金絲在鍍銀銅支架上的鍵合性能研究*

肖雨辰，吳保安，唐會毅,，欒佰峰，譚驍洪， 楊曉玲，蔡欣男，謝 勇，孫 玲，李 鳳

(1. 重慶材料研究院有限公司，重慶 400707； 2. 重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044； 3. 中國電子科技集團公司 第二十四研究所，重慶 400030)

0 引 言

引線鍵合是集成電路及半導體分立器件在電子封裝中廣泛應用的技術之一[1]。鍵合絲作為引線鍵合的關鍵材料，能夠實現內部芯片與外部框架的電連接，同時還能起到傳熱等輔助作用。鍵合絲主要包括金絲、硅鋁合金絲、銀絲、銅絲等。目前，金絲是在各個領域最常用的鍵合絲，銀絲則主要在LED照明領域應用，而硅鋁合金絲、銅絲、等主要用于民用或低檔電路中[2-4]。在航空、汽車、導航等對電子元器件可靠性及壽命要求較高的領域，易氧化/硫化的銀絲、硬度大易損傷芯片的銅絲仍然無法替代傳統的金絲[5-6]。因此直至目前為止，金絲在鍵合絲材料中的地位仍然無可替代。

近年來，鍵合金絲的研究仍大多側重Au絲本身的組織優化與機械性能提升[7, 8]，而在可靠性方面，由于Au絲在Al焊盤/支架上的鍵合是最傳統且較為常見的應用情況，因此大多相關報道均局限于研究Au-Al鍵合界面的組織性能：通過在Au絲的基體中添加合金元素優化Au-Al鍵合界面的可靠性[9-11]。然而，該類報道也表明，雖然添加Pd、Pt、Cu等元素對鍵合金絲機械性能及熱影響區的調控作用較為明顯，但在鍵合可靠性上，僅能在一定程度上抑制Au-Al鍵合高可靠性最大的障礙——“紫色瘟疫”AuxAl金屬間化物(IMC)的生長[12]。在長時間的時效后，脆性IMC層的厚度仍然能增大至數微米，且往往伴生微裂紋，引起焊點可靠性的大幅度降低及界面電阻的急劇增加[13]。鑒于Au-Al鍵合可靠性的不足，在需要高可靠性的應用場合，相關電路往往采用Au-Ag鍵合、Au-Au鍵合等方式來規避AuxAl，然而對于Au-Ag鍵合界面可靠性研究的相關報道卻很少，在鍵合金絲日益國產化的今天，不利于高可靠場合中鍵合金絲及其應用技術的進步。

本文在該現狀下，以制備的4N高純Au絲(>99.99%)將2835LED芯片與鍍Ag支架鍵合，對LED燈珠樣品進行較為系統的加速壽命試驗，對比試驗前后金絲鍵合強度的變化，研究分析Au-Ag鍵合界面的元素擴散情況，為高純金絲在更多場合的高可靠應用起到一定的借鑒及推動作用。

1 實 驗

鍵合金絲制備時，采用5N級黃金為主原料，在真空感應熔煉中加入約600×10-6的其他微量元素用于提升Au絲機械及加工性能，隨后進行真空連鑄及多模拉拔制備出直徑25 μm的Au絲，最后經過在線清洗及退火后復繞至線軸上，得到待用鍵合金絲樣品。制備的鍵合金絲最終純度>99.99%，拉斷力≥6cN，斷裂延伸率≥8%。鍵合試驗采用的2835 LED芯片(Au焊盤)從晶元光電股份有限公司購置，支架(鍍Ag)從博羅沖壓精密工業有限公司購置。在支架上利用ASM860自動固晶機進行固晶后，采用BBOS模式進行連續打線，以制備的Au絲將芯片與支架進行鍵合(采用的設備為ASM-XTREME自動焊線機)。最終將LED燈珠以康美特1299硅膠(KMT-1299)進行塑封。

針對Au絲封裝的LED燈珠進行的3種加速壽命測試參數見表1，其中，高溫儲存壽命測試(High-temperature-storage lifetime tests, HTST)和溫度、偏壓和使用壽命(Temperature, bias and operating life, TBOL)試驗在JX-3080B高溫恒溫箱中進行，溫度循環測試(Temperature cycle test, TCT)在EXCAL4025TE溫度循環試驗箱中進行。TBOL試驗后的破壞性拉力測試按照MIL-STD-883H 方法2011.8進行，Au焊球的推力測試按照JESD22-B116B-2017進行。

表1 加速壽命試驗參數及參照標準Table 1 Parameters and reference standards of the accelerated life tests

通過機械拋光法制備用于Au-Ag鍵合點樣品，將制備的LED燈珠鑲嵌于透明樹脂中，并以砂紙研磨至2000目，最后用金剛石拋光膏拋光，得到Au-Ag鍵合點的截面樣品。掃描電鏡試驗采用的設備型號為EVO 10 CARL ZEISS，元素面分布及線掃描測試在Shimadzu-EPMA 1720電子探針上進行。

2 結果與討論

2.1 Au-Ag鍵合后的芯片形貌及鍵合強度分析

如圖1(a)所示，制備的Au絲表面光潔無劃痕且直徑均勻，從SEM照片中測量得到的直徑為25.05 μm。研究表明，適宜的燒球參數對Au絲的可靠性具有重要影響[14]，本文通過優化電火花放電燒球的電流大小及時間，形成的無空氣球(Fee air ball, FAB)球形度好且無偏心，直徑為56.06 μm(圖1(b))，處于2倍至2.5倍絲徑之間，滿足鍵合使用要求。采用熱壓超聲焊工藝(BBOS模式)Au絲鍵合LED芯片Au焊盤和底部鍍Ag支架，可以看到Au-Au鍵合點(第一焊點)大小均勻，FAB被劈刀壓扁后未超出金焊盤區域。Au-Ag鍵合點(第二焊點)外觀及線弧外觀良好(圖1(c))，表明制備的高純Au絲具有良好的可鍵合特性。圖1(c)中標明了燈珠正常工作時的電流方向(后文TBOL試驗中施加偏壓時的電流方向)，LED燈珠中電流由鍍Ag支架流向正極Au絲并進入芯片，隨后由負極Au絲流向鍍Ag支架。燈珠塑封后的外觀如圖1(d)所示，可知塑封后Au絲的線弧外觀及焊點均無明顯變化，無踏絲、歪絲，虛焊等現象，表明制備的Au絲能夠承受住塑封過程引起的應力。

圖1 (a)Au絲的SEM照片；(b)Au絲FAB的SEM照片；(c)打線后的LED燈珠的光學照片；(d)塑封后的LED燈珠的光學照片Fig.1 (a) SEM image of as-prepared Au wire;(b) SEM image of the FAB of Au wire; (c) optical photograph of LED chips after bonding; (d) optical photograph of LED chip after sealing

采用自動焊線機制備足夠的LED燈珠樣品后進行了表1所示的3種加速壽命實驗，試驗結果如表2所示?？芍?，以制備的Au絲打線獲得的LED燈珠樣品在經過HTST、TBOL及TCT后，均無死燈現象，即制備的Au絲仍然處于可實現芯片與支架電連接的正常工作狀態，表明制備的Au絲具有良好的可靠性。

表2 加速壽命試驗結果Table 2 Results of the accelerated life test

在LED燈珠的服役過程中，長時間的高溫及通電狀態是最為常見的一種工作條件。為進一步確認Au絲及鍵合界面在該環境條件下的性能變化情況，分別對TBOL試驗前后Au絲的鍵合拉力及焊點推力進行了測試，結果如圖2所示。由圖2(a)可知，TBOL試驗前后Au絲的線弧拉力均處于0.012 kg左右，遠大于MIL-883H要求的0.003 kg要求，且試驗前后無明顯變化；從圖2(b)中可以看到，焊點的剪切力均大于0.05 kg，遠大于JESD-22 B116A要求的0.033 kg，并且焊點(Au絲與Ag支架的鍵合點)的推力值在加速壽命試驗后明顯上升，其中，正極Au絲的Au-Ag焊點推力均值在TBOL試驗后上升0.0057 kg(10.16%)，負極Au絲在試驗后焊點推力均值上升0.0055 kg(9.52%)。以上結果表明，制備的鍵合Au絲在高溫/電流加載的試驗條件下經過1000 h后，其本身的力學性能無明顯下降(若有下降，將導致鍵合拉力下降)，且其鍵合推力的增大意味著Au絲與鍍Ag支架之間的可靠性反而有了提高。

圖2 TBOL試驗前后的(a)引線拉力；(b)焊點推力Fig.2 (a) Wire pull strengths and (b) ball shear strengths before and after TBOL test

2.2 Au-Ag鍵合點的元素擴散行為研究

為進一步確認所制備的Au絲的可靠性，將TBOL試驗后的LED燈珠中硅膠完全溶解去除后，進行了表面形貌觀察。如圖3(a)所示，試驗后Au絲的線弧外觀及焊點形貌均無明顯變化。為研究試驗前后鍵合界面上的微觀組織變化，分別將燈珠中正極Au絲及負極Au絲的Au-Ag鍵合點機械拋光后進行觀察。TBOL前的Au-Ag鍵合點如圖3(b)所示，從背散射電子(BSE)像上可見，Au絲、Ag鍍層及支架銅基底3種材料的界面較為清晰，鍵合界面附近未發現明顯的IMC存在。實際上，由于Au與Ag均具有立方結構及近似的晶格參數，二者在液相及固相均能無限互溶[2，15]，即理論上Au-Ag鍵合界面不會形成二者的IMC。將圖3(c)和圖3(d)與圖3(b)對比可知，經過1000 h的高溫/偏壓后，正極及負極絲的Au-Ag鍵合界面均無明顯變化，也未觀察到微裂紋擴展及界面孔洞出現。另外，在非鍵合界面的地方，發現銀鍍層存在厚度略微變大現象以及孔洞的產生(如圖匯總箭頭所示)，可能與Ag的電遷移有關[16-17]。以上結果表明，Au-Ag鍵合界面相比于以往報道的Au-Al鍵合界面[18]，明顯具有更優異的可靠性。

圖3 (a)TBOL試驗后LED燈珠的SEM照片；(b)TBOL試驗前Au-Ag鍵合點的BSE像；(c)TBOL試驗后正極絲Au-Ag點的BSE像；(d)TBOL試驗后負極絲Au-Ag鍵合點的BSE像Fig.3 (a) SEM image of LED chip after TBOL test; (b) BSE image of Au Ag bonding point before TBOL test; (c) BSE image of Au Ag point of positive wire after TBOL test; (d) BSE image of Au Ag bonding point of negative wire after TBOL test

為充分證實Au-Ag鍵合界面組織的穩定性并進一步深入探究Au-Ag鍵合界面強度提高的原因，采用EPMA對Au-Ag鍵合界面上的元素擴散行為進行了研究。圖4所示為TBOL試驗前Au-Ag鍵合界面上的元素分布特征。由圖4(b)可見，Ag元素全部分布在對應于圖4(a)中的鍍Ag層附近，在Au與Ag的界面處，Au與Ag的元素強度計數均有下降(Au約下降3，Ag約下降7)，表明二者之間存在相互擴散。另外，未觀察到異常的元素偏聚。

圖5為TBOL壽命試驗后正極Au絲與鍍Ag支架之間鍵合界面的元素分布表征結果。相比于試驗前，Au、Ag、Cu 3種元素的分布均無明顯變化，再次表明Au-Ag鍵合界面良好的組織穩定性及可靠性。

圖4 TBOL試驗前Au-Ag鍵合點的元素面分布：(a)面掃區域的BSE圖；(b)Ag La；(c)Au Ma；(d)Cu KaFig.4 Elements distribution of Au Ag bonding point before TBOL test: (a) BSEimage of the scanning area; (b)Ag La；(c)Au Ma；(d)Cu Ka

為了更精確分析TBOL試驗前后Au-Ag界面上的元素擴散，對Au和Ag元素進行了波普儀線掃描分析。測試時采用的步長為0.1 μm，工作電壓為20kV。從圖6(a-c)中Ag與Au的元素計數隨線掃距離的變化曲線中可知，在Au-Ag鍵合界面附近，兩種元素曲線重疊的區域(圖中的灰色陰影區域)在TBOL試驗前后有略微的變大，表明經過1 000 h的高溫與電流加載后，Ag與Au的相互擴散程度加劇[19-20]。另外，圖6(b)與圖6(c)中的影響重疊區域面積區別不明顯，表明在1 000 h的加速壽命試驗中，不同方向的電流加載對元素擴散的影響不顯著。

圖5 TBOL試驗后Au-Ag鍵合點的元素面分布:(a)面掃區域的BSE圖；(b)Ag La;(c)Au Ma；(d)Cu KaFig.5 Elements distribution of Au Ag bonding points after tbol test: (a) BSE image of the scanning area; (b)Ag La(c)Au Ma；(d)Cu Ka

圖6 Au與Ag元素在鍵合界面附近的線掃結果；(a)TBOL壽命試驗前的Au-Ag界面；(b)TBOL試驗后的正極絲的Au-Ag界面；(c)TBOL試驗后的負極絲的Au-Ag界面Fig.6 Line scan results of Au and Ag elements near the bonding interface: (a) Au Ag interface beforeTOL life test; (b) Au Ag interface of positive wire after TBOL test; (c) Au Ag interface of negative electrode wire after TBOL test

2.3 元素擴散對鍵合可靠性的影響

對推力測試后Au-Ag鍵合點的殘金進行了表征，相關BSE照片如圖7所示?？梢娫赥BOL試驗后Au-Ag鍵合點的殘金面積略有增加，且完整性提高。經EPMA元素定量分析，在Au-Ag鍵合點推力試驗產生的剪切斷口上，Ag含量從TBOL試驗前的0.195%提高至1.584%(質量分數)。結合圖6的結果可知，TBOL試驗后Ag與Au相互擴散加劇，引起殘金面積增大，并且使Au絲焊點中Ag含量增大，固溶強化效應增強，從而使Au焊點的推力測試值增大，即鍵合強度與可靠性提高。

圖7 Au-Ag鍵合點殘金的BSE照片：(a)TBOL試驗前；(b)TBOL試驗后Fig.7 BSE image of the residual gold at Au Ag bonding point: (a) before TBOL test; (b) after TBOL test

3 結 論

通過鍵合強度測試和高溫偏壓壽命試驗等測試，結合SEM和EPMA表征分析，研究了高純Au絲及Au-Ag鍵合界面的可靠性。研究結果表明，Au絲與Ag支架鍵合后形成的Au-Ag鍵合界面組織較為穩定，具有優異的鍵合可靠性。在長時、高溫的作用下Au-Ag鍵合界面處Au、Ag元素之間的相互擴散程度增加，使殘金面積變大，同時Au中Ag含量增高引起固溶強化效果增強，使得焊點推力增大，進一步提高了鍵合界面的可靠性。