键合界面金属间化合物对可靠性影响的研究现状_杜文晶.pdf

2023 年 2 月 贵 金 属 Feb.2023 第 44 卷第 1 期 Precious Metals Vol.44,No.1 收稿日期：2022-09-05 基金项目：云南省重大科技专项(202002AB080001-1)；昆明市科技计划项目(2019-1-G-25318000003398)；云南省重大科技计划(202102AB080008)；云南省科技人才与平台计划(202105AC160006)；昆明市高层次人才引进工程创新类技术先进项目；云南贵金属实验室科技计划项目(YPML-2022050202)第一作者：杜文晶，男，硕士研究生；研究方向：贵金属键合材料；E-mail：*通信作者：周文艳，女，博士，副研究员；研究方向：贵金属键合材料；E-mail： 键键合合界界面面金金属属间间化化合合物物对对可可靠靠性性影影响响的的研研究究现现状状 杜文晶1，周文艳1,2*，裴洪营2，阳岸恒2，吴永瑾2，孔建稳2，康菲菲2(1.昆明贵金属研究所，昆明 650106；2.贵研铂业股份有限公司 稀贵金属综合利用新技术国家重点实验室，昆明 650106)摘 要：在微电子封装过程中，键合丝被广泛应用，而键合可靠性对于产品的应用性能有着极大的影响，受到人们的广泛关注。键合丝与常用的铝焊盘之间是异质材料，在应用和服役的过程中会在界面上产生金属间化合物(IMC)，对器件可靠性产生影响，同时，键合强度也与键合丝和焊盘之间的界面反应联系密切，因此了解键合丝与铝焊盘之间金属间化合物的形成与演变对键合可靠性的影响是有必要的。本文综述了 Au/Al、Ag/Al 和 Cu/Al 三种键合界面上金属间化合物的形成与演变的研究现状，并根据目前的应用状况，展望了未来的应用发展前景。关键词：键合丝；金属间化合物(IMC)；键合界面；可靠性 中图分类号：TN306 文献标识码：A 文章编号：1004-0676(2023)01-0092-10 Research status of the influence of bonding interface intermetallic compounds on reliability DU Wenjing1,ZHOU Wenyan1,2*,PEI Hongying2,YANG Anheng2,WU Yongjin2,KONG Jianwen2,KANG Feifei2(1.Kunming Institute of Precious Metals,Kunming 650106,China;2.State key Laboratory of Advanced Technology of Comprehensive Utilization of Platinum Metals,Sino-platinum Metals Co.Ltd.,Kunming 650106,China)Abstract:In the process of microelectronics packaging,bonding wires are widely used,and the bonding reliability has great impact on the application performance of final products.The bonding wires and the commonly used aluminium pads are heterogeneous with each other,and during application and service intermetallic compounds(IMC)can be generated at the interface,leading to negative effect on device reliability.Meanwhile the bonding strength is closely related to the interface reaction between the bonding wire and the pad.Therefore,it is necessary to understand how the formation and evolution of IMCs between bonding wires and aluminium pads affect the bonding reliability.This paper reviews the current state of research on the formation and evolution of intermetallic compounds at three bonding interfaces,Au/Al,Ag/Al and Cu/Al.Future developments in the light of current applications are also prospected.Key words:bonding wire;intermetallic compound(IMC);bonding interface;reliability 随着电子信息技术的发展，对于电子产品提出了更高的要求，如：具有更高的性能、更好的可靠性以及较低的成本等，这就要求在微电子封装的过程中要更轻薄化、高密度化和多功能化1。键合丝是微电子封装的主要结构材料之一，在封装过程中扮演着重要的角色，主要用于内部芯片与外部框架的连接，从而实现电信号的传输。引线键合工艺因其成本低、流程简单等特点，在所有封装工艺中占比超过 90%。通常使用的有键合金丝、键合银丝、键合铜丝和铝硅丝2-3，以及在这些丝材的基础上通过掺杂、合金化、复合或者通过表面处理形成的系列键合丝材料。第 1 期 杜文晶等：键合界面金属间化合物对可靠性影响的研究现状 93 键合可靠性是评价键合质量的重要依据，而键合界面对键合可靠性的影响至关重要，对电子元器件的服役性能和使用寿命都有着极大的影响4。在服役或老化过程中，由于引线键合在元器件失效过程中的占比较大，故对元器件的高可靠性更是至关重要。尤其是在键合界面上，材料结构和性质会发生突变，且不同的界面对键合强度的影响各不相同，特别是关于界面上金属间化合物的形成与演变相关的问题，受到了大批学者的关注。根据键合丝的材质不同，引线在键合过程中与铝焊盘主要形成三种界面：Au/Al、Ag/Al 和 Cu/Al 界面。本文根据相关文献，综述键合界面上金属间化合物的形成以及演变行为、使用环境对于键合可靠性的影响等方面的研究进展，并根据目前的研究现状，展望未来的应用发展前景。1 键键合合丝丝性性能能概概述述 键合金丝是一种具备优异导电、导热、机械性能以及化学稳定性的引线键合材料，主要用作集成电路和半导体分立器件封装的内引线，其化学稳定性好、延展性能好、抗拉性强，易于加工成细丝，且在键合过程中不易氧化、成球性能好、焊接性能稳定5。但随着金价日益上涨，成本增加，对于封装成本降低的需求逐渐变得迫切，且金丝与铝焊盘键合时会出现紫斑(AuAl2)和白斑(Au2Al)现象，同时因化合物扩散速率存在差异，容易在界面处形成空洞并增大电阻，影响电子元器件使用6。同时，随着电子设备向小型化、多功能化发展，传统金丝由于电热性能趋于极限已无法满足高密度、高集成半导体封装的要求，人们也在积极寻找能够替代金丝的基础材料7，而银丝和铜丝由于其成本较低，物理性能也较为突出，受到人们的广泛关注。键合银丝的成本低于金丝，力学性能与金丝相差不大8、键合窗口相近9，且反光性能好，因此受到了越来越多 LED 封装厂家的青睐，在各类 LED光源器件以及部分小型扁平式 IC 封装产品中的应用快速推进10。近年来，随着技术的成熟和产品应用工艺的不断优化，键合银丝的市场应用越来越广泛，特别是在小功率 LED 光源器件产品上逐步占据 了主导地位，据报道，2019 年，键合银丝在市场上的份额已达到了 10%以上，且占比正逐步提高11。然而银丝因其抗硫化性能差、且与铝焊盘键合时会产生 Ag+的迁移，在键合界面上产生两种金属间化合物：AgAl2和 Ag2Al，导致焊点可靠性降低，焊点脱开而导致键合质量的下降，故在一定程度上限制了其应用，只能在某些领域内作为金丝的替代产品。由于封装成本的压力，在寻找金丝替代产品的过程中，铜是降低封装成本较理想的材料之一12。铜丝价格仅为金丝的 3%10%，但相对于金丝性能优越(如表 1 所列)：电阻率比金低约 37%，热导率高 25%左右，所以在直径相同的情况下，铜丝可承载的电流更大；此外，铜丝的机械性能、抗变形能力好，不容易出现塌丝、歪丝等现象，更加适合高密度引线键合13。而且 Cu/Al 金属间化合物的生长速率比 Au/Al 金属间化合物生长速率慢14，在150300的条件下约慢近 10 倍，可减少由金属间化合物导致的器件失效等问题。但铜丝本身的一些特性，成为了其替代金丝的主要阻碍：1)铜的硬度高，会导致键合时形成的焊球硬度偏大，损坏芯片或铝焊盘，同时，在拉丝过程中也会因硬度高而出现断丝现象；2)铜在储存或键合时易氧化，进而影响键合性能，导致封装器件合格率低；3)Cu/Al 金属间化合物在高湿高温环境下易形成空隙等一系列问题，使得铜键合线在更大规模集成电路和 LED 领域受到限制15。对于铜丝硬度高、易氧化等特点，目前主要通过添加保护气氛、在铜丝的表面形成镀层或者通过添加其他元素等手段来解决这些问题。表表 1 Au、Ag、Cu 和和 Al 的的物物理理性性能能对对比比2,16 Tab.1 Comparison of physical properties of Au,Ag,Cu and Al 物理性能 Au Ag Cu Al 电导率/(%IACS)73.4 108.4 103.1 65 电阻率/(10-8 m)2.3 1.59 1.67 2.66 热导率/(W/(mK)317.9 435 398 247 热膨胀系数/(m/(mK)14.2 19.0 16.7 23.6 弹性模量/GPa 79 71 128 62 金属活性 AlCuAgAu 铜丝在使用过程中产生的可靠性故障，主要是由于金属间化合物在键合界面处的腐蚀导致17-20。为了减轻 Cu 的氧化以及 IMC 在键合过程中的腐蚀，通常通过在铜丝表面涂覆钯(Pd)涂层来改善，因此开发了镀 Pd 铜丝(Palladium-coated copper，PCC)作为 Au 丝的另一种替代品，PCC 键合丝的可靠性高于铜丝、与金丝相差不大21。Pd 涂层在 Cu 丝上的附着能力强，使得 PCC 键合丝可键合性好、一致性较好、产量高、在纯 N2条件下能形成稳定的烧球 94 贵 金 属 第 44 卷 (Free air ball，FAB)，因此是较为理想的金丝替代产品之一，吸引了大批学者的研究兴趣。2 界界面面金金属属间间化化合合物物的的形形成成与与演演变变 2.1 键键合合金金丝丝界界面面结结构构演演变变与与失失效效机机理理 图 1 所示为 Au-Al 二元合金相图22。由图 1 可知，在 400 以下，在 Au/Al 间可能存在 5 种金属间化合物：Au4Al、Au8Al3、Au2Al、AuAl 和 AuAl2。目前键合金丝的种类主要有：微合金化高纯金丝、合金型金丝和复合型金丝23，这些键合丝由于主要成分为金或表面为金，均会在键合后发生 Au-Al 界面反应。图图 1 Au-Al 二二元元合合金金相相图图22 Fig.1 Phase diagram of Au-Al binary alloy Au/Al界面上 IMC 的形成与演变受多种因素的影响，因此虽然很多学者做了大量的研究，但关于两者之间金属间化合物的组成并没有形成统一的意见。徐慧24通过对金丝球键合点界面组织的演变行为进行研究，发现在老化初期 150 左右，界面化合物主要由靠近 Au 球侧的