鍵合銅線性能及鍵合性能研究.pdf

1、鍵合銅線以其優(yōu)良的力學性能、電學性能和低成本因素，在微電子封裝上被逐步采用，但目前銅線的應(yīng)用上由于其本身容易腐蝕(氧化)、鍵合工藝不成熟等原因，在大規(guī)模集成電路封裝中的應(yīng)用受到了限制，通過微合金化提高鍵合銅線性能是較為有效的方法，而提高銅線的抗氧化性、微合金元素對銅線鍵合性能的影響研究較為鮮見。本研究通過氧化稱重實驗，計算氧化增重率，繪制增重率.時間曲線研究了銅氧化動力學，分析了氧化機理。通過EDS和SEM分析銅表面原子能量和氧化膜形貌

2、，研究了組織、純度、晶粒尺寸和微合金元素等因素對銅氧化性能的影響。通過對高純銅線和微合金銅線不同溫度下力學性能和電學性能的差異及晶粒尺寸和組織結(jié)構(gòu)的變化，研究了高純銅線和微合金銅線再結(jié)晶溫度/熱影響區(qū)長度的差異及微合金元素對再結(jié)晶溫度/熱影響區(qū)長度的影響機理。在優(yōu)化銅線性能的基礎(chǔ)上，通過對高純銅線和微合金銅線的性能及其鍵合質(zhì)量、鍵合強度的分析，研究了微合金元素對鍵合銅線性能的影響，系統(tǒng)分析了銅線性能和鍵合參數(shù)對鍵合質(zhì)量的影響，采用EDS

3、對經(jīng)過高溫可靠性試驗和高溫蒸煮試驗的Cu-Al界面成分及連接強度進行分析，研究了銅線鍵合的可靠性及失效機理。主要結(jié)論如下：
　　 1.通過對銅的氧化機理、銅表面不同能量的原子、氧化膜形貌分析研究，得出銅氧化的微觀過程是銅中的自由電子逐漸向氧原子偏移，先生成銅和氧的非晶體，接著這種非晶組織繼續(xù)被氧化并長大，最終氧原子得到銅原子的一個電子形成疏松的Cu2O顆粒附著在銅基體上，當基體完全由Cu2O膜覆蓋后，Cu2O繼續(xù)被氧化成致密的C

4、uO，而不是電子一次性被氧原子得到生成Cu2O晶體或者CuO晶體。
　　 2.銅氧化具有明顯的取向性，非密排的(100)晶面上界面能高、晶面原子堆垛相對疏松和原子尺度上粗糙，且氧化膜生長連續(xù)，氧化速率高于密排的(111)晶面。氧化膜對純銅氧化速率的影響和氧化膜的附著性和致密性有關(guān)，氧化膜越致密且與基體附著性越好氧化速率越小。單晶銅(111)晶面氧化膜生長致密且附著性好，多晶銅氧化膜的致密性和附著性能次之。單晶銅(100)晶面氧化

5、膜的致密性和附著性都較差，氧化速率大于多晶銅。高純銅(100)晶面的氧化膜容易脫落，低純銅(100)晶面的氧化膜與基體是機械釘扎結(jié)合方式，結(jié)合不緊密。晶粒細化使得銅表面(111)晶面的面積相對原來未細化時的面積增加，即能量較小的晶面原子所占的面積增大，氧化速率減小。
　　 3.高純銅加入微量Sn，使鍵合銅線的晶粒尺寸均勻，增加了小能量晶面的面積，同時由于Sn原子與氧原子的親和力大于銅原子與氧原子的親和力，所生成的氧化Sn與氧化銅

6、之間互不固溶，銅Sn合金在形成的氧化膜與銅基體的界面間和氧化亞銅之間生成了保護氧化層，提高了高純銅的氧化性。
　　 4.位錯周圍的彈性應(yīng)力場的交互作用使Sn原子在位錯周圍形成氣團，對再結(jié)晶過程中的位錯運動與重排起阻礙作用，抑制再結(jié)晶過程的形核，Sn原子與銅原子間的化學交互作用與彈性交互作用，引起高純銅的晶格畸變，阻礙了再結(jié)晶過程中銅的晶界遷移，減少了純銅的再結(jié)晶形核率和晶粒長大兩個過程，從而抑制再結(jié)晶，提高了再結(jié)晶溫度，減少了銅

7、球的熱影響區(qū)，熱影響區(qū)長度由高純銅線的150μm減少到微合金銅線的120μm。微合金銅線的熔斷電流與熔斷時間之間符合I＝3.49exp(-t/6.45×103)+0.61分布，置信區(qū)間為0　　 5.微合金銅線中，微量元素Sn的存在更有利鍵合過程中位錯密度的增加，而位錯密度的增加是形成鍵合界面

8、和有效連接強度的主要因素，因此微合金銅線的鍵合強度高于高純銅線。微量元素Sn的加入，使同體積的金屬晶粒個數(shù)越多，且晶粒的取向不同，增加了變形時的協(xié)同作用，降低了變形的不均勻性程度，使形變時同樣的形變量可分散到更多的晶粒中，從而產(chǎn)生較均勻的形變，得到均勻的第一焊點形貌。微合金銅線的性能影響燒球后的HAZ長度，加工硬化狀態(tài)的銅線內(nèi)部存在高的位錯密度和位錯能，降低了其再結(jié)晶溫度，熱影響區(qū)長度增加了8.7％。
　　 6.超聲功率是鍵合過

9、程中的關(guān)鍵，過大的超聲功率使鍵合區(qū)域變形嚴重產(chǎn)生明顯的裂紋，并會引起鍵合附近區(qū)域嚴重的應(yīng)力集中，致使器件使用過程中產(chǎn)生微裂紋；過大的超聲功率還會破壞已經(jīng)形成的鍵合區(qū)域?qū)е骆I合強度下降，形成無連接或剝離的結(jié)果。而過小的超聲功率不能為鍵合強度的形成提供足夠的能量，形成無強度連接或脫落。鍵合過程中，鍵合壓力的不當會導(dǎo)致彈坑缺陷。鍵合過程中銅球傳遞給鋁焊盤的壓力的最大位置均在劈刀嘴部所對應(yīng)處，形成可靠連接，鋁焊盤中部，所受壓力比較小，銅球不能經(jīng)

10、歷充分的塑性變形，在鋁金屬化焊盤上不能完全鋪展開來，鋁膜所受的擠壓較輕，形成薄弱連接。
　　 7.銅球焊點在經(jīng)過高溫可靠性試驗(HighTemperatureStorage)后，鍵合界面沒有出現(xiàn)空洞和裂紋，形成了CuAl、Cu9Al4金屬間化合物，球焊界面的連接強度增加，測試失效模式是鋁層剝離，與高溫存儲試驗前相同。焊點經(jīng)過高溫高濕試驗(PressureCookingTest)后，強度降低，鍵合界面出現(xiàn)孔洞，Cu9Al4金屬件化

11、合物消失，對于Cu/Al鍵合界面來說，Cu活性相對于Al較低，在潮濕的環(huán)境中，鹵素原子的加入使周圍環(huán)境呈現(xiàn)弱酸性，具備了電化學腐蝕的條件，而Cu9Al4金屬間化合物其IMC中Cu含量較高，其電化學勢比Cu低且不容易形成保護層，容易被腐蝕，其反應(yīng)式為：Cu9Al4+12Br-＝4AlBr3+9Cu+12e-，降低了器件的可靠性。
　　 本研究通過將對銅線氧化機理、氧化性能影響因素、微合金元素Sn對鍵合銅線性能的影響及銅線鍵合可靠性