金丝在镀银铜支架上的键合性能研究

肖雨辰 吴保安 唐会毅 栾佰峰 谭骁洪 杨晓玲 蔡欣男 谢勇孙玲 李凤

（重庆材料研究院有限公司重庆大学 材料科学与工程学院 中国电子科技集团公司 第二十四研究所）

摘要：

键合金丝是电子封装过程中的关键材料，其键合可靠性对电子元器件的性能稳定性与寿命具有重要的影响。使用自制的Ａｕ丝将２８３５ＬＥＤ芯片与镀Ａｇ支架键合，并采用破坏性键合强度测试和加速寿命试验，测试并研究了Ａｕ丝的键合强度及Ａｕ－Ａｇ键合界面的可靠性，通过扫描电镜（ＳＥＭ）、电子探针（ＥＰＭＡ）等手段，对比分析了高温及电流加载对Ａｕ丝及Ａｕ－Ａｇ键合界面组织演变及元素扩散行为的影响。研究结果表明，高温偏压寿命试验（ＴＢＯＬ）后，Ａｕ与Ａｇ的相互扩散加剧，Ａｕ－Ａｇ键合点残金面积增大，Ａｕ焊点中Ａｇ含量从０．１９５％提高至１．５８４％（质量分数），使焊点固溶强化效应增强，焊点平均推力值增大约１０％，进一步提高了焊点的键合可靠性。

０引言

引线键合是集成电路及半导体分立器件在电子封装中广泛应用的技术之一［１］。键合丝作为引线键合的关键材料，能够实现内部芯片与外部框架的电连接，同时还能起到传热等辅助作用。键合丝主要包括金丝、硅铝合金丝、银丝、铜丝等。目前，金丝是在各个领域最常用的键合丝，银丝则主要在ＬＥＤ照明领域应用，而硅铝合金丝、铜丝、等主要用于民用或低档电路中［２－４］。在航空、汽车、导航等对电子元器件可靠性及寿命要求较高的领域，易氧化／硫化的银丝、硬度大易损伤芯片的铜丝仍然无法替代传统的金丝［５－６］。因此直至目前为止，金丝在键合丝材料中的地位仍然无可替代。

近年来，键合金丝的研究仍大多侧重Ａｕ丝本身的组织优化与机械性能提升［７，８］，而在可靠性方面，由于Ａｕ丝在Ａｌ焊盘／支架上的键合是最传统且较为常见的应用情况，因此大多相关报道均局限于研究Ａｕ－Ａｌ键合界面的组织性能：通过在Ａｕ丝的基体中添加合金元素优化Ａｕ－Ａｌ键合界面的可靠性［９－１１］。然而，该类报道也表明，虽然添加Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ等元素对键合金丝机械性能及热影响区的调控作用较为明显，但在键合可靠性上，仅能在一定程度上抑制Ａｕ－Ａｌ键合高可靠性最大的障碍———“紫色瘟疫”ＡｕｘＡｌ金属间化物（ＩＭＣ）的生长［１２］。在长时间的时效后，脆性ＩＭＣ层的厚度仍然能增大至数微米，且往往伴生微裂纹，引起焊点可靠性的大幅度降低及界面电阻的急剧增加［１３］。鉴于Ａｕ－Ａｌ键合可靠性的不足，在需要高可靠性的应用场合，相关电路往往采用Ａｕ－Ａｇ键合、Ａｕ－Ａｕ键合等方式来规避ＡｕｘＡｌ，然而对于Ａｕ－Ａｇ键合界面可靠性研究的相关报道却很少，在键合金丝日益国产化的今天，不利于高可靠场合中键合金丝及其应用技术的进步。

本文在该现状下，以制备的４Ｎ高纯Ａｕ丝（＞９９．９９％）将２８３５ＬＥＤ芯片与镀Ａｇ支架键合，对ＬＥＤ灯珠样品进行较为系统的加速寿命试验，对比试验前后金丝键合强度的变化，研究分析Ａｕ－Ａｇ键合界面的元素扩散情况，为高纯金丝在更多场合的高可靠应用起到一定的借鉴及推动作用。

１实验

键合金丝制备时，采用５Ｎ级黄金为主原料，在真空感应熔炼中加入约６００×１０－６的其他微量元素用于提升Ａｕ丝机械及加工性能，随后进行真空连铸及多模拉拔制备出直径２５μｍ的Ａｕ丝，最后经过在线清洗及退火后复绕至线轴上，得到待用键合金丝样品。制备的键合金丝最终纯度＞９９．９９％，拉断力≥６ｃＮ，断裂延伸率≥８％。键合试验采用的２８３５ＬＥＤ芯片（Ａｕ焊盘）从晶元光电股份有限公司购置，支架（镀Ａｇ）从博罗冲压精密工业有限公司购置。在支架上利用ＡＳＭ８６０自动固晶机进行固晶后，采用ＢＢＯＳ模式进行连续打线，以制备的Ａｕ丝将芯片与支架进行键合（采用的设备为ＡＳＭ－ＸＴＲＥＭＥ自动焊线机）。最终将ＬＥＤ灯珠以康美特１２９９硅胶（ＫＭＴ－１２９９）进行塑封。

针对Ａｕ丝封装的ＬＥＤ灯珠进行的３种加速寿命测试参数见表１，其中，高温储存寿命测试（Ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｓｔｏｒａｇｅ　ｌｉｆｅｔｉｍｅ　ｔｅｓｔｓ，ＨＴＳＴ）和温度、偏压和使用寿命（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｂｉａｓ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇｌｉｆｅ，ＴＢＯＬ）试验在ＪＸ－３０８０Ｂ高温恒温箱中进行，温度循环测试（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｙｃｌｅ　ｔｅｓｔ，ＴＣＴ）在ＥＸ－ＣＡＬ４０２５ＴＥ温度循环试验箱中进行。ＴＢＯＬ试验后的破坏性拉力测试按照ＭＩＬ－ＳＴＤ－８８３Ｈ方法２０１１．８进行，Ａｕ焊球的推力测试按照ＪＥＳＤ２２－Ｂ１１６Ｂ－２０１７进行。

通过机械抛光法制备用于Ａｕ－Ａｇ键合点样品，将制备的ＬＥＤ灯珠镶嵌于透明树脂中，并以砂纸研磨至２０００目，最后用金刚石抛光膏抛光，得到Ａｕ－Ａｇ键合点的截面样品。扫描电镜试验采用的设备型号为ＥＶＯ　１０ＣＡＲＬ　ＺＥＩＳＳ，元素面分布及线扫描测试在Ｓｈｉｍａｄｚｕ－ＥＰＭＡ　１７２０电子探针上进行。

２　结果与讨论

２．１　Ａｕ－Ａｇ键合后的芯片形貌及键合强度分析

如图１（ａ）所示，制备的Ａｕ丝表面光洁无划痕且直径均匀，从ＳＥＭ照片中测量得到的直径为２５．０５μｍ。研究表明，适宜的烧球参数对Ａｕ丝的可靠性具有重要影响［１４］，本文通过优化电火花放电烧球的电流大小及时间，形成的无空气球（Ｆｅｅ　ａｉｒ　ｂａｌｌ，ＦＡＢ）球形度好且无偏心，直径为５６．０６μｍ（图１（ｂ）），处于２倍至２．５倍丝径之间，满足键合使用要求。采用热压超声焊工艺（ＢＢＯＳ模式）Ａｕ丝键合ＬＥＤ芯片Ａｕ焊盘和底部镀Ａｇ支架，可以看到Ａｕ－Ａｕ键合点（第一焊点）大小均匀，ＦＡＢ被劈刀压扁后未超出金焊盘区域。Ａｕ－Ａｇ键合点（第二焊点）外观及线弧外观良好（图１（ｃ）），表明制备的高纯Ａｕ丝具有良好的可键合特性。图１（ｃ）中标明了灯珠正常工作时的电流方向（后文ＴＢＯＬ试验中施加偏压时的电流方向），ＬＥＤ灯珠中电流由镀Ａｇ支架流向正极Ａｕ丝并进入芯片，随后由负极Ａｕ丝流向镀Ａｇ支架。灯珠塑封后的外观如图１（ｄ）所示，可知塑封后Ａｕ丝的线弧外观及焊点均无明显变化，无踏丝、歪丝，虚焊等现象，表明制备的Ａｕ丝能够承受住塑封过程引起的应力。

采用自动焊线机制备足够的ＬＥＤ灯珠样品后进行了表１所示的３种加速寿命实验，试验结果如表２所示。可知，以制备的Ａｕ丝打线获得的ＬＥＤ灯珠样品在经过ＨＴＳＴ、ＴＢＯＬ及ＴＣＴ后，均无死灯现象，即制备的Ａｕ丝仍然处于可实现芯片与支架电连接的正常工作状态，表明制备的Ａｕ丝具有良好的可靠性。

在ＬＥＤ灯珠的服役过程中，长时间的高温及通电状态是最为常见的一种工作条件。为进一步确认Ａｕ丝及键合界面在该环境条件下的性能变化情况，分别对ＴＢＯＬ试验前后Ａｕ丝的键合拉力及焊点推力进行了测试，结果如图２所示。由图２（ａ）可知，ＴＢＯＬ试验前后Ａｕ丝的线弧拉力均处于０．０１２ｋｇ左右，远大于ＭＩＬ－８８３Ｈ要求的０．００３ｋｇ要求，且试验前后无明显变化；从图２（ｂ）中可以看到，焊点的剪切力均大于０．０５ｋｇ，远大于ＪＥＳＤ－２２Ｂ１１６Ａ要求的０．０３３ｋｇ，并且焊点（Ａｕ丝与Ａｇ支架的键合点）的推力值在加速寿命试验后明显上升，其中，正极Ａｕ丝的Ａｕ－Ａｇ焊点推力均值在ＴＢＯＬ试验后上升０．００５７ｋｇ（１０．１６％），负极Ａｕ丝在试验后焊点推力均值上升０．００５５ｋｇ（９．５２％）。以上结果表明，制备的键合Ａｕ丝在高温／电流加载的试验条件下经过１０００ｈ后，其本身的力学性能无明显下降（若有下降，将导致键合拉力下降），且其键合推力的增大意味着Ａｕ丝与镀Ａｇ支架之间的可靠性反而有了提高。

２．２　Ａｕ－Ａｇ键合点的元素扩散行为研究

为进一步确认所制备的Ａｕ丝的可靠性，将ＴＢＯＬ试验后的ＬＥＤ灯珠中硅胶完全溶解去除后，进行了表面形貌观察。如图３（ａ）所示，试验后Ａｕ丝的线弧外观及焊点形貌均无明显变化。为研究试验前后键合界面上的微观组织变化，分别将灯珠中正极Ａｕ丝及负极Ａｕ丝的Ａｕ－Ａｇ键合点机械抛光后进行观察。ＴＢＯＬ前的Ａｕ－Ａｇ键合点如图３（ｂ）所示，从背散射电子（ＢＳＥ）像上可见，Ａｕ丝、Ａｇ镀层及支架铜基底３种材料的界面较为清晰，键合界面附近未发现明显的ＩＭＣ存在。实际上，由于Ａｕ与Ａｇ均具有立方结构及近似的晶格参数，二者在液相及固相均能无限互溶［２，１５］，即理论上Ａｕ－Ａｇ键合界面不会形成二者的ＩＭＣ。将图３（ｃ）和图３（ｄ）与图３（ｂ）对比可知，经过１０００ｈ的高温／偏压后，正极及负极丝的Ａｕ－Ａｇ键合界面均无明显变化，也未观察到微裂纹扩展及界面孔洞出现。另外，在非键合界面的地方，发现银镀层存在厚度略微变大现象以及孔洞的产生（如图汇总箭头所示），可能与Ａｇ的电迁移有关［１６－１７］。以上结果表明，Ａｕ－Ａｇ键合界面相比于以往报道的Ａｕ－Ａｌ键合界面［１８］，明显具有更优异的可靠性。

为充分证实Ａｕ－Ａｇ键合界面组织的稳定性并进一步深入探究Ａｕ－Ａｇ键合界面强度提高的原因，采用ＥＰＭＡ对Ａｕ－Ａｇ键合界面上的元素扩散行为进行了研究。图４所示为ＴＢＯＬ试验前Ａｕ－Ａｇ键合界面上的元素分布特征。由图４（ｂ）可见，Ａｇ元素全部分布在对应于图４（ａ）中的镀Ａｇ层附近，在Ａｕ与Ａｇ的界面处，Ａｕ与Ａｇ的元素强度计数均有下降（Ａｕ约下降３，Ａｇ约下降７），表明二者之间存在相互扩散。另外，未观察到异常的元素偏聚。

图５为ＴＢＯＬ寿命试验后正极Ａｕ丝与镀Ａｇ支架之间键合界面的元素分布表征结果。相比于试验前，Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ　３种元素的分布均无明显变化，再次表明Ａｕ－Ａｇ键合界面良好的组织稳定性及可靠性。

为了更精确分析ＴＢＯＬ试验前后Ａｕ－Ａｇ界面上的元素扩散，对Ａｕ和Ａｇ元素进行了波普仪线扫描分析。测试时采用的步长为０．１μｍ，工作电压为２０ｋＶ。从图６（ａ－ｃ）中Ａｇ与Ａｕ的元素计数随线扫距离的变化曲线中可知，在Ａｕ－Ａｇ键合界面附近，两种元素曲线重叠的区域（图中的灰色阴影区域）在ＴＢＯＬ试验前后有略微的变大，表明经过１　０００ｈ的高温与电流加载后，Ａｇ与Ａｕ的相互扩散程度加剧［１９－２０］。另外，图６（ｂ）与图６（ｃ）中的影响重叠区域面积区别不明显，表明在１　０００ｈ的加速寿命试验中，不同方向的电流加载对元素扩散的影响不显著。

２．３　元素扩散对键合可靠性的影响

对推力测试后Ａｕ－Ａｇ键合点的残金进行了表征，相关ＢＳＥ照片如图７所示。可见在ＴＢＯＬ试验后Ａｕ－Ａｇ键合点的残金面积略有增加，且完整性提高。经ＥＰＭＡ元素定量分析，在Ａｕ－Ａｇ键合点推力试验产生的剪切断口上，Ａｇ含量从ＴＢＯＬ试验前的０．１９５％提高至１．５８４％（质量分数）。结合图６的结果可知，ＴＢＯＬ试验后Ａｇ与Ａｕ相互扩散加剧，引起残金面积增大，并且使Ａｕ丝焊点中Ａｇ含量增大，固溶强化效应增强，从而使Ａｕ焊点的推力测试值增大，即键合强度与可靠性提高。

３　结　论

通过键合强度测试和高温偏压寿命试验等测试，结合ＳＥＭ和ＥＰＭＡ表征分析，研究了高纯Ａｕ丝及Ａｕ－Ａｇ键合界面的可靠性。研究结果表明，Ａｕ丝与Ａｇ支架键合后形成的Ａｕ－Ａｇ键合界面组织较为稳定，具有优异的键合可靠性。在长时、高温的作用下Ａｕ－Ａｇ键合界面处Ａｕ、Ａｇ元素之间的相互扩散程度增加，使残金面积变大，同时Ａｕ中Ａｇ含量增高引起固溶强化效果增强，使得焊点推力增大，进一步提高了键合界面的可靠性。