先进焊接用软铜线材料特研究.doc

先进焊接用软铜线材料特性研究作者：Jason Kam()、Ho Hong Meng、Dominik Stephan、Dodgie Reigh M. Calpito、Klaus Dittmer、Ling Jamin、Goh Heng Mui，Kulicke & Soffa （S.E.A.）铜线焊接应用于超小间距、超高引脚数、低k解决方案时，一些失效模式会严重影响焊接工序的成品率和生产率。这些失效模式包括，焊接垫金属层喷溅或者剥裂，引线针脚拉伸数值低，数值变化范围大，以及短尾线等。因此需要对铜线重新检验，改进它的特性以满足引线焊接工艺的要求。铜线焊的挑战近年来，金价显著提升，而半导体工业对低成本材料的需求更加强烈。作为连接导线，铜线是金线的理想替代品。这主要得益于铜线更高的热导性，更低的电阻率、更高的拉伸力、和更慢的金属间的渗透，以及最主要的因素更低的价格。铜线已经在分离器件和低功率器件上成功应用。随着技术的进步，市场已经对将铜线应用于超小间距，超高引脚数的焊接产品上表现出了持续增加的兴趣。铜材料本身具有的优越的机械，电性能和更慢的金属间的参透性导致更强更可靠的铜焊接。就机械性能而言， 根据Khoury等人的剪切力和拉伸力实验，铜线的强度都大于金线的强度。实验结果显示铜线的电阻率是1.60 (/cm)，电导率是0.42 (/cm)-1. 这些结果说明铜线比金线导电性强33%。铜线形成高稳定线型的能力强过金线，特别是在塑封的过程中，当引线受到注塑料的外力作用时，铜线的稳定性强过金线。原因是因为铜材料的机械性能优于金材料的机械性能。虽然铜线有很多优点，但是金线和铜线都有它们各自的问题。在引线焊接工艺中应用铜线的主要问题是它的焊接能力。如果把铜线打在软的、薄的键合垫金属层上，铜材料的硬度能够导致键合垫弹坑和键合垫开裂失效模式出现。由于这种破坏作用，在键合垫下铝金属层的变薄也会导致热老化失效。另外，由于铜材料易氧化，必须在焊接机器上增加一个铜工具包， 使其中充满气体(95%N2/5%H2) ，在这个铜工具包中才能形成铜真空球。 易氧化性导致铜铝接触层开裂，从而相应的削弱铜铝焊接的强度。由于铜的熔点更高，需要更多的能量在合适的惰性气体的环境中形成真空球。应用铜线的第二个挑战是第二键合点的焊接。目前，超小间距焊接技术和超细连线的技术只应用在球栅阵列的基板上。但是，短线这种失效模式会对机器维修间隔平均时间(MTBA)和机器的生产率造成严重的影响。因此，有必要重新考虑铜线的组成成分和制作工艺从而改进它的材料特性以满足高级联线焊接技术的应用。在本论文的研究中，根据第一焊接点和第二焊接点的焊接质量，铜线材料特性被重新检验。为了研究第一焊接点和第二焊接点的相关性，我们选用了几种具有不同微观材料特性的铜线作为实验对象。试验方案铜线焊接试验是在镀镍引脚上涂了金料的普通的球栅阵列基板上进行。两种不同类型的铜线产品样本作为实验对象来进行焊接工艺的优化试验，然后，采用经过充分优化的焊接工艺参数来比较两个铜线实验样本的性能。实验是在相同的焊接工艺参数下，分别使用这两种铜线样本来比较它们的性能。用来做实验的铜线的直径都是25um，两个铜线试验样本A和B都拥有大于99.994%(4N)以上的铜纯度，但是它们掺有不同的杂质和采用了不同的加工工艺，在混合气体(95%N2/5%H2)中形成焊球，所有实验都在加装了铜装置的库力索法8028PPS焊接机台上进行。除了通常的焊接参数，例如接触速度（Contact Velocity），焊接力（Bond Force），焊接时间(Time），超声波功率(Ultrasonic Power)和时间以外，在这次试验中还使用一个叫做初始焊接力（Initial Bond Force）的参数。实验使用库力索法公司的焊嘴(CUPRA)，试验温度是175。实验用的测试芯片的焊接垫尺寸为65um, 焊接垫与相邻焊接垫中心间间距是80um。焊接垫金属层由98.5%Al-1%Si-0.5%Cu组成，厚度为8000-10000。为了获得测量细微结构和硬度的焊球样品，机器上设有一个特殊的程序，可以专门生成焊球用于测量。真空球的目标直径是50um(图1)。所有的实验样品在焊接前都经过等离子清洗以减少焊接面上附着的有机物。试验中使用浓度50%的硝酸溶液除去焊接的铜球，而横断面试验是采用常规的金相学方法。硬度测量分别在从中心横断面切开的真空球上和焊接后的焊接球上进行。第一点焊接特性在焊接过程中， 硅弹坑和焊接垫下开裂是两个关键的失效模式。当超声波能量震动和焊接力被使用时，焊接垫的下面会出现开裂。另外，它也许会以焊接垫剥落的失效模式出现。硅弹坑是指在焊接垫金属层下的硅层的破裂。在多数情况下，硅弹坑出现在拉伸测试试验中，这时，硅层被拉开，同时伴随着铜焊球脱离IC芯片。硅弹坑这种失效模式主要是由于强烈的超声波能量震动引起的，而焊接后的拉伸试验中的张力会加重它的失效程度。真空球形成时，金属应力增强。在球焊接的过程中，由于塑性变形，硬度和强度都会增大。应力的大小是和在球焊接形成的过程中的产生的压力相互关联的。焊接后，球中的应力的大小和分布情况可以通过有限元建模的方法模拟出来。有限元分析显示应力分布的位置和硬度测试研究的结果相一致。球焊接形成中所产生的大部分应力发生在焊接球的外圈，与焊嘴的内侧斜面相一致。焊接球的中心部位的应力较小。和金线相比较，铜线在焊接中表现出了更强的应变强度。铝喷溅会发生在用更强硬度的铜真空球在超声波的作用下去推击较软的铝金属层的过程中。图2显示了铝喷溅的情况。除非金属层被完全推开，或者是铝喷溅引起电路短路，铝喷溅本身并不是一个严重的问题。但是，焊接球下面的铝层厚度的不规则减少是一个问题。这可能会导致铜铝金属间渗透的不一致性，从而导致潜在的可靠性失效。另外，铝层厚度在一定程度上的减少也是必要的， 因为这种铝层厚度的减少可以起到“阻尼垫”的作用，可以减小应力对下层结构的破坏。 这种阻尼效果的减弱是和铝喷溅的程度成正比例的。理想情况是，焊接球下应该保持一定厚度的铝金属层。 铜线硬度铜线的材料特性和焊接机的焊接参数的设定对于铜线焊接的质量具有关键影响。线的特性是指硬度，真空球的硬度和焊接后的焊球的硬度等。铜比金和铝的硬度都高，所以铜也更容易引起硅弹坑和焊接垫下开裂这两种失效模式，尤其是在又软又薄的焊接垫金属层上更是如此。比较两种铜线样本A和B, 根据图3所示的扫描电镜照片和图4所示的横断面照片，我们可以看到铜线A所引起的铝喷溅小于铜线B所引起的铝喷溅。这个现象是和铜线A的更小的真空球硬度相一致的。在相同的焊接参数设定下，真空球硬度越小的铜线对铝层厚度的影响就越小。然而，一个越软的真空球可以减小硅弹坑对焊接垫的影响。人们通常所认为的更高纯度的线是唯一一种达到更软的线的方法，从而改进焊接质量的想法是错误的。而试验显示，4N纯度的铜线，配以合适的添加杂质和生产加工工艺，在应用上不仅可以达到更软的铜线的性能要求，同时还可以获得比较稳定的线型以及比较高的拉伸和剪切数值（图5）。 工艺参数的设定对真空球硬度有进一步影响的是电子打火装置参数的设定，尤其是电子打火电流这个参数的设定。测量结果显示，电子打火电流增加可以导致真空球的硬度增加。另外，工艺参数的设定还会影响到焊接垫的金属喷溅。库力索法焊接机有一个参数叫初始焊接力(Initial Bond Force), 这个参数控制真空球对于焊接垫的影响，减小或者消除任何损坏。铜线焊接的质量要依赖焊接参数的设定，因为在焊接时，单靠铜线本身并不一定可以消除对焊接垫金属层的破坏。因此，焊接参数总是需要用试验设计的方法来进行优化。在第一焊接点的优化中采用初始焊接力(Initial Bond Force)是因为焊接垫金属层太软而不能支撑铜线的焊接。初始焊接力(Initial Bond Force) 还可以减少铝喷溅。在传统的焊接过程中，当焊接力增加时，硅弹坑发生率就会下降，但是焊接垫下开裂的现象就会增加。理论根据是，焊接开始时，初始焊接力(Initial Bond Force)挤压真空球到焊接垫，真空球就会变平，从而在实际焊接的过程中可以防止真空球穿透较柔软的焊接垫铝金属层，然后再应用低数值的常规的超声波和焊接力以防止焊接垫下开裂情况的出现。本文所设计的实验中都用到了初始焊接力(Initial Bond Force)这个参数。第二焊点焊接特性的研究第二焊点两种铜线样本的针脚拉伸试验的结果显示，B型铜线的针脚拉伸的数值大约增加了40%，通过电子显微镜观察发现，B型铜线的针脚焊接面积更大，这就可以解释为什么它的针脚拉伸数值更大。B型铜线之所以能更好的粘附在焊接引脚上的原因是它的更低的铜线硬度。这是因为当超声波和负载加在其上后它更容易变形。图6 显示B型铜线经过针脚拉伸测试后附着在引脚上的针脚焊接残留更大更厚。而另一方面，A型铜线在月牙形张口处则经历了从延展性到脆性断裂的变化。相比较下的较少的针脚焊接残留物显示了线和引脚镀层之间粘结的不充分。除去在设计的实验中一些最佳点处的拉力数值比较大以外，B型铜线还表现出了更大的工艺参数值的取值范围。对这个工艺参数的数值范围的要求是当工艺参数设定在这个取值范围内而进行生产连续作业时，没有第二焊点不粘（NSOL）或者短尾线这样的失效模式出现。这种明显增强的第二焊接点质量应该归功于B型铜线的经过改进的机械变形能力。如前所述，两种铜线的微观结构不同（图7），而这才是机械性能不同背后的原因。B型铜线的组成颗粒更大，这也是张力和硬度测试试验中结果不同的原因。而A型铜线则需要更大的超声波和焊接力输入值来达到线和引脚之间的最佳焊接。而这个更大的超声波和更大的焊接力输入值则会引起第二焊接点处的挤压结合面变得更小。相应的，就会得到一个更小的拉伸值。这个问题在超细间距焊接中更加明显。由于超细间距焊接需要更小的焊接垫和连接线的尺寸，相应的焊嘴前端的尺寸也要减小，焊嘴前端完成第二焊接的有效接触面积也会相应的减少。结论实验显示，不同机械特性的铜线会得到明显差异的焊接结果。第二焊接点受影响的因素包括：工艺参数的取值范围，针脚拉伸测试的数值和短线尾的表现等。第一焊接点受影响的因素包括：铝喷溅和焊接垫下开裂的程度大小等；另外，除了铜线本身的特性以外，真空球的硬度还很大程度上受到电子打火相关参数设定的影响；铝喷溅受到焊接的铜线的机械特性，焊接垫的特性以及工艺参数的影响。正确设定初始焊接力(Initial Bond Force) 的数值会显著减少铝焊接垫的喷溅；组成成分和加工过程对铜线的机械特性具有显著的影响。但是铜线的纯度大于4N对于铜线的机械特性的改善而言并非必须的。丝球焊是引线键合中最具代表性的焊接技术，它是在一定的温度下，作用键合工具劈刀的压力，并加载超声振动，将引线一端键合在IC芯片的金属法层上，另一端键合到引线框架上或PCB便的焊盘上，实现芯片内部电路与外围电路的电连接，由于丝球焊操作方便、灵活、而且焊点牢固，压点面积大（为金属丝直径的2.53倍），又无方向性，故可实现高速自动化焊接1。# r) Z, O6 l J9 a; U丝球焊广泛采用金引线，金丝具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，广泛应用于集成电路，铝丝由于存在形球非常困难等问题，只能采用楔键合，主要应用在功率器件、微波器件和光电器件，随着高密度封装的发展，金丝球焊的缺点将日益突出，同时微电子行业为降低成本、提高可靠性，必将寻求工艺性能好、价格低廉的金属材料来代替价格昂贵的金，众多研究结果表明铜是金的最佳替代品26。, W+ . E* b+ m) n( ?- y8 e铜丝球焊具有很多优势：: c7 H7 n3 E5 % o0 S6 ! y?) t2 （1）价格优势：引线键合中使用的各种规格的铜丝，其成本只有金丝的1/31/10。! B e# N, o, z（2）电学性能和热学性能：铜的电导率为0.62（/cm）1，比金的电导率0.42（/cm）1大，同时铜的热导率也高于金，因此在直径相同的条件下铜丝可以承载更大电流，使得铜引线不仅用于功率器件中，也应用于更小直径引线以适应高密度集成电路封装；2 j4 g$ e% t+ a0 C（3）机械性能：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 X8 H, x OJ6 s（4）焊点金属间化合物：对于金引线键合到铝金属化焊盘，对界面组织的显微结构及界面氧化过程研究较多，其中最让人们关心的是紫斑（AuAl2）和白斑（Au2Al）问题，并且因Au和Al两种元素的扩散速率不同，导致界面处形成柯肯德尔孔洞以及裂纹。降低了焊点力学性能和电学性能7，8，对于铜引线键合到铝金属化焊盘，研究的相对较少，HyoungJoon Kim等人9认为在同等条件下，Cu/Al界面的金属间化合物生长速度比Au/Al界面的慢10倍，因此，铜丝球焊焊点的可靠性要高于金丝球焊焊点。6 a3 D# x# C W* p1992年8月，美国国家半导体公司开始将铜丝球焊技术正式运用在实际生产中去，但目前铜丝球焊所占引线键合的比例依然很少，主要是因此铜丝球焊技术面临着一些难点：- f; j/ O- u: u: K（1）铜容易被氧化，键合工艺不稳定，7 g3 p. V0 p& G6 b) n; l（2）铜的硬度、屈服强度等物理参数高于金和铝。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。 k9 D9 2 W3 f本文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Al-1Si-0.5Cu金属化焊盘，对比考察两种焊点在200老化过程中的界面组织演变情况，焊点力学性能变化规律，焊点剪切失效模式和拉伸失效模式，分析了焊点不同失效模式产生的原因及其和力学性能的相关关系。! T5 e# 6 z2 F# p% f/ v3 V4 h/ W2 m0 x2 试验材料及方法, e& T; J+ E5 k/ 7 n键合设备采用KS公司生产的Nu-Tek丝球焊机，超声频率为120m赫兹，铜丝球焊时，增加了一套Copper Kit防氧化保护装置，为烧球过程和键合过程提供可靠的还原性气体保护（95N25H2），芯片焊盘为Al1Si0.5Cu金属化层，厚度为3m。引线性能如表1所示。) M# i% |9 y% j& / g. Z% H3 |+ U/ J: s- 6 h采用DOE实验对键合参数（主要为超声功率、键合时间、键合压力和预热温度四个参数）进行了优化，同时把能量施加方式做了改进，采用两阶段能量施加方法进行键合，首先在接触阶段（第一阶段），以较大的键合压力和较低的超声功率共同作用于金属球（FAB），使其发生较大的塑性变形，形成焊点的初步形貌；随之用较低的键合压力和较高超声功率来完成最后的连接过程（第二阶段），焊点界面结合强度主要取决于第二阶段，本文所采用的键合参数，如表2所示。 + W0 # w9 ?3 r& Y* E8 q. t& s/ C# U, Z为加速焊点界面组织演变，在200下采用恒温老化炉进行老化实验，老化时间分别为n2天（n1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11）。为防止焊点在老化过程中被氧化，需要在老化过程中进行氮气保护。8 t- 0 k8 m( , G焊点的横截面按照标准的制样过程进行制备。但由于焊点的尺寸原因需要特别精心，首先采用树脂进行密封，在水砂纸上掩模到2000号精度，保证横截面在焊点正中，再采用1.0m粒度的金刚石掩模剂在金丝绒专用布上抛光，HITACHIS4700扫描电镜抓取了试样表面的被散射电子像，EDX分析界面组成成分。7 q9 r $ ?3 a. I* _# k6 % m剪切实验和拉伸实验是研究焊点力学性能和失效模式的主要实验方法，采用Royce 580测试仪对各种老化条件下的焊点进行剪切实验和拉伸实验，记录焊点的剪切断裂载荷和拉伸断裂载荷，剪切实验时，劈刀距离焊盘表面4m，以5m/s的速度沿水平方向推动焊点，Olympus STM6光学显微镜观察记录焊点失效模式，对于每个老化条件，分别48个焊点用于剪切实验和拉伸实验，以满足正态分布。v( w# r: T/ H6 g0 % t( R0 T5 P) I; C0 K- u3 试验结果与分析# L5 L, t/ f8 ( W ( W# ) h. 3.1 金、铜丝球焊焊点金属间化合物成长# x+ k f- A- 0 丝球焊是在一定的温度和压力下，超声作用很短时间内（一般为几十毫秒）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金属间化合物，对焊点进行200老化，如图1所示。金丝球焊焊点老化1天形成了约8m厚的金属间化合物层，EDX成分分析表明生成的金属间化合物为Au4Al为和Au5AL2，老化时间4天时出现了明显的Kirkendall空洞，铜丝球焊焊点生成金属间化合物的速率要比金丝球焊慢很多，如图2所示，在老化9天后没有发现明显的金属间化合物，在老化16天时，发现了很薄的Cu/Al金属间化合物层（由于Cu和Al在300以下固溶度非常小，因此认为生成的Cu/Al相是金属间化合物），图3显示了老化121天时其厚度也不超过1m，没有出现kirkendall空洞。4 ?2 C4 V. B* * j M$ Py4 在温度、压力等外界因素一定的情况下，影响两种元素生成金属间化合物速率的主要因素有晶格类型、原子尺寸、电负性、原子序数和结合能。Cu和Au都是面心立方晶格，都为第IB族元素，而且结合能相近，但是Cu与Al原子尺寸差比Au与AL原子尺寸差大，Cu和AL电负性差较小，导致Cu/Al生成金属间化合物比Au/Al生成金属间化合物慢。& p- u- s; q2 x% Y4 U% G3.2 金、铜丝球焊焊点剪切断裂载荷和失效模式3 T9 7 4 M$ V图4显示了金、铜丝球焊第一焊点（球焊点）剪切断裂载荷老化时间的变化，可以看到，无论对于金球焊点还是铜球焊点，其剪切断裂载荷在很长一段时间内随老化时间增加而增加，随后剪切断裂载荷下降，这主要与不同老化阶段剪切失效模式不同有关，同时可以发现，铜球焊点具有比金球焊点更稳定的剪切断裂载荷，并且在未老化及老化一定时间内，铜球焊点的剪切断裂载荷比金球焊点好，老化时间增长后，铜球焊点剪切断裂载荷不如金球焊点，但此时金球焊点内部出现大量Kirkendall空洞及裂纹，导致其电气性能急剧下降，而铜球焊点没有出现空洞及裂纹，其电气性能较好。0 L4 B5 v f! i 6 W7 r+ b( o2 T& & M& i! 4 M; p& R( C6 T6 F对于金球焊点，剪切实验共发现了5种失效模式：完全剥离（沿球与铝层界面剥离）、金球残留、铝层断裂、球内断裂和弹坑，图5显示了金球焊点剪切失效模式随老化时间的变化，未老化时，Au/Al为还没有形成金属间化合物，剪切失效模式为完全剥离，由于Au/Al老化过程中很快生成金属间化合物，失效模式在老化初期马上发展为以铝层剥离为主：随后，铝层消耗完毕，老化中期失效模式以金球残留为主，此时断裂发生在金属间化合物与金球界面；老化100天以后金球内部断裂急剧增加，成为主要失效模式，导致剪切断裂载荷降低。6 m( O& TZ8 m. y8 t5 p对于铜球焊点，剪切实验共发现了4种失效模式：完全剥离、