致键合点断裂分离的力称为键合点剪切断裂载荷(又称剪切力)。本试验中设 定恒定速度为 5 μm/s。因为剪切工具需要高于键合界面一定距离,以免对芯片 - 11 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 造成伤害,本剪切试验初始设置为测试力:250g;测试速度:500 μm/s;昀大测 试载荷:40g;着陆速度:1500 μm/s;剪切高度:2 μm。 拉伸试验是评估键合点结合强度的另一种有效测试方法。在键合引线的下 面施加一个向上的恒定速度,示意图如图 2-6 所示,导致引线拉离芯片的力为 拉伸断裂载荷。本试验中设置恒定速度为 5 μm/s。球焊点拉伸 楔键合点拉伸楔键合点 球焊点 图 2-5 剪切试验示意图 图 2-6 拉伸试验示意图 2.4 本章小结 本章首先明确了本文研究过程。给出了试验中采用的材料、设备等基本信 息。介绍了试验中采用的金相试样制备、SEM(带 EDX)分析、键合点拉伸和 剪切试验、显微硬度测试等方法。- 12 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 3 章 铜丝FAB成形工艺参数优化 3.1 引言 丝球焊技术的基本原理首先是用高压电火花放电(Electronic Flame Off, EFO)产生热量,使得金属丝端部熔化并在表面张力的作用下凝固形成一个金 属球,并在劈刀的引导下,金属球在焊盘上受到热、压力、超声等的混合作用, 产生塑性流动和变形,同时超声的振动摩擦破坏接触界面处的氧化膜,使洁净 金属发生接触,在热的作用下两金属界面之间相互扩散结合形成可靠的第一焊 点;然后在劈刀的拉弧和牵引作用下以楔焊的方式形成第二焊点,其过程如图 3-1 所示。一个循环的丝球键合过程包括以下六个基本过程:(1)FAB 成形: 对用线夹(Clamp)固定的引线端部实施 EFO 在劈刀下方形成 FAB;(2)FAB 中心固定:通过引线张紧轮将 FAB 中心固定在劈刀内孔中心,可使键合时压力 可均匀作用于 FAB; (3)球键合:劈刀带动 FAB 下移至芯片焊盘表面,在超 声、 压力和温度共同作用下实现引线与芯片焊盘的冶金连接;(4)拉弧:球键合之 后线夹打开,劈刀上移,带动引线到达楔键合点位置;(5)楔键合:通过劈刀 施加超声和压力,使引线与引线框架或 PCB 板上焊盘形成楔形接头; (6)切丝: 楔键合完成之后,线夹闭上与劈刀上移将引线拉断,完成一个循环。图 3-1 引线键合过程示意图 - 13 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 由于在整个键合过程中,烧球过程中形成的金属球的尺寸、形状以及其内 部的晶体结构直接决定了键合时第一焊点的键合参数及键合质量,因此在丝球 焊过程中,获得较好的 FAB 形球显得相当重要。在铜丝球焊技术中,这方面的 影响尤为突出。和金丝球焊不同的是,铜丝在常温下极易氧化,在烧球过程中 需要通以惰性保护气体进行防氧化保护。而保护气体的介入改变了 FAB 周围的 热流条件,无疑会给烧球过程带来一定程度的干扰,并有可能发生吹偏等现象。 因此对铜丝球焊,烧球参数的优化显得尤为重要:获得球形度好、大小一致的 无氧化的光滑铜球是获得性能优良焊点的重要条件之一。 3.2 铜丝FAB成形工艺参数优化 影响 FAB 质量的主要工艺参数包括:烧球电流、烧球时间和保护气体流速, 为了分析烧球参数对铜丝 FAB 过程的影响,采用 JMP 软件对烧球电流、烧球 时间和保护气体流速进行了 DOE 试验设计,以 FAB 的直径以及成形质量作为 DOE 的目标值,分别对 A、B 两种铜丝的进行了工艺参数优化。 表 3-1 和表 3-2 分别为利用 JMP 软件对 B 铜丝和 A 铜丝 FAB 形球的 DOE 实验设计的结果。对 A 铜丝的试验设计是在对 B 铜丝的实验结果分析之上优化 精简而来。从表中可以发现,在不同的工艺参数条件下可以获得直径相近的铜 球。 表 3-1 B 铜丝 FAB DOE 结果 烧球电 烧球时