共读好书
杨蕊亦 岑政 刘倩 韩星
(中国电子科技集团公司 第二十四研究所)
摘 要:
引线键合仍然是微电子封装中最流行的芯片互连技术,在未来很长一段时间内都不会被其他互连方法所取代。Au键合丝由于其独特的化学稳定性、可靠的制造和操 作 性 能,几 十 年 来 一直是主流半导体封装材料。然而,Au 键 合 丝 价 格 的 急 剧 上 涨 促 使 业 界 寻 找 用 于 微 电 子 封 装 的 替代键合材料,如 Cu键合丝。与 Au键合丝相比,使用 Cu键合丝的主要优势是更低的材料成本、更高的电导率和热导率,使更小直径的 Cu键合丝能够承受与Au键 合 丝 相 同 的 电 流 而 不 会 过 热,以及更低的 Cu和 Al之间的反应速率,这有助于提高长期高温存储条件下的键合可靠性。文章首先简要介绍了键合丝的发展历史。其次,介绍了 Cu键合丝的可制造性和可靠性。最后,提出了键合丝的发展趋势。
0 引 言
微电子封装是 微 电 子 工 业 的 重 要 组 成 部 分,是支柱产业之一。微电子封装中常见的芯片互连技术有 引 线 键 合[1-2]、倒 装 键 合[3-4]、载 带 自 动 焊(TAB)[5-6]等。自20世纪60年代发明以来,引线键合一直是微电子封装中效益最高、最成熟、最灵活的互连技术,在 微 电 子 封 装 行 业 中,目 前 仍 有 80% 以上的半导体 封 装 采 用 这 种 技 术[7-8]。 键 合 丝 是 微 电子封装的重要结构 材 料,在 集 成 电 路 (IC)芯 片 与 外部引线框[9]的连接中起着至关重要的作用。统计数据显示,大约1/4的封装 故 障 是 由 引 线 键 合 失 效[10]引起的,因此引 线 键 合 极 大 地 影 响 着 微 电 子 封 装 可靠性。
纵观键合丝的发展史,Au键合丝是应用最早的键合 丝,具 有 机 械 强 度 高、抗 氧 化 性 好、键 合 工 艺 简单等特点。但由于近年来 Au价格 的 大 幅 上 涨 和 性能发展有限,Au 键 合 丝 的 市 场 份 额 逐 年 下 降[11-12]。Cu键合丝 作 为 Au 键 合 丝 的 替 代 品 之 一,包 括 纯Cu丝、Cu 合 金 丝、包 覆 Cu 丝 等。 自 21 世 纪 初 以来,Cu丝已广泛应用于IC 封装及各种电子元器件,是保证电气系统功率和信号稳定传输的关键导体材料[13-15]。与 Au丝 相 比,Cu丝 具 有 更 低 的 成 本、更好的电/热性能、更 高 的 抗 拉 强 度 和 环 路 稳 定 性,可以减小线径 以 适 应 更 小 的 芯 片 焊 盘 尺 寸,并 且 Cu-AlIMC 的 生 长 速 率 远 小 于 Au-AlIMC 的 生 长 速率,大大提 高 了 芯 片 的 键 合 可 靠 性[16]。 但 由 于 Cu键合丝具有硬度高、氧化率高的特点,且键合过程复杂,键合时会导致焊盘损伤,因此 Cu键合丝在实 际应用中亟待改良[17-18]。
1 Cu键合丝
1.1 纯 Cu丝
纯 Cu 丝 作 为 Cu 键 合 丝 的 常 规 产 品,相 比 Au丝,其导电 性 更 高,刚 度 更 高,IMC生 长 速 度 更 低,产生的热量和空洞更少,线环形状和可靠性更好,更适合细节 距 和 超 细 节 距 键 合。 有 报 道 称,软 Cu 丝可轻微提 高 粘 结 性[19]。 有 研 究 人 员 在 高 温 储 存 试验和干燥气氛[20]中证实纯 Cu丝在高温下具有较高的可靠性。实验 结 果 表 明,相 同 丝 径 下,Cu 键 合 比Au键合具有更高的抗拉强度和抗剪切强度。此外,由于 Cu 和 Al之 间 的 互 扩 散 速 率 较 低,Cu 键 合 可能比 Au键合具有更高的耐久性[21]。
虽然纯 Cu丝相对于 Au丝有一些优势,但它仍然存在许多缺 点,不 能 直 接 用 于 工 业[22]。 纯 Cu 丝在空气中容易被 氧 化,必 须 考 虑 被 氧 化 消 耗 部 分 的额外成本[23]。Cu丝 相 对 于 Au 丝 的 硬 度 和 刚 度 较高,需要更高的键合力和更大的超声能量,这会损伤衬底,形成凹坑缺陷,诱发衬垫剥落、衬 垫 裂 纹 和 Al飞溅,如图 1 所 示[24]。C.L.Gan 等 人[25]针 对 Cu丝键合表现出的 缺 点,通 过 增 加 垫 层 厚 度,减 少 Cu丝键合过程 中 的 冲 击 和 反 弹,从 而 提 高 了 Cu 丝 键合的抗拉 强 度。 结 果 表 明,采 用 高 纯 Cu 丝 可 以 优化其物理特性和键合可靠性。然而,Cu丝纯度高会导致其成本 较 高,这 进 一 步 限 制 了 纯 Cu 丝 在 微 电子封装中 的 应 用。 为 了 扩 大 Cu 键 合 丝 的 市 场,许多研究人 员 在 Cu 基 体 中 加 入 微 量 元 素 制 成 合 金丝,或在其表面涂覆其他元素制成包覆 Cu丝[26]。
1.2 Cu合金丝
与纯 Cu丝不同,Cu合 金 丝 是 用 Cu和 碱 金 属、碱土金属、过渡金属和稀土元素等微量元素制成的,不同浓度的这些元素使其具有所需的性能。一项专利显示,添 加 0.008% ~1.0% Li和 0.3% ~0.5%Ce的 Cu合金丝具有良好的耐腐蚀性能,HAZ 长度短,满 足 高 密 度 和 多 层 封 装 的 要 求[27-29]。T.Uno证实,Ca可以提高 Cu合金丝的抗断裂性能,降低其线环直径。同时,Ce或 Ti可以提高 Cu合金丝的抗氧化 性 和 粘 结 性[30]。T.Kenji等 人[31]在 室 温 下 制备了 Cu和 Cu-Fe合 金 丝,并 对 其 性 能 进 行 了 表 征和分析。结果表明,在相同拉伸 应 变 下,Cu-Fe丝 的强度和延 展 性 均 高 于 Cu 丝;0.0008% ~0.002%La,0.001% ~0.003% Ce,0.002% ~0.004% Ca,99.990%~99.995% Cu的 Cu合金丝硬度低,线环直径 小,抗 氧 化 性 能 好,满 足 电 子 封 装 高 性 能、多 功能、小型化和便携性的发展要求。
众所周知,Cu-Ag合金具有优异的高抗拉强度、高导电性,Ag 对 Cu 合 金 导 电 性 影 响 较 小,是 制 备精细键合丝的 理 想 材 料。不 经 中 间 退 火,在 室 温 下可获 得 直 径 为 0.3 mm、含 银 量 分 别 为 6%、12%、24%的连续柱状 Cu-Ag合 金 丝。研 究 结 果 表 明,随着 Ag含量的增加,合金的抗 拉 强 度 显 著 提 高,而 延展率和 电 导 率 变 化 不 大,如 图 2 所 示[32]。D.W.Yuan等人研究了 冷 轧 纯 Cu 和 Cu-Ag 合 金 的 强 化机理,结果表 明,Ag 的 加 入 提 高 了 Cu 固 溶 体 中 位错和亚晶界的极限浓度,从 而 使 冷 轧 Cu-Ag合 金 的强度高于纯 Cu。Ag 含 量 越 高,Cu-Ag合 金 的 强 度越高[33-34]。C.D.Breach 等 人[35]通 过 连 续 定 向 凝固和 冷 拔 制 备 了 高 强 度、高 导 电 性 的 Φ40μm Cu-4%Ag合 金 丝。强 化 模 型 计 算 结 果 表 明,强 化 机 理以晶粒细化强 化 为 主。Cu 基 中 微 量 元 素 的 添 加 量应严格按照 键 合 要 求 控 制,否 则 会 对 Cu 合 金 丝 的粘接性能产生不 利 影 响。同 时 发 现 Cu合 金 丝 在 拉拔过程中容易出 现 不 同 程 度 的 裂 纹 和 断 裂,导 致 其生产效率低,限制了其在微电子封装中的应用。
1.3 包覆 Cu丝
在 Cu键合丝表面 涂 上 一 层 在 加 工 温 度 下 缓 慢氧化的纯金属层,可以延长 Cu键合丝的保质期,提高 Cu键合 丝 的 耐 腐 蚀 性、粘 结 性 和 可 靠 性。 镀 膜纯金属层由 Au、Ag、Pt、Pd等贵金属元素和 Ni、Co、Cr、Ti等耐腐蚀金 属 元 素 组 成。其 中,Pd在 长 期 高温高湿条 件 下 表 现 出 稳 定 的 性 能 和 较 高 的 耐 腐 蚀性,并具有 良 好 的 延 展 性、塑 性 和 弯 曲 能 力,为 Cu丝 增 加 了 一 层 无 氧 化、易 粘 结 的 表 面。Pd 涂 层 对Cu丝有良好的附着力;通常可以在氮气气氛中加工形成稳定的 Pd包覆 Cu丝 (PCC)[36]。PCC 通常表现出更大的键合 窗 口 和 更 坚 固 的 二 次 键 合,在 高 湿度和氧化环境 下 在Al衬 底 上 表 现 出 比 纯 Cu 丝 更好的性能。因其 可 以 降 低 腐 蚀 风 险,很 快 便 获 得 了市场青 睐。X.Q.Wu 等 人 研 究 表 明,具 有 抗 氧 化金属涂层 Pd的Cu键合丝具有良好 的 键 合 可 靠 性,足以 取 代 Au键 合 丝 (如 表 1 所 示),且 生 产 成 本 远低于 Au键合丝。此外,在热退 火 过 程 中,键 合 界 面处 Pd的存在 可 以 减 缓 Cu-AlIMC 的 生 长,保 持 键合强度[37]。
J.H.Li等 人[38]发 明 了 Pd 含 量 为 1.35% ~8.19%的 PCC 丝,它 具 有 较 长 的 保 质 期、较 高 的 机械强度和较高的 抗 氧 化 性,有 利 于 减 小 线 径 和 键 合间距,更适 用 于 高 密 度、多 引 脚 集 成 电 路 封 装。P.Chauhan等人通过不经中间退火的拉拔工艺[39],研发出一种 添 加 Ca、Mg、Al、Sn 的 新 型 PCC 丝,该 丝价格实惠,塑性变形能力好,抗拉强度高,可靠性高。然而,由于 Cu和 Pd的力学性能不同,在 PCC 丝 拉拔和退 火 过 程 中,Pd 涂 层 容 易 脱 落 和 凸 起,如 图 3所示,这使得 Cu基体在空气中被氧化,导致键合 丝可靠性下降[40]。
1.4 Cu键合丝的可靠性
实现 Cu键合丝 的 长 期 可 靠 性 是 取 代 Au 键 合丝需要解决的主要问题。Cu-AlIMC 的相和生长行为影响 Cu丝的键合可靠性。研究发现,Cu-AlIMC的 原 子 尺 寸 差 异 较 大,电 负 性 差 异 小 于 Au-AlIMC,因 此 Cu-AlIMC 的 生 长 速 率 远 低 于 Au-AlIMC,这 导 致 Au 丝 的 键 合 因 Kirkendall空 洞 而 失效时,薄 Cu-AlIMC 仅 出 现 细 微 裂 纹[41]。 经 微 X射线衍 射 等 温 退 火 后,CuAl和 CuAl2 在 Cu-Al键界面形成控制 扩 散 的IMC。J.Cao 等 人[42]验 证 了CuAl2 相首先出现在 Cu-Al界面上,这与 C.K.Lv等人[43]研究 的 Al-Cu 体 系 一 致。 采 用 高 分 辨 透 射电子显微镜(HRTEM)研究了在175 ℃到250℃等温退 火 过 程 中IMC 的 转 变 顺 序。CuAl2和 Cu9Al4同时生 长,Cu9Al4 作 为 第 二 层 是 Al垫 完 全 消 耗 时的最终产 物[44]。 退 火 过 程 中 界 面 结 构 发 展 的 实 验结果 表 明,CuAl2 首 先 在 Cu-Al界 面 上 析 出,随 后Cu9Al4析出,CuAl和 Cu4Al3 反应相在键 界 面 上 形成[45]。X.F.Zhu 等 人 利 用 原 位 HRTEM 研 究 了Cu-AlIMC 在50~70 ℃退火过程中的生长机制,结果表明,Cu层附近 的 Cu-AlIMC 为Cu9Al4,Cu层外的为 CuAl2。根 据 原 位 实 验 结 果,得 到 了 准 确 的Cu-AlIMC 生长方程,为 研 究 Cu-Al键 合 的 可 靠 性提供了理论参考[46]。
多篇论文报道,与 Au-Al键相比,较低的 Cu-AlIMC 生 长 速 率 导 致 接 触 电 阻 更 低,产 生 的 热 量 更少,可靠 性 和 器 件 性 能 更 好。 在 工 作 寿 命、温 度 循环、高温储存(HTS)、热 冲 击、偏 置 下 的 压 力 温 度 湿度(PTHB)、偏 置 下 的 温 度 湿 度(THB)和 湿 度 加 速应力测试(HAST)等 试 验 条 件 下,采 用 三 种 键 合 垫金属化(Al、AlCu和 AlCuSi)比较了 Cu和 Au丝 的键合可靠性,结果表明,不同应力条件下 Cu丝的 键合可靠性至少等于常规 Au丝的键合可靠性[47]。然而,Cu丝表面氧 化 导 致 结 合 强 度 低,二 次 键 结 合 性差,限制了其 在 高 集 成 度 微 电 子 封 装 中 的 应 用。 为解决上述问题,X.F.Zhu等人研制了一种 Cu合金焊丝,其 质 量 分 数 为Cu 99.75% ~99.96%,W0.01%~0.1%,Ag0.01% ~0.03%,Sc0.01% ~0.02%,Ti 0.001% ~ 0.03%,Cr 0.001% ~0.03%,Fe0.001% ~0.02 %,具 有 优 异 的 抗 氧 化性、耐腐蚀性、塑 性 和 可 焊 性,高 的 导 电 性、导 热 性、强度和键合可靠性,能够满足电子封装对高性能、多功能、小型 化 和 低 成 本 的 要 求[48]。L.B.Kong 等人[49]在 Cu中加入耐腐蚀元素,制备了一种新的 Cu合金丝,该 Cu 合 金 丝 具 有 均 匀 的 FAB 结 构,第 一和第二键结合性能与纯 Cu 丝 相 似。在 175 ℃ 高 温加热2000h后,与纯 Cu丝相比,Cu合 金 丝 具 有 更好的耐电化学腐 蚀 性 能 和 更 慢 的 界 面 扩 散 速 度,键合可靠性 高 于 Au 丝。 此 外,电 子 火 焰 断 开 (EFO)电流对 Pd在 FAB 中 的 分 布 有 很 强 的 影 响,进 而 影响 Cu-AlIMC 的 生 长,从 而 影 响 键 合 强 度 和 可 靠性[50]。其他文献 也 报 道 了 PCC 线 通 过 调 节 Cu-Al互相扩散、控制 特 定IMC 的 形 成,提 高 了 高 温 高 湿和应力环境下的键合可靠性[51]。
在未来几年,汽 车 工 业 中 使 用 的 键 合 丝 预 计 将从 Au丝转变 为 Cu 丝,AEC 已 经 发 布 了 一 份 新 文件,规定了用 于 汽 车 电 子 领 域 的Cu 丝 互 连 的 最 低资格要求[52]。PCC 丝 已 广 泛 应 用 于 大 规 模 集 成 电路封装中,但传统的 PCC 丝难以实现汽车应用的目标。M.Eto等人[53]通 过 在 Cu 芯 中 添 加 元 素 开 发了一种新的 PCC 丝,即使在严格的可靠性测试条件下,它也提高 了 键 合 强 度。引 线 键 合 拉 力 试 验 是 评价引线键合强度最常用的方法。研究人员开发了一种用于性能评估 的 传 感 器 原 型,并 将 其 应 用 于 键 合拉力试验,以评估键合强度,为引线键合可靠性研究提供支持。
综上所 述,Cu-AlIMC 的 生 长 机 制 为 研 究 Cu-Al键合的可靠性提供了理论参考,不同 应 力 条 件 下Cu丝的键合 可 靠 性 不 低 于 常 规 条 件 下 Au 丝 的 键合可靠性。 然 而 使 用 Cu 键 合 丝 也 有 一 些 缺 点,主要是其硬度和 Cu-AlIMC 对腐蚀的敏感性。
2 对 比
如前所述,Au 键 合 丝 综 合 性 能 好,但 价 格 高。与 Au键合丝相比,Cu键 合 丝 具 有 更 好 的 成 本 效 益和更高的导电性 和 导 热 性,可 以 满 足 微 电 子 封 装 高密度和细间距 的 要 求,快 速 获 得 市 场 份 额。两 种 键合丝的对比如表2所示。
3 展 望
Au键合丝是 发 明 最 早、应 用 最 广 泛 的 键 合 丝,但由于电热性能 的 限 制 和 较 高 的 价 格,其 市 场 份 额正在逐渐下降,目 前 主 要 应 用 于 航 空 航 天 等 领 域 的高端产品。Cu 键 合 丝 的 应 用 出 现 于 上 世 纪 90 年代,近年来其市场份额迅速增长,尤其是 Pd包覆 Cu线,已成为低引脚半导体封装、射频(RF)器 件 封 装、微机电系统等应 用 最 多 的 键 合 丝 之 一,但 仍 有 一 些可靠性问题亟 待 解 决。此 外,多 层 键 合 是 未 来 市 场的发展趋势,线环型材的设计也是研究的重点。
总的来说,未来 应 用 于 微 电 子 封 装 的 引 线 键 合的研究任务可能集中在以下几个方面。
1)引线键合过程中键合界面的演化 很 难 观 察,引线键合机理 尚 不 清 楚。因 此,开 发 新 的 研 究 技 术对研究引线键合机理具有重要意义。
2)目前镀 膜 键 合 丝 制 备 中 采 用 的 电 镀 和 化 学镀工艺会产生可 能 污 染 环 境 的 有 害 物 质,因 此 有 必要开发新的环境友好型和资源节能型的表面处理技术来制备镀膜键合丝。
3)微合金化可以改善键合丝的力学 性 能,因 此适当的多组分微合金掺杂工艺对键合丝的制备具有重要意义,有利于提高 Cu基键合丝的市场份额。
4)成本高、性能差的键合丝已不能满 足 电 子 封装对高性能、多功能、小型化、低成本的要求,开发性价比高、性能 优 良 的 Cu 基 键 合 丝 越 来 越 受 到 学 者和厂商的青睐。
5)线环 形 状 对 键 合 可 靠 性 影 响 较 大。 主 要 的挑战是控制超薄包装空间中的线环高度。利用有限元分析和机器学习算法研究线型模型和键合可靠性是未来的发展趋势。
欢迎扫码添加小编微信
扫码加入知识星球，领取公众号资料
