Au-Al键合界面金属间化合物对可靠性影响的研究

引线键合工艺是半导体封装过程中十分重要的一道工序,键合质量的提高基于键合可靠性的提升,而键合界面对键合的可靠性,乃至对电子元器件的服役性能和使用寿命都有着极大的影响。但是,在键合完成初期,由于会形成少量的金属间化合物(IMC)。而且,随着时间的增加和温度的升高,金属间化合物会增加。金属间化合物过多时易导致键合强度降低、变脆,以及接触电阻变大等问题,应该看到,脆性的金属间化合物会使键合点在受周期性应力作用时引发疲劳破坏,最终可导致器件开路或器件的电性能退化。其中,金属间化合物的形成和可肯达尔(Kirkendall)空洞是金铝(Au-Al)键合失效的主要失效机理。本文结合充分的实验测试数据及相关文献,综述键合界面上金属间化合物的形成以及演变机理,并且从不同种类的金线、芯片焊盘的铝层厚度、不同焊线的模式、不同类型的封装树脂,四个方面探讨键合界面金属间化合物对可靠性的影响。

不同温度应力下陶封器件Au-Al键合可靠性研究

为研究不同温度应力对Au-Al键合的可靠性影响,对陶封器件采用温度循环试验、高温贮存试验,分析陶封器件Au-Al键合点的金属间化合物(IMC)微观组织结构。结果显示,两种温度应力条件下都出现明显分层现象,且由于固固扩散反应,分层界面处应力集中,裂纹更易萌生扩展,降低可靠性;对比3000次温循、150℃/360h、250℃/360h试验条件下分层界面处的裂纹形貌,裂纹长度逐渐增加,说明恒定温度应力更易促进IMC裂纹生长,且温度越高,裂纹生长越快,对器件可靠性影响也越大。

基于温冲环境的Au—Al键合特性研究

设计了Au—Al键合点的温度冲击试验，分析了键合点的力学特性、结构形貌及电学性能。结果表明Au—Al键合界面无裂纹产生，且机械性能良好，键合拉力在3．0～12．0g之间；高温导致Au—Al间形成了电阻率较高的化合物Au5Al2；最终引起键合电失效。对目前工艺水平下的Au—Al键合可靠性进行了评价，发现其寿命分布服从威布尔分布规律。用图估法估算取置信度为95％时，特征寿命η为547h，形状参数m为3．83。基于器件可靠性评价规律预测出了该工艺条件下制备的Au—Al键舍寿命，取可靠度为90％时，试验样品在常温25℃时的寿命为1．8×10^5h，约20年。

Au-Al双金属键合可靠性分析

键合是半导体器件生产过程中的关键工序,对器件的产品合格率和长期使用的可靠性影响很大。在半导体器件中Au-Al键合系统的失效现象屡有发生,但又不可避免的使用,因此Au-Al双金属键合的可靠性备受人们的关注。通过分析Au-Al双金属键合的失效机理,提出了Au-Al双金属键合的正确设计方法及工艺控制措施,给出了多个批次多个品种的Au-Al双金属键合的实际使用结果。研究表明,只要设计正确,采用有效的工艺控制措施,在结温150℃以下使用,采用Au-Al双金属的器件仍然可以应用在高可靠场所。

电解质类污染物对Au-Al键合界面的可靠性影响

初步探讨了Au-Al键合界面处于电解质类污染物中发生的失效行为及其机理。分析认为电解质类污染物作用于Au-Al键合界面后,发生了电化学腐蚀反应而加速Au-Al键合提前失效。在实际生产中,实施多芯片组件组装、调试与检验全过程的质量过程控制以及确定多芯片组件合适的气密封指标可以有效排除外来污染物对Au-Al键合界面可靠性的不利影响。

Au-Al共晶键合在MEMS器件封装中应用的研究

针对微机电系统(MEMS)器件在实际应用中出现的真空封装可靠性低的问题,进行了Au-Al共晶键合实验研究。重点研究了键合金属层的厚度、键合温度和作为键合区域的密封圈的结构对键合样品性能的影响,同时借助3D超景深测量显微镜对Au-Al共晶键合样品界面的微观结构进行了分析。结果表明:当键合温度为300℃,Au层厚度为600 nm,Al层厚度为200 nm,采用宽度为50μm的密封圈,此时键合样品的综合性能最好,力学性能达到最佳。

基于Si基芯片的Au/Al键合可靠性研究

对集成电路中常见的Au、Al键合的可靠性进行研究,重点分析高温条件持续时间对引线键合的影响。采用镜检和拉力测试的方法对引线键合点的形貌和强度进行检验,并根据拉力测试数据拟合出高温时间与拉力的关系曲线。最后,基于固相反应原理,给出高温状态下Au-Al系统金属间化合物的演变过程分析。结果表明,Al/Au键合界面比Au/Al界面在高温环境下的可持续工作时间更长。

长期湿热环境下塑封电路Au-Al键合退化研究

为评估塑封电路Au-Al键合点在长期湿热环境下的可靠性,对Au-Al键合界面抵抗长期湿热应力的能力进行了试验研究。选择2款Au-Al键合塑封电路,分别设置2组湿热应力试验条件加速Au-Al键合退化。采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对键合界面形貌、成分进行观测,分析长期湿热应力作用下Au-Al键合界面微观结构演变对键合强度及可靠性的影响。试验结果表明,湿热环境对塑封电路Au-Al键合界面结构和可靠性有明显的影响,Au-Al界面易形成金属间化合物且生长较快,且随着时间的增加,键合界面产生裂纹和空洞,力学性能降低。

Ni/Pd/Au镀层的键合可靠性

研究了陶瓷外壳不同厚度Ni/Pd/Au镀层的键合可靠性,并分析了金丝球焊、硅铝丝楔焊和粗铝丝楔焊经300℃不同时间贮存后键合强度变化及键合失效模式变化,并与Ni/Au镀层键合进行了对比。研究结果表明,随着Au层厚度的增加,相同键合参数、相同镀层的金丝球焊的键合强度一致性有明显提升,随高温贮存时间增加,Ni/Pd/Au镀层的金丝键合强度一致性变差;相同实验条件下、不同镀层外壳的硅铝丝键合强度基本一致,300℃、1 h贮存后硅铝丝键合强度降低,随着高温贮存时间的增加,硅铝丝键合强度变化不大;随Au层厚度的增加,粗铝丝楔焊键合强度一致性变差,且失效模式主要为键合点脱落。

搅拌摩擦焊辅助Al/Zn/Mg接头扩散连接

对2mm厚的AZ31B镁合金和6061铝合金平板进行添加夹层Zn的搅拌摩擦诱导扩散连接实验。通过SEM,EPMA,XRD,拉伸实验和维氏硬度测试研究Al/Zn/Mg搭接接头显微组织和力学性能。结果表明:当旋转速率合适时,扩散层存在Al富集区,Al5Mg11Zn4层及Mg-Zn共晶区;而旋转速率较低时,扩散层存在残留的Zn层;旋转速率过大时,扩散层出现Al-Mg系金属间化合物。由于扩散层主要为金属间化合物,其显微硬度明显高于母材。Zn箔的加入提高了Al/Mg搭接接头的力学性能。断口观察分析表明,接头失效发生在靠近Al侧的扩散层上。

利用俄歇电子能谱仪研究Al焊垫表面的F腐蚀

Al焊垫的质量关系着半导体器件及封装的质量和可靠性。多项研究表明Al焊垫表面的沾污增强了Al焊垫腐蚀的可能性,特别是焊垫表面刻蚀后残留的F元素,极容易在焊垫表面引起各种类型得腐蚀。应用俄歇电子能谱仪,研究了两种发生在焊垫表面的腐蚀现象,结合其他失效分析手段,分析了Al焊垫表面的F腐蚀的成因。研究结果表明,被腐蚀的Al焊垫表面F元素的相对含量较高,腐蚀缺陷所在区域的氧化层大为加厚,将直接影响到后期封装过程中Al和相应封装材料的金属键合,造成潜在的芯片失效。

高温存储下键合界面演化行为及寿命研究

功率VDMOS已经广泛应用于航天领域,但其在空间长期高温环境下存在键合可靠性下降甚至脱键失效的问题。为评估功率VDMOS高温条件下长期服役能力,需要对相应温度条件下键合强度演化规律、失效机理、寿命评估等方面展开研究。设计150,300℃两组高温存储试验,研究不同高温存储条件下键合强度演化规律及界面IMC演化行为,分析键合失效机理,对键合寿命进行预测。结果表明:键合强度随高温存储时间增加而下降,界面IMC由Au2 Al逐步转变为AuAl2;脱键断面裂纹源为键合点前部Al丝,裂纹沿相界面扩展;基于Arrhenius加速寿命模型得到键合点理论寿命计算公式,外推出常温(25℃)下键合点理论寿命约为3×10^(7)h。

电子元器件金铝键合失效分析研究

金铝键合失效是电子元器件常见的失效模式之一。对某型号射频芯片和检波器两例产品开展了失效分析研究。结果表明,一例失效产品出现了键合丝脱落的情况,一例失效产品出现了键合拉力几乎为零的情况,这是由于铝焊盘与金键合丝之间形成了金铝间化合物,金铝间化合物电阻率较高,使得键合强度降低或键合脱开,最终导致产品失效。研究了金铝化合物的失效机理,借助扫描电子显微镜对金铝化合物形貌及元素进行了分析,最后对金铝化合物所导致的失效提出了预防和改进措施,对于提高电子元器件的可靠性具有一定的借鉴意义。

塑封光电耦合器失效及其应用问题探究

光电耦合器以光为媒介传输电信号,广泛应用于各种领域的隔离信号传输。文中以某塑封光耦使用失效的问题为例,从元器件的失效分析结果探究其工程应用的优化方向。采用声学扫描、X-ray、开封检查及能谱分析等失效分析手段对失效器件进行分析,并对失效分析的内容依次探究解读,分析其受热应力、受潮、受腐蚀和工艺控制,及Au—Al键合点的IMC和Kirkendall空洞生成加速致使键合点开裂等方面的可能性。进一步对失效器件的电路设计及应用进行分析,从选型、电路工作参数计算出发,分析其输出端的设计缺陷和3只光耦并联的输出端电流工作状态,并进行结温计算,给出对电路设计状态的最终分析结论和其电路应用的优化方案,整理光耦选用要点和注意事项,为广大工程应用及电路设计者提供参考。

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。

多芯并联封装IGBT缺陷与失效先导判据

器件由于内部芯片失效而产生IGBT故障,且检测保护困难,大多只能在系统外特性上加以防护,本体还是会受较大损害。高压大功率IGBT模块内部由多芯片和大量键合线构成,器件功能失效很大部分是由铝键合线脱落或者断裂引起的。提早发现或辨知此类缺陷或失效导致的电气特性变化,是构建IGBT故障的先导判据条件,有利于规避潜在故障风险,提高IGBT利用可靠性。针对英飞凌6.5kV多芯片并联封装IGBT模块的布局结构和连接特点,分析连接寄生参数差异对芯片工作状态的影响。以模块内部芯片间键合线的杂散电感和栅极电容参数为研究对象,利用最小二乘法参数辨识机制,构建一种区分模块缺陷与失效的先导判据。研究IGBT模块和元胞栅极等效电路,分析键合线故障导致的电路参数和工作特性变化,通过采样栅极电压与电流数据,利用最小二乘法参数估计得到故障类型及杂散参数数值,通过仿真与实验验证了该方法的有效性。

高温对金-铝系统电阻和强度的影响研究

在讨论金-铝键合系统失效机理的基础上,对高温条件下金-铝键合系统接触电阻和键合强度衰变情况进行研究。给出了金-铝系统接触电阻高温衰减曲线和破坏性键合拉力强度高温衰减曲线。通过对实验结果的分析,提出在设计中通过评估键合点工作温度来避免金-铝键合系统的可靠性隐患。

某混合集成DC/DC变换器在高加速寿命试验中的失效分析与探讨

该文对一例混合集成DC/DC变换器内芯片互连的失效进行分析讨论,确认器件的失效原因是高温下键合点Au/Al间化合物退化导致的。该失效模式与温度直接相关,故结合产品的实际封装和老炼条件,分析芯片粘接层空洞、基板背电极槽、对流换热系数及输入电压对芯片温升的影响,并提出相应的措施。

混合集成电路中金铝键合可靠性的实验设计

针对混合集成电路中粗铝丝与厚膜金导体所形成的Al/Au键合系统的可靠性,提出了样品在加速应力(150℃)条件下的实验方案,得出在125℃、150℃、175℃三种加速温度应力条件下样品电阻的变化率随高温储存时间线性增加,但当Al/Au系统的互连接触电阻变化率达到20%后,电阻的变化率即退化速率显著增加;在恒定温度应力下,Al/Au键合系统的退化主要表现为接触电阻增加,键合强度下降.

金铝键合体系服役寿命评价方法研究

金铝键合是单片集成电路、微波T/R组件中实现硅芯片与基板互连的最主要手段。它是一种异质键合工艺,不可避免地会在键合界面生成金属间化合物,这也给金铝键合的可靠性带来了严峻挑战。文中研究了一种新型Au Al键合体系服役寿命评价方法。采用金丝键合的破坏性拉力数据作为判定对象,基于高温加速寿命理论Arrhenius模型和威布尔模型设计Au Al键合的可靠性评价方案,测试过程易于开展,评价数据直观,系统测试误差小。在室温25℃条件下,失效寿命为22.0年;在80℃工作温度下,失效寿命为9.1年。该评价方法可为Au Al键合体系在型号装备中的应用提供支撑,为异质材料键合可靠性评价提供方法参考。