混合集成电路金铝键合退化与控制研究动态
混合集成电路金铝键合退化与控制研究动态
苏杜煌1,2，何小琦2
（1. 广东工业大学 材料与能源学院，广东 广州  510090；2. 工业与信息化产业部 电子第五研究所 电子元器件可
靠性物理及其应用技术国家级重点实验室，广东 广州  510610）
摘要: 混合集成电路的两种金铝键合系统，有着不完全相同的两种退化模式。综述了相关的退化机理和控制方法的研究状况。金丝与芯片铝膜的Au/Al键合系统，是键合IMC、Kirkendall空洞导致其界面开裂失效；铝丝与厚膜金导体的Al/Au键合系统，除了界面开裂外，还存在键合根部因铝原子向IMC过度迁移而形成铝丝内部空洞导致铝丝断裂。采用铜丝代替金丝，可有效控制Au/Al键合系统的退化；采用过渡垫片或在金浆料中加入少量Pd，同时减少金导体膜厚度，可有效控制铝丝Al/Au键合系统的退化。
关键词: 混合集成电路；综述；Au/Al键合
中图分类号: TN406 文献标识码:A  文章编号:1001-2028（2008）12-0005-03
Research trend of degraded mechanisms and control ways of gold and aluminum bonding in hybrid integrated circuit
SU Du-huang1,2, HE Xiao-qi2
(1. College of Material and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510090, China; 2. National Key Laboratory for Reliability Physics and Application Technology of Electronic Component, the 5th Electronics Research Institute of the Ministry of Industry and Information, Guangzhou 510610, China)
Abstract: There are two degraded mode on the gold and aluminum bonding in hybrid integrated circuit under the constant temperature and stress, the relating degraded mechanisms and study condition of control ways were reviewed. The Au filaments on Al film bonding system interface crack failure is leaded by the IMC and Kirkendall void. Not only mode of interface crack, but also the another degraded mode of Al atom in the heel of Al filaments and Au thick film conductor bonding system migrates to the IMC excessively, the voids appear at the Al filament inner to induce Al filaments crack mode. Using Cu filaments bond instead of Au filaments can control the degraded crack, effectively; using transition pad or adding a little Pd in Au conductor pastes, and reduce the thickness of Au thick film will control the degraded crack of Al filaments on thick Au film bonding system, effectively.
Key words:hybrid integrated circuit; review; Au/Al bonding
广州2a大学组装与互连是混合集成电路中不可避免的工艺步骤，它是先把芯片贴于基片上，再对它们进行电气互连。其中，内引线键合是混合集成电路中器件互连的主要形式，其主要类型有金丝和铝丝。
在混合集成电路中，半导体芯片与其他器件的电气互连，通常是通过金丝球焊的形式完成的。而半导体芯片上的焊盘镀了一层铝薄膜，这时在半导体芯片与金丝之间就形成了一个金铝界面。而另一方面，在混合集成电路中，通常采用铝丝（含质量分数1%的硅）以楔形焊的形式完成功率芯片电极与厚膜金导体的电气互连。这样，当铝丝键合在厚膜金导体上面的时候，就在铝丝与厚膜金导体之间形成了一个铝金界面。
在温度应力下，界面由于Au、Al相互扩散，产生了界面金属间化合物（IMC）。随着温度的升高和键合时间的增加，IMC增加，从而使接触电阻增加，键合强度下降，甚至造成焊点开裂，器件失效。
由于混合集成电路中这两种键合形式在结构上存
从事电子元器件可靠性技术研究工作，Tel: (020) 87237162，E-mail:******************；
6
苏杜煌等：混合集成电路金铝键合退化与控制研究动态 V ol.27No.12 Dec. 2008基板 铝丝 厚膜Au 导体
在差异，退化机理也不尽相同。因此，随着军事、通
讯对大功率高可靠微电路产品需求的增加，2000年以后人们开始重视对大功率混合集成电路Al/Au 键合失效机理的研究。
1 失效机理
1.1 金丝与芯片铝膜键合失效
在混合集成电路中，由于金丝良好的导电性和抗氧化特性，对于功率较小的芯片，与布线或外引脚之间的电气互连通常使用金线连接。由于金的延展性很好，在高温条件下极易形成金丝球，其良好的抗氧化特性使其在高温条件下不易被氧化，因此常用热压焊来焊接金线与芯片上的铝膜，这样就在两者间产生了Au/Al 界面。其键合结构示意图如图1所示。
图1  金丝与芯片铝膜键合结构
Fig.1  The bonding structure of Au filament on chip Al film
在键合完成初期，就已经形成少量的IMC 。少量的IMC 对界面键合强度起一定的强化作用。然而，随着使用时间的增加和温度的升高，IMC 增加。IMC 过多时，导致键合强度降低、变脆以及接触电阻变大等[1]，脆性的IMC 会使键合点在受周期性应力作用时引发疲劳或浅变破坏[2]，最终可导致器件开路或器件的电性能退化。金引线与铝层之间形成的界面反应行为研究已经有广泛的报道[1~3]。普遍认为，IMC 的形成和Kirkendall 空洞是金铝引线键合失效的主要机理。然而Au/Al 系统界面演变却是一个非常复杂的动力学过程。
相关研究表明，随着铝膜厚度的不同，Au/Al 系统金铝间化合物形成的动力学机制将略有不同[4]。但普遍认为：Au/Al 系统键合及老化后，可形成AuA1、Au 5Al 2(俗称白斑，White Plague)、Au 4A1、AuAl 2(俗称紫斑，Purple Plague)、Au 2A1、Au 8A13和Au 3A12等多种IMC [3]。其中Au 5Al 2随着老化时间的增加，会向Au 2A1转化，并伴有Au 4A1中间相，IMC 厚度不断增加，最后形成Au 2A1。Au 2A1上面为蜂窝状存在的Au 3A12，其中也存在很薄的Au 4A1相。
2004年新加坡的F. W. Wulff 等[5]，
2006年哈尔滨工业大学徐慧等[6]在研究“金、铜丝球键合焊点的可靠性对比”时发现：金丝球焊在铝薄膜上确实存在上述几种IMC 。
随着老化时间的增加，键合点界面IMC 的生成将伴随Kirkendall 空洞出现，随着固相反应的加剧，这种空洞会不断聚集，从而连接在一起形成裂纹，导致焊点开路[3,5,6]。当铝膜被完全消耗时，该反应结束，严重时会造成焊点脱落，如图2。
图2  焊点脱落 Fig.2  Solder joint parting
1.2 硅铝丝与厚膜金导体键合失效
厚膜电路中的导体是使用印刷机将各种浆料通过制作好电路图形的丝网印刷在基片上，再将印刷好的基片在高温烧结炉中烧结。由于金电导率高，抗氧化能力特别强，在高温条件下不易被氧化，因此它常被选用于制作厚膜电路的导体，也称厚膜金导体。
对于混合集成电路中的大功率芯片，通常采用铝丝以楔形焊的形式完成功率芯片电极与厚膜金导体的电气互连。这样，在厚膜金导体与铝丝之间就存在一个Al/Au 界面。其键合结构如图3所示。
图3  铝丝与厚膜金导体键合结构
Fig.3  The bonding structure of Al filament on thick film Au conductor
研究表明，金铝键合的退化机制与这两种金属的厚度有关。2004年，波兰的A. Bochenek 等[7]对铝丝楔形焊于厚膜金导体上的热退化机制做了研究。结果发现，随着老化时间的增加，铝原子向金导体扩散，Al/Au 键合界面出现IMC ；反应所需的铝原子由铝丝补充，这样在铝丝中部分区域就出现了空隙，同时，Kirkendall 空洞出现。随着老化时间进一步增加，IMC 扩大了，铝原子继续向金导体扩散而使铝丝形成空洞，IMC 晶核形成后，分别向铝引线和金导体扩散，使Kirkendall 空洞加剧，形成裂痕，如图4所示。
图4  铝丝与厚膜金导体键合界面热退化
Fig.4  Thermal degradation of bonding interface of Al silament on thick Au
film
Si 芯片 铝膜
金丝球
金丝Al 丝
厚膜Au 导体Kirkendall 空洞
铝丝空洞
IMC 2012-05-16>>>>####2012-05-16>>>>####2012-05-162012-05-16>>>>####2012-05-16>>>>####2012-05-16
第27卷第 12 期7
苏杜煌等：混合集成电路金铝键合退化与控制研究动态
Al/Au系统和Au/Al系统键合界面的热退化机理并不完全相同。对于金丝与芯片铝膜所形成的Au/Al 系统键合界面，它的热退化是以铝膜的完全消耗为反应终止时间；而对于铝丝与厚膜金导体所形成的Al/Au系统键合界面来说，这两种金属都没有完全被消耗[7]，而由于厚膜金导体Au充分，迫使铝丝中铝原子向金导体扩散以补充界面反应所需的铝原子，致使铝丝中出现空洞。跟金丝与芯片铝膜键合界面相同，热退化后，铝丝与厚膜金导体键合界面也出现IMC和Kirkendall空洞。
2007年，哈尔滨工业大学的计红军等[3]在研究“超声楔键合Au/Al和Al/Au界面IMC演化”时发现：Al/Au 系统经热老化后，生成的IMC主要是以AuAl2为主，而且铝丝中确实存在空洞。由于AuAl2热膨胀系数小、硬度高、导热性能差，同时铝丝空洞使铝丝的力学性能下降，因此容易在引线与AuAl2之间发生开裂。
2失效控制方法
2.1金丝球与芯片铝膜的键合失效控制
对于金丝与芯片铝膜键合失效控制，可采用其他金属丝来代替金丝，比如铜丝。铜丝球焊有很多优点：（1）铜的成本比较便宜；（2）铜的电导率比金大，同时铜的热导率也高于金；（3）铜引线相对金引线的高刚度使得其更适合细小引线键合；（4）Cu/A1界面的IMC生长速度是Au/A1界面1/10[6]。基于以上几个优点，2004年，新加坡的F. W. Wulff等[5]在研究“金丝球焊与铜丝球焊跟铝薄膜所形成的IMC的生长特性”时发现：在恒定温度应力下，Cu/A1界面的IMC生长速度比Au/A1界面的慢得多。2006年，哈尔滨工业大学徐慧等[6]对金、铜丝球键合焊点的可靠性做了对比，结果发现：（1）在同样的温度和压力下，虽然铜跟铝也会形成IMC，但铜丝球焊焊点的IMC生长速率比金丝球焊焊点慢得多，初步认为铜与铝原子尺寸差比金与铝原子尺寸差大，铜和铝电负性差较小是其本质原因；（2）铜丝球焊焊点具有比金丝球焊焊点更稳定的剪切断裂载荷，并且在老化一定期时间内铜丝球焊焊点表现出更好的力学性能。
但采用铜丝也有缺点：（1）铜容易被氧化，键合工艺不稳定；（2）铜的硬度、屈服强度等物理参数高于金，键合时需要施加更大的超声能量和键合压力，因此容易对硅芯片造成损伤甚至是破坏[6]；（3）铜的延展性比金差，成球困难。
2.2铝丝与厚膜金导体键合的失效控制
针对铝丝与厚膜金导体键合的热退化失效机理，为了达到单一的金属化系统，可在铝丝与厚膜金导体之
间引入铜过渡垫片，铜过渡片上镀了一层铝膜，实现Al/Al键合[8]。但是，过渡垫片的引入，不但给键合工艺带来了一定的复杂性，而且给器件的小型化带来了困难。
改善金导体浆料，可以减缓IMC的生成，也是失效控制的另一种方法。早在1979年，S. J. Horowitz 等[10]就已经在这方面做了相关的研究。他们发现：在金导体浆料中加入少量的Pd，同时减少膜的厚度，能提高金铝键合系统的热老化性能。2000年，昆明贵金属研究所的李世鸿[9]在这方面也做了相关研究：在金导体浆料中引入少量的Pd，生成AlPdAu IMC，该新相在Al-Au/Au界面，通常是产生Kirkendall空洞的部位，阻碍和延缓Kirkendall扩散，减少了金铝间化合物的形成及生长速度。
3结语
混合集成电路的两种金铝键合系统，在恒定温度应力作用下，有着不完全相同的两种退化机理。针对这两种不同的失效模式，其失效控制方法也各不相同。
（1）金丝与芯片铝膜键合所形成的Au/Al系统退化开裂机理，是经典的IMC、Kirkendall空洞生成机理和界面开裂模式。
其失效控制方法是：可采用与铝膜不易形成IMC 的金属来代替金丝，比如铜丝。
（2）铝丝与厚膜金导体键合所形成的Al/Au系统退化开裂机理，除了键合界面退化开裂模式外，还存在
键合根部铝原子向IMC过度迁移形成铝丝内部空洞的退化机理。
其失效控制方法是：采用铜过渡片以实现单一的金属化系统；或者在金浆料中添加合金化作用的元素，如Pd，以阻碍IMC的生长，同时减少膜的厚度对提高其热老化性能也有帮助。
参考文献：
[1] 李军辉, 谭建平, 韩雷, 等.引线键合的界面特性 [J]. 中南大学学报,
2005, 36(1): 90.
[2] 李可为. 集成电路芯片封装技术 [M]. 北京: 电子工业出版社, 2007.
[3] 计红军, 李明雨, 王青春. 超声楔键合Au/Al和Al/Au界面IMC演化
[J]. 电子艺技术, 2007, 28(3): 125－129.
[4] Richard C B, Li S, Hiro K, et al. Gold-aluminum intermetallic formation
kinetics [A]. 44th Annual International Reliability Physics Symposium [C].
San Jose: The Organizer, 2006, 233－242.
[5] Wulff F W, Breach C D, Stephan D, et al. Characterisation of intermetallic
growth in copper and gold ball bonds on aluminium metallisation [A].
Electronics Packaging Technology Conference [C]. Singapore: The Organizer, 2004: 348－353.
[6] 徐慧, 杭春进, 王春青, 等. 金、铜丝球键合焊点的可靠性对比研究 [J].
电子工业专用设备, 2006, 136: 23－27.
[7] Bochenek A, Bober B, Hauffe W, et al. Thermal degradation of joined
thick Au and Al elements [J]. Microelectron Int, 2004, 21(1): 31－34. [8] 徐学良, 肖玲. 功率混合集成电路键合强度控制研究 [J].微电子学,
2005, 35(3): 279－282.
[9] 李世鸿. 厚膜金导体浆料 [J]. 贵金属, 2001, 22(1): 57－61.
[10] Horowitz S J, John J F, Gerry D J. Alloyed thick-film gold conductor for
high-reliability high-yield wire bonding [A]. The 29th Electronic Components Conference [C]. Cherry: The Organizer, 1979, 14－16.
（编辑：陈渝生）
2012-05-16>>>#
>###2012-05-16>###
>>>#2012-05-16 2012-05-16>>>#
>###2012-05-16>###
>>>#2012-05-16
file:///C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt
通信/电子电脑、 杂志、 会议、 劳动合同、 生活休闲、 考试、 股票 file:///C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt2012/7/5 12:11:23

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。

上海交通大学2022_年强基计划数学试题及解答
« 上一篇
《大学物理AI》磁感应强度
下一篇 »

发表评论

Copyright © 2024 baidu.com
Powered By 慧智精品网 豫ICP备2022007602号 豫公网安备41160202000598