長期濕熱環境下塑封電路Au-Al鍵合退化研究

陳光耀，虞勇堅，戴 瑩，鄒巧云，呂 棟，陸 堅

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214035）

1 引言

引線鍵合具有工藝簡單、成本低、兼容性好等特點，在塑封電路中應用廣泛。在傳統引線鍵合工藝中，以Au-Al鍵合最為常見。

集成電路失效約49%是由于鍵合導致的[1]，可見鍵合的可靠性對整個器件具有十分重要的意義。在Au-Al鍵合界面上通常存在2類失效機理：一是由于塑封電路結構不致密，濕氣易進入內部，濕氣與塑封體中的鹵素等雜質離子共同作用，電路焊盤發生的電化學腐蝕；另一類是在鍵合與服役過程中，溫度促進了Au-Al鍵合界面金屬間化合物生長，當金屬間化合物過度生長后產生較多脆性大、電阻高的物質，同時界面處出現裂紋、Kirkendall空洞，導致電路發生鍵合強度下降、電阻增大、參數漂移等性能退化甚至失效[2]。因此開展濕熱環境下Au-Al鍵合可靠性的研究是有實際需求的。

本文選擇2款代表品種對Au-Al鍵合界面抵抗長期濕熱應力的能力進行試驗研究，評價塑封電路Au-Al鍵合在長期濕熱環境下的可靠性。

2 可靠性試驗

2.1 試驗樣品

2.2 試驗及分析方法

2款樣品分別在121℃/100%RH（PCT）、130℃/85%RH（HAST）2組濕熱條件下進行加速退化試驗，采樣間隔周期為672 h，共進行6個試驗周期，試驗時間共4032 h。

為研究不同試驗周期時鍵合界面處金屬間化合物演變對可靠性的影響，需要收集試驗前后的微觀分析數據，如鍵合強度、金屬間化合物厚度、界面形貌等。

試驗方案是在每個試驗周期（672 h）后抽樣，按照GJB548B-2005[3]方法2011進行鍵合強度試驗，使用光學顯微鏡和SEM檢查分析試驗后的鍵合點狀態，以及鍵合強度試驗后的失效模式，并將鍵合點縱向切片至中心位置，采用SEM和EDS觀察、分析界面上金屬間化合物的演變情況，對Au-Al鍵合退化數據進行分析，探究長期濕熱環境對鍵合可靠性的影響。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

對試驗后的樣品開封進行光學顯微鏡檢查，引線形貌正常，Au-Al鍵合點未發現明顯的腐蝕、脫落現象。

將開封后的樣品進行鍵合強度試驗，記錄數值并觀察失效模式。拉力平均值匯總分析結果見圖1。從圖1中可以看出，隨著試驗時間的增加，LT1963EST-3.3與AD8561ARZ 2款電路的鍵合強度都有不同程度的退化。在2組條件4032 h時，2款電路鍵合強度分別退化了15%和20%，拉力值符合標準判據，表明其仍然有較好的力學性能。

圖1 2款Au-Al鍵合拉力結果

為確認鍵合強度的失效模式，對鍵合強度試驗后鍵合絲斷裂點表面形貌進行SEM觀察。結果顯示，2款電路的鍵合強度失效模式均為頸縮斷裂，圖2為頸縮斷裂形貌；未發現鍵合球與鋁焊盤脫落失效模式，表明鍵合界面仍有良好的力學性能。

圖2 Au-Al鍵合頸縮斷裂SEM照片

鍵合點縱向截面SEM觀測結果顯示（圖3為初始和結束時SEM照片），Au-Al金屬間化合物在鍵合階段已大量形成，2款器件的金屬間化合物的形貌相似，略有差異。

圖3 鍵合點縱向截面SEM照片

2款電路鍵合界面金屬間化合物光滑連續，形貌良好；垂直方向上呈層狀結構，存在2種不同的相；在水平方向上，上層金屬間化合物同一相中有微小孔洞，隨著時間的增加，孔洞呈現增大、連成線的趨勢；而在金球邊緣存在明顯環形空洞。

查閱技術協議，托克遜和輪臺的暖風器是同一個生產廠家，單位溫升下單位風量所需的換熱量相當，也即輪臺工程暖風器的換熱面積是綜合考慮了極端最低溫度的。電石工程暖風器是另一個廠家，其單位溫升下單位風量的換熱量只有托克遜和輪臺的70%。

2款電路金球邊緣的環形空洞存在差異，LT1963EST-3.3的環形空洞比較規則；而AD8561ARZ的環形空洞不規則，存在明顯的腐蝕現象。另外，AD8561ARZ的上層金屬間化合物中的微小孔洞明顯，數量多于LT1963EST-3.3的微小空洞。

Au-Al金屬間化合物的厚度隨時間變化如圖4所示，從圖中可以看出2款電路的金屬間化合物厚度在前3個周期內明顯增大。AD8561ARZ的生長速度快于LT1963EST-3.3，隨后不再明顯生長，進入穩定狀態。

圖4 金屬間化合物厚度變化趨勢

3.2 機理分析

對鍵合點來說，界面處金屬間化合物生長與演變所產生的空洞和裂縫是影響鍵合可靠性的主要因素。一般而言，鍵合界面處一定程度的金屬間化合物的生長有利于鍵合可靠性的提高[2]。然而金屬間化合物過度生長和裂紋、空洞的擴展，會對可靠性產生諸多影響，使得性能發生退化，甚至引發電路失效。因此有必要對Au-Al金屬間化合物、裂紋和空洞的生長機理進行分析。

3.2.1 Au-Al金屬間化合物的構成與分布

由Au-Al相圖可知，在長時間試驗后，可形成Au4Al、Au5Al2、Au2Al（白斑）、AuAl和AuAl2（紫斑）多種金屬間化合物[4]。

2款電路的金屬間化合物呈現明顯2層連續層狀結構，并且在鍵合外圍存在明顯的第三相（見圖5）。EDS分析結果表明，上層金屬間化合物為Au4Al，下層金屬間化合物為Au5Al2，金球邊緣區域的少量第三相為Au2Al。

圖5 Au-Al鍵合界面上金屬間化合物的層狀分布

隨著時間的增加，Au4Al與Au5Al2相的厚度明顯增加。有學者研究認為[5-6]，Au4Al與Au5Al2的形成與Au相與Al相的富集度有很大關系，外圍Au2Al的形成可能是周邊部位Au較少，迫使Au5Al2轉變為Au2Al。

3.2.2裂紋和空洞的演變

界面處的裂紋和空洞不僅與Au、Al擴散速率有關（如Kirkendall空洞），還有相變、腐蝕等相關因素。

上層金屬間化合物的Au4Al層面內，觀察到有明顯微小孔洞（圖6），孔洞上下兩側Au4Al相紋理略有差異。研究表明[7]，Au5Al2分解為Au4Al與Al，金球擴散的Au原子與分解的Al原子反應形成上側Au4Al，Au5Al2相分解的Au4Al在下側，不同的形成過程產生了不同紋理的Au4Al。隨著時間的變化，微小孔洞長大，有連成線演變為裂紋的趨勢，使得鍵合可靠性降低。

在鍵合外圍區域有顯著的環形空洞（圖6）產生[8]。因為超聲鍵合在金球外圍產生壓焊縫隙，金屬間化合物形成早期，壓焊縫隙長大，隨著金屬間化合物的生長，縫隙邊沿形成凹形，隨著凹形界面的擴散，誘發空洞和裂紋的產生。若有異常情況時，在中心壓焊區域也會有類似現象。

圖6 Au-Al鍵合界面上的微小孔隙和環形空洞

Au-Al鍵合界面的環形空洞有腐蝕跡象，通過能譜分析，界面處存在Cl元素。研究表明[9]，在濕熱環境下，塑封體中Cl、Br等痕量鹵素原子分解，與水汽進入內部，對金屬間化合物造成了腐蝕，產生腐蝕空洞，加劇了界面惡化。即在濕熱環境中鍵合界面還會存在腐蝕空洞，因此隨著時間的延長，鹵素原子會進入中心區域，產生腐蝕空洞。

由相關報道可知[10]，不同金屬間化合物的脆性、熱膨脹系數、硬度等物理性質存在差異，在相變的過程中某些成分達到一定比例時會使界面惡化，進而產生裂紋，但這是不同于Kirkendall空洞現象的，如Au4Al層面內的微小空洞。

2款電路試驗條件、MSL等級相同，不構成鍵合形貌差異的影響因素。而鍵合絲直徑的不同是否會影響金屬間化合物界面的生長與演變，需要進一步研究。

4 結論

本文針對2款Au-Al鍵合塑封器件，通過PCT和HAST 2項環境試驗，開展長期濕熱條件下的Au-Al鍵合性能退化研究。在長期濕熱環境下，鍵合界面較好，金屬間化合物呈連續層狀結構，無顯著裂紋，經測試鍵合強度退化較小；但2款電路的鍵合界面形貌略有差異，金屬間化合物厚度明顯不同。試驗結果表明，長期濕熱條件下Au-Al鍵合界面易生成金屬間化合物，空洞和裂紋的產生與擴散、相變、腐蝕有關，使得鍵合界面惡化，甚至導致鍵合點脫落，降低鍵合可靠性。

2款電路的金屬間化合物厚度、鍵合界面差異的原因可能與鍵合絲直徑有關。針對鍵合絲直徑是否是界面差異的主要影響因素，后續將繼續進行研究。