上一篇介绍完Cu-Al IMC的生长速率后,有朋友问到Au-Al IMC的生长规律,关于金线的IMC生长速率,在上篇文章中提到的《铜级金丝与铝合金焊盘键合的金属间化合物生长和可靠性》一文中有做相应的介绍,Au-Al IMC生长速率关系式与Cu-Al 相同,且根据实验数据与IMC厚度&温度公式提供了Au-Al IMC生长速率与温度的对应数据。
根据上文的数据带入lnK与1/T的关系式,则可得到如下的拟合曲线:
且excel还可以直接给出拟合直线的公式(图中红框部分),该直线的斜率则等于-∇Q/R,由此则可计算出Au-Al活化能为47.5kJ/mol;而lnK0=-20.921,由此可计算出K0=8.2E-10。这里需要特别强调下原文的计算结果中∇Q=40.1kJ/mol,为什么会有这么大的出入,为此我特地对比了下双方的拟合曲线:
仔细对比原文图形,发现上图红框内数据不一致,重新计算后确认为原文作者在拟合曲线时出错导致,因此以本文计算结果为准。
将计算出的∇Q和K0带入IMC生长速率与温度之间的公式,以及IMC生长厚度与温度公式,则可得到Au-Al IMC生长关系式:
由此可将Au-Al IMC生长速率与上篇文章获得的Cu-Al IMC生长速率做对比:
大家可以看到,Au-Al IMC 100℃烘烤半小时所生成的厚度,Cu-Al 235℃烘烤6h才能勉强达到。由此可见,Au-Al IMC生长速度相比Cu-Al是碾压式的存在。
因此Cu-Al IMC不需要担心过度生长引起的可靠性问题,而主要考核其覆盖面积,以此来预估IMC在通过WB后的热制程后可达到的结合强度,所以烘烤条件需略小于WB后热制程的综合温度及时间,以获取其键合强度的下限。
而Au-Al IMC由于其生长速度过快,烘烤后的IMC覆盖面积无需关注,只需考虑IMC过度生长后因自身脆性及"kirkendall"空洞等因素引起键合强度降低的问题,因此Au-Al IMC烘烤需大于WB后热制程的综合温度及时间,以获得其IMC生长上限。
不过从Au-Al IMC的生长曲线看,175℃烘烤6h IMC烘烤厚度已达到7um以上,这放在目前Au-Al工艺中是不太合理的,分析下来大概有以下原因:
文献发表日期为2006年,距今已接近20年时间,期间不管是金线还是铝焊盘的生产工艺都经历了翻天覆地的变化,当前Au-Al工艺在抑制IMC生长方面已经不是那个年代能比的了;
文献中数据毕竟出现一处错误,影响计算结果,因此该文所指向的计算结果仅可用来作为不同IMC生长趋势及量级的参考,具体数据有待考究。
若读者中有具备实验条件的人士存在,则可参考其分析方法,根据真实的实验结果,获得当前更为准确的IMC生长公式。
其实验步骤如下:
1. 根据不同温度条件下,获得其时间同IMC厚度的数据,再使用IMC厚度、时间公式,拟合出IMC厚度"δ"与时间"t平方根"的直线,其斜率就是生长速率"K的平方根",以此可得到生长速率"K"与温度"T"的对应数据;
2. 根据生长速率"K"与温度"T"的对应数据,通过生长速率公式(下图红框),拟合出lnK与1/T之间的直线公式,其斜率就是-∇Q/R,其常数项就是lnK0,最终再将计算结果带入IMC生长厚度经验公式即可获得最终关系式。
另外也有网友问Cu-Sn IMC的生长关系式,目前找到以下文献介绍其经验公式与Au-Al、Cu-Al一致,但文献中仅有图形,缺少实际数据,因此有兴趣的朋友也可按照上述方式,实验获得其IMC生长关系式。