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。

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。

半导体器件中Au-Al键合失效机理及影响因素研究进展

半导体器件中 Au-Al 键合系统失效在国外早就引起重视,许多专家学者在此领域进行了广泛和深入的研究工作。目前在国內尚未看到有关这方面的文献报道,而 Au-Al 系键合失效现象却在不断涌现。本文就国外近20多年来对 Au-Al 系统失效机理及影响因素的研究工作进行了介绍和评述。

长期湿热下塑封电路Cu-Al和Au-Al的金属间化合物生长差异探究

为探究塑封电路Cu-Al、Au-Al键合点在长期湿热环境下的可靠性,分别设置2组湿热应力试验条件加速Cu-Al、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。试验结果表明:湿热环境下塑封电路Cu-Al键合界面金属间化合物生长速率比Au-Al慢的多,具有良好的键合界面,无明显影响力学性能的裂纹、空洞的产生。

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。

Au-Ag-Al系相图的热力学优化和计算

使用计算相图方法(CALPHAD)计算Au-Ag-Al的三元相图时,三个边际二元相图(Au-Al,Au-Ag,Ag-Al)的准确性对三元相图的计算有很大的影响,目前Au-Al边际二元相图存在着一定的矛盾。在综合评估Au-Al体系实验数据的基础上,优化和计算了Au-Al合金体系的平衡相图,使用置换式溶体溶液模型描述Au-Al体系中液相、Bcc和Fcc相的吉布斯自由能,分别用亚点阵模型(Al)(Au)_(4)、(Al)_(3)(Au)_(8)、(Al)(Au)_(2)、(Al)(Au)和(Al,Au)_(2)(Al,Au)描述AlAu_(4)、Al_(3)Au_(8)、AlAu_(2)、AlAu和Al_(2)Au相,通过Pandat软件优化得到一组各相的热力学参数,计算得到的Au-Al相图与实验数据和热力学数据相吻合。结合Au-Ag和Ag-Al的热力学参数,计算了Au-Ag-Al液相面投影图和等温截面图,液相面投影图显示该三元系存在8个四相平衡反应,对Au-Ag-Al合金的研究具有指导意义。

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。

背入射Au/ZnO/Al结构肖特基紫外探测器

设计制作了一种Au/ZnO/Al结构的紫外探测器,光的入射方式采用背入射式。ZnO薄膜是用磁控溅射在蓝宝石衬底上制备的。I-V测试表明：Au与ZnO形成了肖特基接触。得到探测器的光响应峰值在352nm,截止边为382nm,可见抑制比达一个量级。由于该探测器是一种垂直结构器件,对于进一步实现ZnO紫外探测器阵列及单光子探测有很好的研究价值。

有氧条件下Au/CeO_2/Al_2O_3催化还原NO的研究

NO是形成光化学烟雾、生成酸雨和破坏大气臭氧层的前驱气体之一 ,消除NO已成为近几年国内外催化界的研究热点 .Cu ZSM 5是国内外研究最成熟的催化剂 ,但实用性差 .本研究以HAuCl4为前驱体 ,沉积 沉淀法制备Au/CeO2 /Al2 O3 催化剂 ,用X 射线衍射(XRD)进行表征 ,考察了加入CeO2 对Au/CeO2 /Al2 O3 催化活性的影响 .结果表明 :Al2 O3 、CeO2 /Al2 O3 表面的Au晶粒小 ,分散度高 .Au/Al2 O3 的deNOx 活性较低 ,而含金复合催化剂Au/CeO2 /Al2 O3 的活性高于Au/Al2 O3 及Cu ZSM

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。

Ti/Al/Ti/Au与AlGaN欧姆接触特性

研究了溅射 Ti/ Al/ Ti/ Au四层复合金属与 Al Ga N / Ga N的欧姆接触特性 ,并就环境温度对欧姆接触特性的影响进行了分析研究 .试验证实 :溅射的 Ti/ Al/ Ti/ Au与载流子浓度为 2 .2 4× 10 1 8cm- 3的 Al Ga N之间在室温下无需退火即可形成欧姆接触 .随快速退火温度的升高接触电阻降低 .快速退火时间 30 s已可实现该温度下最佳欧姆接触 .当工作温度不高于 30

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。

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。

铝柱撑蒙脱石负载纳米金催化剂的结构表征及其CO催化活性研究

以铝柱撑蒙脱石为载体,用沉积沉淀法在其表面负载金属Au后制备了Au负载铝柱撑蒙脱石高效负载型催化剂。以XRD,TEM,XPS等手段对催化剂的结构进行了表征,并研究了铝柱撑蒙脱石负载前后CO催化氧化活性的变化规律。结果证明,Au是以高度分散的状态均匀分布在铝柱撑蒙脱石载体表面,且以Au0和Au3+的混合价态形式存在。CO催化氧化活性表征结果表明,负载后催化剂的催化活性有了显著提高,且其催化活性随着负载量的增加而不断增强,但当负载量增大到一定程度后,其催化活性不再继续增加,且有所下降。

Ti/Al/Ni/Au在N-polarGaN上的欧姆接触

N-polar GaN以其特有的材料特性和化学活性日益受到研究者关注,而N-polar GaN上欧姆接触也成为研究的热点。以Ti/Al/Ni/Au作为欧姆接触金属,分析了N-polar GaN上欧姆接触的最优退火条件,并借助剖面透射电子显微镜(TEM)和能量色散X射线能谱仪(EDX)研究了金属和N-polar GaN之间的反应生成物。结果表明,当退火温度升高到860℃时,可得到比接触电阻率ρc为1.7×10^(-5)Ω·cm^2的最优欧姆接触特性。TEM和EDX测试发现,除了生成已报道的AlN,还会在界面处产生多晶AlO_x,两者共同作用会进一步拉高势垒,从而对N-polar GaN上欧姆接触产生不利影响。