魯 凱，任春嶺，高娜燕，丁榮崢

（無(wú)錫中微高科電子有限公司，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 引言

隨著微電子集成電路線寬尺寸不斷縮小的發(fā)展趨勢(shì)，與之相應(yīng)的芯片封裝密度也在不斷提高，封裝技術(shù)也在一直不斷創(chuàng)新。傳統(tǒng)的引線鍵合技術(shù)由于成熟穩(wěn)定，直到今天仍是芯片內(nèi)連技術(shù)的主流，大約承擔(dān)了所有IC電互連約95%的鍵合任務(wù)。但是隨著芯片焊盤間距和特征線寬的不斷下降，引線鍵合技術(shù)中所采用的傳統(tǒng)的金絲和鋁絲已經(jīng)在導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能上逐步趨近于極限。表1為2010年封裝技術(shù)預(yù)測(cè)指標(biāo)。

從表1可以看出，微電子封裝的密度正在上升到一個(gè)新的階段。鑒于以上趨勢(shì)，早在2003年國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)指南（ITRS）中指出：采用銅絲代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金絲球焊和直接在銅焊盤上絲焊是近期電子封裝技術(shù)面臨的困難與挑戰(zhàn)之一。銅絲球焊由于其價(jià)格和性能上的優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展致力于取代金絲球焊。目前為止已有很多研究人員對(duì)其進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)銅絲鍵合雖然擁有廣闊的應(yīng)用前景，但由于銅易氧化及硬度高，需要多方面協(xié)調(diào)來(lái)解決問(wèn)題。

2 材料性能

對(duì)于鍵合絲來(lái)說(shuō)，最為廣泛采用的是金絲和鋁絲，但是由于銅金屬化層與傳統(tǒng)鋁金屬化層相比具有更為出色的電學(xué)性能，芯片制造中銅金屬化技術(shù)正受到重視。同時(shí)銅絲球鍵合技術(shù)也受到了廣泛的關(guān)注和研究[1～4]。

眾多研究結(jié)果表明，通過(guò)傳統(tǒng)的絲球焊加工方法，銅絲完全可以達(dá)到甚至超過(guò)金絲球焊的效果。鑒于銅絲球鍵合和金絲球鍵合工藝過(guò)程基本相同，目前市場(chǎng)上并沒(méi)有開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的銅絲球鍵合專用設(shè)備，一般采用金絲球鍵合設(shè)備附加氣體保護(hù)裝置進(jìn)行銅絲球鍵合。銅絲球焊應(yīng)用所產(chǎn)生的相應(yīng)問(wèn)題歸根結(jié)底是由材料性質(zhì)的差異引起的，表2是銅和金物理性質(zhì)方面的差異比較。

由表2可以看出，在機(jī)械性能方面，銅材料的拉伸強(qiáng)度比金高，延展率接近金。用于引線鍵合的銅絲和金絲都是經(jīng)過(guò)退火處理、純度為99.99%或者更高的絲線，處理后的銅絲所表現(xiàn)出來(lái)的拉伸強(qiáng)度和延展率與金絲相當(dāng)。研究證明采用銅絲所得到的鍵合點(diǎn)強(qiáng)度要高于金絲鍵合強(qiáng)度：直徑為25 μm的銅絲獲得的鍵合點(diǎn)剪切強(qiáng)度平均為85g～110g，抗拉強(qiáng)度平均為11g～13g，兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均優(yōu)于金絲鍵合點(diǎn)30%～40%；另外，銅絲較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度可以使絲線直徑變得更細(xì)，焊盤尺寸和焊盤間距也能相應(yīng)減小，有利于提高芯片I/O密度；同時(shí)高強(qiáng)度的銅絲可以進(jìn)行大跨度鍵合，并能在一定程度上阻止絲擺和機(jī)械沖擊引起的短路。隨著封裝密度的不斷提高，鍵合點(diǎn)球頸處的細(xì)微缺陷對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響也變得越來(lái)越顯著。研究表明，銅球焊點(diǎn)具有優(yōu)異的球頸強(qiáng)度，且拉弧穩(wěn)定性高，可以有效防止球頸處斷裂，從而增加焊點(diǎn)可靠性，但是銅球的高硬度也會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，焊球硬度與焊盤越匹配越好，但目前常規(guī)焊盤材料為鋁，銅與鋁的硬度不匹配會(huì)造成鋁層被嚴(yán)重?cái)D壓或出現(xiàn)芯片彈坑，同時(shí)由于銅硬度比金高，銅絲第二鍵合點(diǎn)的形成難度要比金絲第二鍵合點(diǎn)難，并且會(huì)進(jìn)一步影響到第二順序鍵合點(diǎn)的性能。因此在選用銅絲作為鍵合引線時(shí)，必須解決高硬度帶來(lái)的問(wèn)題。

從表2可看出，在電學(xué)和熱學(xué)性能上，金電導(dǎo)率為0.42（μΩ/cm）-1，而銅電導(dǎo)率為0.62（μΩ/cm）-1，比金大33%左右；另外銅絲熱導(dǎo)率也比金絲有較大的提高。因此銅絲鍵合不僅可以應(yīng)用于對(duì)電流負(fù)載要求較高的功率器件的制造，而且可以使高密度封裝時(shí)的散熱更為容易。

銅絲取代金絲的另一個(gè)重要原因就是成本低。如果按直徑50 μm，長(zhǎng)度為1km金絲的價(jià)格為600$計(jì)算，則相同尺寸的銅絲價(jià)格僅為金絲的1/20。

3 銅引線鍵合工藝技術(shù)

3.1 防氧化

目前銅引線鍵合工藝并沒(méi)有開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的專用鍵合設(shè)備，業(yè)內(nèi)主要采用加以改進(jìn)的金絲球焊設(shè)備。為了防止銅絲鍵合過(guò)程中的氧化，銅絲鍵合設(shè)備須添加專用的防氧化裝置，通常使用N2/H2混合氣體進(jìn)行保護(hù)。保護(hù)氣體主要成分為95%N2/5%H2。圖1是K&S公司專用的銅絲鍵合防氧化裝置及示意圖。

但銅絲鍵合工藝過(guò)程仍不能完全避免銅氧化。Wai.Lam等人[5]研究表明銅絲表面狀況（包括氧化、表面粗糙度等）對(duì)第二焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度有著明顯的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氧化程度越高，鍵合絲抗拉強(qiáng)度越小，如果氧化過(guò)于嚴(yán)重則會(huì)造成虛焊。該研究還發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)位置以及超聲振動(dòng)方向也對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。一般認(rèn)為銅焊盤上氧化物厚度如果在5nm以下，對(duì)鍵合效果沒(méi)有顯著影響，但是當(dāng)氧化物層厚度超過(guò)5nm則會(huì)嚴(yán)重影響焊點(diǎn)鍵合性能。這主要是由于鍵合過(guò)程中，超聲和壓力的塑性變形作用不能使氧化膜擠壓出焊點(diǎn)鍵合區(qū)域，較大程度減少了純凈金屬間的接觸，當(dāng)氧化較為嚴(yán)重時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)第二鍵合點(diǎn)失效等問(wèn)題。Hong.Meng.Ho等人[6]的研究表明銅焊盤上氧化物優(yōu)先在晶界節(jié)點(diǎn)和邊界處生長(zhǎng)。對(duì)于銅焊盤上氧化物層的去除，一方面可以通過(guò)氣體保護(hù)盡量減緩氧化，另一方面可以通過(guò)保護(hù)氣體等離子清洗去除。燒球過(guò)程中銅氧化物的存在不但會(huì)影響到鍵合效果，同時(shí)也會(huì)影響銅球硬度。Caers等人[7]認(rèn)為銅絲球鍵合工藝對(duì)氧化物的敏感程度要高于鋁絲楔焊和金絲球焊，在銅絲形球過(guò)程中，銅氧化物融入到銅球中，會(huì)使銅球硬度上升，在銅球受到擠壓變形時(shí)需要施加更大的壓力，從而有可能引起硅片損傷，并且銅球硬度的上升也阻礙了銅球塑性變形。

3.2 工藝參數(shù)

與金絲球鍵合相比，銅絲球鍵合工藝參數(shù)窗口較小，工藝穩(wěn)定性不高，因此銅絲球鍵合工藝參數(shù)優(yōu)化和選擇顯得更為重要。目前有很多學(xué)者對(duì)銅絲球鍵合工藝參數(shù)進(jìn)行了研究。研究人員對(duì)鍵合壓力、鍵合溫度及鍵合時(shí)間通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析認(rèn)為，采用較高的壓力和溫度可獲得高強(qiáng)度焊點(diǎn)，但壓力過(guò)大會(huì)造成芯片彈坑和金屬化層擠壓嚴(yán)重。鍵合時(shí)間的加長(zhǎng)有利于銅絲表面氧化物的去除，長(zhǎng)時(shí)間超聲振動(dòng)會(huì)使焊點(diǎn)變形加大，同時(shí)使氧化膜部分?jǐn)D出，從而鍵合效果得到加強(qiáng)，但是會(huì)影響到焊點(diǎn)外觀也不利于量產(chǎn)，因此應(yīng)綜合考慮以確定最佳鍵合時(shí)間。不同的超聲能量會(huì)對(duì)焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，但是與金絲球焊相比，其影響并沒(méi)有后者顯著。另外較低的鍵合溫度將不能保證焊點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，由于銅球硬度較高，在剪切試驗(yàn)時(shí)，焊盤金屬化層會(huì)隨著銅球焊點(diǎn)的脫落而部分脫落，脫落區(qū)域面積取決于金屬化層厚度、工藝參數(shù)和所使用芯片金屬化層種類。

Luu T. Nguyen[8]認(rèn)為銅絲球鍵合主要依靠超聲能量來(lái)去除氧化膜，但如果超聲能量過(guò)大會(huì)造成芯片損傷破裂，如果超聲能量過(guò)小，則氧化物去除不充分，將形成虛焊。為了更為有效地去除氧化膜，他們提出了采用兩階段超聲施加方式來(lái)解決這一問(wèn)題，如圖2所示：第一階段的超聲能量主要用于去除氧化膜，而第二階段的超聲能量主要用來(lái)進(jìn)行鍵合，且能量約為第一階段的30%～50%。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用這種方式進(jìn)行鍵合能取得較為理想的結(jié)果，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度與第一階段的超聲能量有直接關(guān)系，與第二階段關(guān)系不大。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鍵合壓力對(duì)芯片的損傷程度大于超聲能量對(duì)芯片損傷。如果在超聲振動(dòng)初期不施加一個(gè)較大的壓力來(lái)固定焊點(diǎn)使銅球發(fā)生充分變形，那么將更容易使芯片上產(chǎn)生彈坑。因此，在超聲施加之前需要一個(gè)較大的壓力來(lái)使銅球充分變形，在鍵合超聲施加后必須減小鍵合壓力來(lái)減輕芯片損傷。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)階段的壓力之比在2～4:1左右比較合適。從銅球變形模擬模型來(lái)看，鍵合后最大應(yīng)力在銅球的邊緣區(qū)域，事實(shí)也證明在該區(qū)域最容易出現(xiàn)彈坑。另外焊盤上金屬化層厚度越大，芯片上壓應(yīng)力將會(huì)越小，這說(shuō)明在銅球和SiO2之間的鋁金屬化層對(duì)銅球鍵合所帶來(lái)的沖擊起到一定的緩沖作用。

超聲能量又可細(xì)分為超聲頻率和超聲振幅。超聲頻率和振幅會(huì)對(duì)焊點(diǎn)性能產(chǎn)生不同程度的影響。目前鋁絲鍵合所采用的超聲頻率多為60kHz，金絲鍵合所采用的超聲頻率多為120kHz，這主要是根據(jù)幾十年以前的工藝參數(shù)所定的。另外也有使用低于0.1kHz和高于1MHz超聲的相關(guān)報(bào)道。研究認(rèn)為，采用高頻超聲可以在較低溫度下經(jīng)過(guò)較短時(shí)間完成可靠的連接過(guò)程，并且可以改善鍵合效果。從鍵合點(diǎn)外觀看，超聲頻率越大，焊點(diǎn)尺寸越大，也就是說(shuō)金屬發(fā)生塑性變形的能力越強(qiáng)。

一直以來(lái)研究人員通過(guò)研究超聲對(duì)金屬塑性變形作用發(fā)現(xiàn)，超聲對(duì)金屬的作用有兩種：一種是超聲軟化作用，另一種是超聲作用過(guò)后對(duì)金屬的加工硬化作用。他們通過(guò)對(duì)高純鋁單晶的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)和外界溫度都能促進(jìn)金屬塑性變形能力，但其原理是不一樣的：超聲振動(dòng)在傳播時(shí)能被金屬內(nèi)部的位錯(cuò)吸收，并且超聲能量只會(huì)在能發(fā)生塑性變形的晶界處被吸收[9]，從而激發(fā)金屬內(nèi)部位錯(cuò)的移動(dòng)，因此超聲對(duì)金屬有軟化作用且效果較為明顯；外界溫度對(duì)金屬的軟化作用沒(méi)有超聲作用明顯，主要是因?yàn)闇囟人a(chǎn)生的熱量是均勻分布在晶體內(nèi)部，從而對(duì)塑性變形影響較小。超聲的另一個(gè)作用是在超聲施加后會(huì)產(chǎn)生加工硬化，而熱作用后一般只會(huì)產(chǎn)生永久的軟化。正是因?yàn)槌暤倪@種特殊作用機(jī)制使得采用不同頻率的超聲所引起的軟化程度有所不同。Charles等人[10]采用60kHz和100kHz的超聲頻率進(jìn)行了鍵合對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在金焊盤和純鋁焊盤上采用100kHz的超聲頻率所獲得的焊點(diǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于采用60kHz超聲頻率時(shí)的焊點(diǎn)強(qiáng)度，而60kHz超聲時(shí)的工藝參數(shù)窗口要大于100kHz時(shí)的工藝參數(shù)窗口，但100kHz超聲頻率下的明顯優(yōu)勢(shì)是可以使鍵合時(shí)間降低20%～60%而保持剪切強(qiáng)度不變，特別是在軟焊盤上這種優(yōu)勢(shì)更為明顯。

3.3 晶粒方面

金屬內(nèi)部的晶粒大小對(duì)其硬度有著直接的影響。因此，為了降低銅絲球焊點(diǎn)的硬度，采用合適的燒球工藝參數(shù)來(lái)改變銅絲熱影響區(qū)及銅球內(nèi)部的晶粒大小對(duì)提高鍵合性能有著重要的作用。

Caers等人[7]認(rèn)為，銅絲內(nèi)部晶粒尺寸與絲線直徑之間的比例會(huì)影響到第二焊點(diǎn)形狀，他們通過(guò)高溫回火處理使銅絲內(nèi)部組織發(fā)生重結(jié)晶來(lái)軟化銅絲，研究發(fā)現(xiàn)，如果銅絲在重結(jié)晶過(guò)程中形成的晶粒尺寸與絲徑尺寸相差不多，那么其機(jī)械性能和未回火的銅絲相近。一般認(rèn)為好的熱處理過(guò)的銅絲在絲徑尺寸內(nèi)有數(shù)個(gè)晶粒組織并相互交錯(cuò)，這樣的組織在第二焊點(diǎn)鍵合時(shí)可獲得可靠的連接效果。

銅是面心立方體結(jié)構(gòu)，在結(jié)晶過(guò)程中晶粒生長(zhǎng)沿[001]方向，具有12個(gè)滑移系，且在應(yīng)力方向上很容易發(fā)生滑移。鍵合時(shí)由于超聲和壓力的作用銅球會(huì)迅速發(fā)生變形。由于金屬塑性變形主要是通過(guò)滑移及孿生等方式進(jìn)行的，因此在銅絲鍵合之后必然會(huì)在焊點(diǎn)內(nèi)部出現(xiàn)位錯(cuò)墻、微滑移帶、亞晶等缺陷和變形組織。Srikanth[11]通過(guò)對(duì)不同直徑銅絲球焊點(diǎn)截面分析發(fā)現(xiàn)，由于燒球過(guò)程中保護(hù)氣體的對(duì)流散熱作用，銅球在結(jié)晶過(guò)程中會(huì)從球底部向球徑處生長(zhǎng)出柱狀晶，而靠近銅球的銅絲有明顯的再結(jié)晶跡象，如圖3（a）所示。而在鍵合后，焊點(diǎn)內(nèi)的柱狀晶粒在超聲和壓力的作用下發(fā)生了較為嚴(yán)重的變形，而在每個(gè)晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了蜂窩狀的晶苞和疲勞紋狀的滑移帶，如圖3（b）所示。

Hansen[12]研究了包括銅在內(nèi)的多晶面心立方材料在冷變形過(guò)程中的顯微組織變化。研究發(fā)現(xiàn)，即使只有更少的滑移系（少于5個(gè)），在一個(gè)晶粒內(nèi)仍然會(huì)發(fā)生以滑移帶的方式進(jìn)行的塑性變形。晶粒尺寸D*可以通過(guò)下面的經(jīng)驗(yàn)公式表示：

式中K是常量，G是剪切模量，b是伯格斯矢量，τ是流動(dòng)應(yīng)力，τ0是摩擦應(yīng)力。其中，流動(dòng)應(yīng)力與單位面積上施加的超聲能量成正比。

另外，銅發(fā)生孿晶變形的臨界應(yīng)力受多個(gè)參數(shù)控制：溫度、變形率、晶粒尺寸以及堆垛層錯(cuò)能。孿生生長(zhǎng)所需的應(yīng)力是成核應(yīng)力的一部分，這是因?yàn)閷\生基本上是克服障礙且與滑移相關(guān)的塑性流。從Hall-Petch關(guān)系；

式中σ是應(yīng)力，σ0是摩擦應(yīng)力（firction stress），d是平均晶粒尺寸。常量k，即Hall-Petch斜率，對(duì)純銅孿生而言取0.7MN/m3/2，對(duì)滑移而言取0.35MN/m3/2。因此，在銅體系中發(fā)生孿生要比滑移困難。

4 銅絲球焊互連可靠性研究

4.1 金屬間化合物

在引線鍵合技術(shù)中為了達(dá)到有效的鍵合強(qiáng)度，必須使引線材料和焊盤之間達(dá)到潔凈原子間的接觸。引線材料和焊盤達(dá)到原子間接觸后由于材料的不同，一般會(huì)在界面處生成金屬間化合物（IMC）。金屬間化合物的適度生長(zhǎng)會(huì)使焊點(diǎn)界面合金化從而有效增加焊點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度。但是，IMC的過(guò)量生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。

目前，對(duì)于金絲鋁焊盤引線鍵合中IMC生長(zhǎng)導(dǎo)致的紫斑（AuAl2）和白斑（Au2Al）等問(wèn)題已經(jīng)得到了業(yè)界廣泛的關(guān)注。銅絲鋁焊盤引線鍵合焊點(diǎn)內(nèi)部的IMC生長(zhǎng)問(wèn)題也已經(jīng)得到一定程度的研究。一般來(lái)說(shuō)，銅/鋁間擴(kuò)散速度要比金/鋁間擴(kuò)散速度低的多，金球焊點(diǎn)比銅球焊點(diǎn)更易形成柯肯德?tīng)柨锥?。原因有兩個(gè)：首先，銅原子激活能大于金原子，銅原子之間的原子間距比金小，因此需要更多的能量克服原子間的束縛力實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散；銅鋁之間的擴(kuò)散類似于置換式擴(kuò)散，需要更多的能量，而金鋁之間的主要擴(kuò)散形式則是需要能量相對(duì)較小的間隙式擴(kuò)散。許多研究人員通過(guò)對(duì)宏觀Cu/Al界面的擴(kuò)散試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在150℃～300℃之間，從鋁到銅，金屬間化合物的主要成分依次是：CuAl2、CuAl、Cu4Al3、Cu3Al2、Cu9Al4等[13]。圖4是銅鋁相圖。

Hyoung-Joon. Kim等人[14]通過(guò)對(duì)銅絲球焊中銅鋁金屬間化合物研究發(fā)現(xiàn)，由于焊盤上鋁層較薄，在高溫存儲(chǔ)時(shí)生成的IMC主要是CuAl2、CuAl、Cu9Al4這三種，但要區(qū)分各成分是比較困難的。有研究表明[15]，影響IMC生成的主要因素有原子尺寸、電負(fù)性、原子序數(shù)、結(jié)合能量等。而結(jié)合能量主要表現(xiàn)為金屬的熔點(diǎn)，Cu、Al、Au三種金屬熔點(diǎn)相近，故結(jié)合能量對(duì)金屬間化合物的形成不起重要作用。另外，Cu、Al、Au三種金屬的原子序數(shù)相近，從固溶性的角度出發(fā)，一般認(rèn)為原子序數(shù)對(duì)金屬間化合物生成的影響不大?？傮w來(lái)說(shuō)影響金屬間化合物生成的主要因素是原子尺寸和負(fù)電性。由于Cu、Al、Au都是面心立方體結(jié)構(gòu)，它們都不能阻礙原子移動(dòng)，所以在Cu-Al及Au-Al之間都存在完全固態(tài)可溶性的可能。Hume-Rothery理論認(rèn)為原子尺寸大小、電化學(xué)性、電子價(jià)態(tài)等共同決定了原子的可溶性。盡管三種金屬的結(jié)構(gòu)相同，但是銅和鋁原子尺寸相差甚遠(yuǎn)，鋁原子半徑的滲入會(huì)破壞銅原子排列陣列。金、鋁原子陣列不匹配度為-0.7%，而銅、鋁原子陣列不匹配度為+10.7%，因此鋁原子可以輕易進(jìn)入金原子的陣列，而不能輕易進(jìn)入銅原子的陣列中去。Hume-Rothery理論認(rèn)為只要不匹配度在±15%以內(nèi)都可以固溶，因此原子半徑差異是影響金屬的固溶性的因素之一，但不是必要因素。負(fù)電性方面，金原子的負(fù)電性要比銅原子高，約為鋁原子的兩倍，而負(fù)電性決定了原子的化學(xué)親和力，因此鋁原子可以比較容易在金原子中溶解。綜上，原子半徑大小和負(fù)電性差都有利于鋁在金中的固溶，而不能在銅原子中很好的固溶，因此Au-Al之間更易形成金屬間化合物，并且Au-Al之間形成的化合物要比Cu-Al化合物穩(wěn)定。

4.2 失效模式

為了解銅絲球鍵合點(diǎn)在器件使用過(guò)程中性能變化情況，很多研究人員通過(guò)加速壽命試驗(yàn)對(duì)焊點(diǎn)界面IMC生長(zhǎng)情況及失效模式進(jìn)行了分析。Hyoung-Joon. Kim[16]通過(guò)對(duì)鍵合焊點(diǎn)進(jìn)行不同溫度的高溫存貯，并進(jìn)行老化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：不同老化溫度和時(shí)間的焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度變化有所不同，并且剪切失效模式也有差異。一般球鍵合點(diǎn)的剪切失效模式一般可分為三種：粘接失效、界面失效和球內(nèi)斷裂，如圖5所示。

在150℃時(shí)，隨著老化時(shí)間的增加，剪切后焊盤上銅球殘余越來(lái)越多，而且焊盤上仍然有大量鋁存在，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)在這種條件下Cu/Al的IMC很難生成，即使生成，量也是很小的，IMC的不足導(dǎo)致焊點(diǎn)強(qiáng)度較低，因此在剪切時(shí)會(huì)在界面處斷裂，如圖5（a）所示，這種失效模式稱為粘接失效。隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，界面開(kāi)始反應(yīng)，所以老化時(shí)間越長(zhǎng)，焊盤上的銅殘留越多。當(dāng)老化溫度上升到250℃時(shí)，焊盤上的鋁明顯減少，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)鋁層下面SiO2發(fā)生了增長(zhǎng)，時(shí)間越長(zhǎng)，增長(zhǎng)越嚴(yán)重。由于鋁層較薄，在250℃老化條件下，銅和鋁的相互擴(kuò)散速度增大，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后鋁層將被消耗掉，導(dǎo)致IMC直接與SiO2接觸，而這種界面強(qiáng)度要明顯低于Cu-Al界面強(qiáng)度，從而形成如圖5（b）所示的界面失效模式。當(dāng)在300℃老化條件下，老化25h之前界面失效類似于250℃時(shí)的情況，老化時(shí)間為100h后失效將發(fā)生在銅球內(nèi)部，形成球內(nèi)斷裂失效模式，這主要是因?yàn)樵谳^高的溫度下，銅球內(nèi)部發(fā)生了重結(jié)晶，改變了銅球內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，使銅球發(fā)生了軟化，故剪切試驗(yàn)時(shí)失效模式為球內(nèi)斷裂。

5 其他

近年來(lái)，由于銅絲在機(jī)械性能、電學(xué)性能及IMC生長(zhǎng)穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢(shì)及芯片銅焊盤技術(shù)的發(fā)展，銅引線框架、基板覆銅工藝及銅絲球鍵合已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注和研究。隨著微電子封裝集成度的不斷提高，相應(yīng)的封裝過(guò)程中需要更小尺寸的焊盤結(jié)構(gòu)和焊點(diǎn)形態(tài)。由于楔焊過(guò)程是冷壓超聲焊，不需要燒球，縮短了焊點(diǎn)尺寸，縮短了鍵合工藝時(shí)間，因此更有利于在高密度、細(xì)間距封裝中應(yīng)用。除銅絲球鍵合工藝以外，銅絲楔焊也正受到半導(dǎo)體封裝行業(yè)研究領(lǐng)域關(guān)注。銅絲楔焊過(guò)程中所遇到的一系列問(wèn)題也有待進(jìn)一步的解決。

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