关键词 金属间化合物；柯肯达尔效应；空洞
引言
Au引线和Cu引线作为引线键合工艺中最常用的材料，各有其优缺点，下面主要对铜线及不同成分的金线(2N和4N)在采用热压超声键合的方法，分别实现Au引线和Cu引线键合到金属化焊盘，对比考察两种材料键合在老化过程中的焊点间IMC的演变情况进行学习研究。
一、主要引线键合材料表现
1.1铜线
铜线主要是由于铜线的成本较低，且在其他方面也有不错的表现，因此受到很大的关注并取得了很大的发展；但是焊线设备需要形成一种气体环境来防止铜在空气中形成金属球的时候被氧化。另外，铜线焊接的主要问题在于焊接能力，铜比金和铝的硬度大，键合时需要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，导致了在键合点容易发生裂痕[1]。经过研究，铜线键合在T0没有发现IMC，IMC随老化时间的增加而增长，在老化16天以后也没有出现明显的柯肯达尔效应或裂纹[2]，且所有键合的铜球都很平整，没有过度键合的现象。42天之后,仅生成约1um厚度的IMC,也没有明显的柯肯达尔效应，IMC生长较为温和。
2.1金线
金丝具有耐腐蚀、韧性好等优点，广泛应用于集成电路，使用在球形焊接上的金线多是99.99%纯度的，这个通常指4N金线。为了满足一些特殊要求，有时候也使用合金线(99%或者更低的纯度)。研究表明某一些掺杂物（金线里的其他物质）能降低金和铝的界面层扩散生长的速度，且掺杂金线比4N金线具有更好的机械性能。同样对于金线键合到铝金属化焊盘，由于Au和Al两种元素的扩散速率不同，同样导致界面处形成柯肯达尔空洞以及裂纹，降低了焊点力学性能和电学性能。
1.2.14N金线
4N金线是目前使用最广的线材，但其在键合过程中，IMC的生长相对较快，试验研究发现，常用的4N金线在T0时刻已经有不连续的IMC生成，表现出轻微的柯肯达尔效应，且当焊区内有针测的印迹时，这种现象更明显；在T=500时刻可以明显看到连续的IMC，并形成柯肯达尔空洞，且随着轻微裂纹的出现；在T=1000的时刻，IMC已经形成较厚的一层，并且可以看到大量明显的柯肯达尔空洞的存在，并且裂纹已经形成，老化时间增长后，金球焊点内部出现大量柯肯达尔空洞及裂纹，最终导致其电气性能下降，可靠性急剧减低，且空洞尺寸沿空洞界面不断增大，最终会导致IMC的分层，电路不再导通，电性失效，随后IMC生长速度开始变缓。
1.2.22N金线
为此，金线制造商在制造时掺杂另外的金属元素，以改变其机械性能和减缓IMC的生长。例如，加入铍（Be）、铜（Cu）、钯(Pa)等使掺杂后金线的纯度为99%, 有时也称这样的金线为2N金线。金线的掺杂不仅改变了其机械性能，且随着IMC的生长，钯等元素的富集层逐渐形成，会延缓IMC的生长，减缓空洞的产生，而且也会改变其电学性能[3]。同样对于2N金线键合到铝金属化焊盘，键合后在老化炉进行老化实验(T=1000H)，在T0 时刻，发现金铝IMC层并不是连续的，1H以后IMC开始在水平方向和垂直方向有增长，IMC下方的铝层开始被部分地消耗掉，转变成金铝化合物但仅存于金铝两种原子的交界处，而在焊球的边缘，则没有金铝化合物的形成。随后金铝IMC继续在垂直方向上增长，并逐渐向金球内部延伸，同时，铝层逐渐被消耗掉，转变为IMC。当试验研究进行到第8H的时候，可以明显地看到铝层基本上消耗殆尽。研究的第二阶段始于8H之后至1000H，在500H时发现金铝IMC在靠近焊线区边缘的地方出现一圈突起，这圈突起标志着IMC的加速增长，以至于在金球下部的边缘部位形成了一个钩状的圆环区域。在钩状圆环与IMC接触的地方，金并没有继续向下增长，而IMC的突起部分，则继续向金球内部扩散，这种现象一直持续到研究的1000H之后。在焊线接触区的中心，IMC的厚度不再增长，而在焊球的边缘的外部，开始出现了IMC的增长，主要由于在焊球中心下方的铝层经过高温历程后已经全部转化为IMC，而在焊球接触区四周的的焊线垫上仍然存在着大量的铝金属，同时，因为铝与IMC的扩散速度不同，于是，在焊球接触区域的四周，也开始出现轻微的柯肯达尔效应。
通过对2N和4N的金线进行了焊线质量和高温烘烤测试研究，发现2N的金线能够有效地提高了IMC的热稳定性。且对于2N金线，其在经受200H老化后拉线测试后的失效模式仍为颈部断裂，而对于4N金线而言，在100H后，其拉线测试后的失效模式中已包括IMC间分层。
研究发现，对于金线键合到铝金属化焊盘，IMC通常存在有五种，由富含铝至富含金分别是：AuAl2, AuAl, Au2Al, Au5Al2, Au4Al。金铝IMC的晶格常数为6A,大于金或铝原子的晶格常数4A，因而金铝IMC通常比金铝原子占据更大的体积空间，而且其热膨胀系数要比金铝金属的热膨胀系数低得多，同时，质地更硬和脆，因而在温度循环测试中更容易断裂。
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金铝IMC是随着温度和时间而变化的，随之会影响IMC的机械强度和电气性能，最终影响产品在使用过程中的质量和可靠性。通常，在150C–225C的温度下对焊线后的器件进行恒温老化试验，然后进行拉线性测试来与其T0时刻的数据进行比较，来获得对焊线质量，IMC的稳定性的评估，并以此作为焊线工艺是否完成优化的一个标准。
结论
引线键合是在一定的温度和压力下，超声作用很短时间内完成，而且键合温度远没有达到金属熔点，原子互扩散来不及进行，因此在键合刚结束时很难形成明显的柯肯达尔效应，对焊点进行150-200℃老化，金丝球焊焊点老化1天形成了的IMC层，EDX成分分析表明生成的IMC为Au4Al为和Au5AL2，老化时间4天时出现了明显的柯肯达尔空洞。铜丝球焊焊点生成IMC的速率要比金丝球焊慢很多，在老化9天后没有发现明显的IMC，在老化16天时，发现了很薄的Cu/Al的IMC层，老化42天时其厚度也不超过1μm，没有出现明显柯肯达尔空洞。
参考文献：
[1]曹昱，易丹青，王颖等．Sn Ag基无铅焊料的研究与发展．四川有色金属，2001，(3)
[2]卢斌,栗慧，王娟辉等．添加微量稀土元素对焊料性能的影响[J]．稀有金属与硬质合金，2007，35(1)：27-30．
[3]Hao H, Tian J, Shi Y W, et al. Properties of Sn3.8Ag0.7Cu solder alloy with rare earth Y element additions[J].Journal of Electronic Materials,2007,36:766-774
论文作者:张松
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第23期
论文发表时间:2020/5/8