张垠 方建明 陈金涛 朱彬若 江剑峰 陈选龙
择要:
研究并总结了铜丝键合塑封器件在实际运用环境中事情时发生的几种不同失落效模式和失落效机理，包括常见封装类型电路的失落效，这些封装类型霸占绝大部分铜丝键合的市场比例。和传统的实验室可靠性测试比较，实际运用中的铜丝失落效能够全面暴露潜在可靠性问题和薄弱点，由于实际运用环境存在更多不可控成分。实际运用时的失落效或退化机理紧张包括:外键合点氯堕落、金属间化合物氯堕落、电偶堕落、键合弹坑、封装毛病五种类型。对实际运用中的数据和剖析为进一步改进铜丝键合可靠性、提高器件稳定性供应了依据。
0弁言
近些年铜丝键合技能得到了快速发展，在集成电路封装中逐步取代金丝键合。与金丝比较，铜丝除了价格低之外，还具有机器强度高、电阻率低、铜铝金属间化合物(IMC)成长慢、热导率高档上风，特殊是低电阻率和高热导率，使铜丝的直径更小(常日为20μm)、键合密度更高。不过，铜丝键合的工艺窗口较小，键协力的掌握较为严格，同时，铜丝随意马虎氧化，需采取惰性气体(如氮气)或稠浊气体进行保护。目前，覆钯铜丝也得到广泛运用，比纯铜引线更抗氧化。由于键合时力较大，铝焊盘也相应进行了改进，例如增加铝的厚度、铝上镀镍钯、焊盘介质增加通孔构造的设计等。为了更好地保护铜丝，封装塑封料也有了相应的改进，如改进pH值(pH值约为7.1)、减少氯离子含量、增加离子捕捉剂浓度。因此，在晶圆厂、封装厂的互助下，这些工艺上的可靠性问题正在减少。
实验室采取高温贮存试验、温度循环试验、高温高湿试验或高加速热应力试验等对铜丝键合可靠性进行评估，结果均显示铜丝键合具有非常好的利用寿命。然而许多可靠性测试是在实验室环境下进行的，为了避免突发失落效的产生，产品的湿度、温度、电流、化学污染等成分均得到掌握。在现实利用中有许多不可控的成分，如污染、水汽侵入、整机加电条件等，在这些综合应力浸染下会加速退化并引起突发性或不稳定性失落效。
本文通过对近五年来范例的实际运用样品进行失落效剖析，给出了铜丝键合在实际运用中常见的失落效模式、紧张的退化机理或者失落效机理，为提高铜丝键合的可靠性以及器件利用寿命供应依据。
1试验方法
1.1用于失落效剖析的样品制备方法
铜丝键合与传统金丝键合比较，因材料差异，器件开封方法上有所不同，可以采取等离子开封方法、阳极保护法等，但这些方法须要昂贵的设备或者给器件加电。为了在传统方法上直接改进，经由多次试验，末了采取如下的方法:先用激光开封机减薄芯片表面塑封料直至露出铜丝，再采取质量比为2∶3的浓硫酸和发烟硝酸(高温120℃)进行滴酸开封。
除了采取化学方法外，为不雅观察铜丝的堕落失落效，采取了机器开封方法，该方法紧张采取平面机器研磨技能。通过机器办法剥离塑封料进而不雅观察芯片的表面描述特色。
第三种方法为剖面制样技能，首先通过固封环氧进行剖面机器研磨，再通过氩离子束抛光技能进行剖面减薄以降落金属延展对结果判断产生的滋扰，目的是进行界面描述不雅观察和材料表征。
1.2物理剖析方法
铜丝键合失落效为封装级失落效，首先采取高分辨率X射线成像系统对内部构造、键合丝材质进行初步判断。一样平常情形下，铜丝的轮廓在X射线下较为模糊，而金丝则较为清晰。繁芜封装则须要采取CT断层扫描进行重构。制样完成后，采取光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)进行图像剖析，采取能谱仪(EDS)、离子色谱仪或者二次离子质谱仪进行元素、离子等材料剖析。
2结果与谈论
铜丝键合塑封器件实际运用过程的常见失落效模式和失落效机理如下所述。这些失落效发生的位置不同，详细的失落效缘故原由也不尽相同。
2.1外键合点堕落
TI公司生产的超薄缩小型封装(TSSOP)微处理器在现场利用几个月后涌现失落效。铜丝键合在表面镀钯(或银)的金属框架上形成外键合点连接，激光开封可见氯堕落铜丝后，全体楔形键合消逝(图1(a))，切片剖析可见外键合点铜丝变色形成了含氯的堕落产物(图1(b))，个中氯元素的质量分数(w)约为0.83%(如图2所示，图中x为原子数分数，E为元素能量)。对其塑封材料进行剖析，创造一样平常塑封估中也可以检测到少量的氯元素。一样平常认为铜不能直接与氯离子产生化学反应，但铜的表面可以形成Cu2O，发生电化学的堕落浸染，并且能够和氯离子形成络合离子产生进一步反应，全体堕落反应的化学方程式为
因此，为预防此类失落效，塑封材料的抗湿性能、卤素含量的掌握都须要进一步提高，并只管即便减少环境污染、湿度等对器件的影响，减少印制板组件(PCBA)的离子残留并涂覆三防漆防护。
2.2封装毛病
封装毛病的产品可能不会急速失落效，只有在外场应力下可能加速其失落效。本文先容两种紧张类型的封装毛病:①外键合点颈部裂纹;②键合丝间距过小。在外键合点颈部位置形成裂纹可能与键合工艺有关，也可能与注塑过程有关。以NXP品牌QFN16封装的微处理器为例，该器件用于基站中的通信设备，外部环境为热带，温度应力较大，很快即创造失落效。塑封与引线框之间并没有产生明显的分层，但其外键合点颈部产生了局部裂纹乃至贯穿性裂纹，如图3所示。这种失落效在初次测试阶段可能可以排查到，通过对初次测试失落效的样品进行剖析，就可以确定是否存在批次性毛病，从而避免实际运用时涌现大规模失落效。
键合丝间距过小的毛病未必是铜丝独占，键合引线间距过小导致两线之间场强过大，在长期运用时产生泄电、退化并发生突发失落效。例如ST公司UFQFPN48封装的AＲM处理器芯片，随整机在现场利用一段韶光后电源和地之间短路失落效，通过CT断层扫描重构出内部键合引线，键合引线间距非常小，疑惑失落效与键合引线间距偏小有关，切片结果显示，键合丝之间塑封料已过热炭化，如图4所示。
2.3内键合点键合弹坑
在铜丝键合工艺中，常日会调度工艺窗口以适宜不同芯片的键合须要，但工艺调度不当时仍旧会发生批次性的键合弹坑征象。内键合点的弹坑损伤失落效也具有潜伏性，导致键合强度和介质绝缘性低落等，在运用时加电应力或者温度应力下可以加速失落效。
国产SOT23－6封装的脉冲宽度调制掌握芯片产品初测合格，焊接完成后即创造功能失落效，失落效率达1%，已通过测试产品投入利用后依然有很高的失落效率。实验室测试其I-V特性曲线并无明显非常，通过化学开封和键合拉力测试剖析，部分键合丝拉力为0N，分开界面伴随着介质层和硅层损伤，呈现范例的“弹坑”描述，切片剖析也确认了这种失落效征象，如图5所示。铜丝键合周围的铝挤压征象比较严重，表明键合的力较大。
2.4内键合点IMC的化学堕落
微电子器件有多种堕落机理，常见的三种形式为化学堕落、电偶堕落和电解堕落。在不加电情形下最常见的办法为化学堕落。
SOT23塑封封装电压基准源用于电源适配器，利用一段韶光后输出电压涌现漂移。通过机器开封后目检不雅观察，确认芯片表面铝焊盘被堕落，铜发生了迁移和再沉积，IMC界面存在含氯的化合物，详细结果如图6所示。铜铝键合的IMC紧张身分为CuAl2、CuAl和Cu9Al4，以CuAl2和Cu9Al4为主。铜丝内键合点堕落紧张是因Cu9Al4和CuAl2受到Cl－侵蚀导致，终极导致键合强度低落，可能的一系列反应为
因此，针对IMC氯堕落失落效，须要进一步改进器件封装材料和表面防护材料。
2.5电偶堕落
铜铝键合界面键合强度的低落可能是一个长期的过程，一样平常情形下不会引起突发性失落效，并且键合点位置过热会形成塑封料的炭化征象。这种键合强度低落的失落效在“双85”高温高湿试验和实际利用中都得到了很好的验证。失落效表现为内键合点没有形成弹坑，没有明显的过电应力和化学污染，键合点呈现过热失落效。这是由于铜铝界面在吸湿环境时会形成电偶(打仗)堕落，也称之为原电池堕落，终极引起铝层氧化，键合强度降落。剖析过三起电磁炉风扇不转的失落效缘故原由，均为TO－94封装的霍尔传感器失落效引起的，该类传感器涌现失落效的键合点为地(GND)端口，失落效描述见图7。
以上五种铜丝键合器件的失落效模式、失落效机理以及后续改进方法见表1。
3结论
研究了铜丝键合塑封电路在实际运用时紧张的失落效模式和失落效机理，紧张包括:外键合点氯堕落、金属间化合物氯堕落、电偶堕落、键合弹坑以及封装毛病。这些剖析结果为铜丝键合封装器件的制造、生产和利用供应了参考，同时给出预防铜丝器件的突发失落效或者加速退化失落效的思路，终极目标是提高器件可靠性，从而改进系统的稳定性。
