文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：趙先生

金鋁效應(yīng)是集成電路封裝中常見(jiàn)的失效問(wèn)題，嚴(yán)重影響器件的可靠性。本文系統(tǒng)解析其成因、表現(xiàn)與演化機(jī)制，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)與仿真提出多種應(yīng)對(duì)措施，為提升鍵合可靠性提供參考。

金鋁效應(yīng)概述

1.現(xiàn)象

在集成電路的組裝環(huán)節(jié)，金、鋁鍵合是較為常見(jiàn)的操作。然而，金鋁鍵合系統(tǒng)的失效情況卻頻繁出現(xiàn)，尤其是在經(jīng)過(guò)高溫儲(chǔ)存考核后，常常會(huì)面臨嚴(yán)重的脫鍵問(wèn)題，這對(duì)電路產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性構(gòu)成了極大的潛在威脅，具體情況如圖1所示。

在集成電路的封裝過(guò)程中，常見(jiàn)的金、鋁體系主要有以下幾種：

金絲球焊與集成電路鋁焊盤之間形成的金鋁鍵合。

鋁絲楔焊與陶瓷外殼鍵合指鍍金層之間形成的金鋁鍵合。

鋁絲楔焊與陶瓷基板焊盤鍍金層之間形成的金鋁鍵合。

圖1 高溫儲(chǔ)存300h后的樣品圖

圖2展示了金鋁效應(yīng)導(dǎo)致引線鍵合移位（脫鍵）的SEM形貌像；圖3和圖4分別呈現(xiàn)了金鋁效應(yīng)脫鍵后焊盤側(cè)金相SEM形貌像以及金鋁效應(yīng)脫鍵后金絲側(cè)金相SEM形貌像。

圖2 金鋁效應(yīng)導(dǎo)致引線鍵合移位(脫鍵)SEM形貌

圖3 金鋁效應(yīng)脫鍵后焊盤側(cè)金相SEM形貌

圖4 金鋁效應(yīng)脫鍵后金絲側(cè)金相SEM形貌

圖5給出了從焊盤上移除后典型金球底面的SEM圖。在圖5a中，亮的區(qū)域?yàn)榻饘匍g化合物；圖5b中，暗的部分表示未粘合區(qū)域。經(jīng)計(jì)算，IMC對(duì)焊球底部的覆蓋率為84%。

圖5 金球底面的SEM圖

2. 原理

金和鋁屬于兩種不同的金屬，在它們結(jié)合的過(guò)程中，首先會(huì)生成金屬間化合物（IMC）。IMC的形成是金鋁鍵合完成的重要標(biāo)志。適量的IMC能夠在一定程度上增強(qiáng)界面的鍵合強(qiáng)度。但不可避免的是，隨著器件服役時(shí)間的延長(zhǎng)以及環(huán)境溫度的升高，IMC的生成量會(huì)逐漸增加。

與其他金屬間的結(jié)合情況類似，當(dāng)IMC層過(guò)厚時(shí)，會(huì)導(dǎo)致界面變脆、強(qiáng)度下降等問(wèn)題。同時(shí)，在IMC的生長(zhǎng)過(guò)程中，由于金和鋁具有不對(duì)稱的擴(kuò)散特性，在金鋁鍵合體系中往往會(huì)形成柯肯達(dá)爾（Kirkendall）空洞。由于金和鋁的擴(kuò)散系數(shù)不同，在它們的接觸面上會(huì)形成小空隙，這就是所謂的柯肯達(dá)爾效應(yīng)。柯肯達(dá)爾空洞在鍵合界面附近形成并逐漸生長(zhǎng)，在器件繼續(xù)老化的過(guò)程中，這些小空隙會(huì)逐漸連接成片，形成裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致接觸不良或引線脫落，最終造成開路失效。目前，普遍認(rèn)為IMC和柯肯達(dá)爾空洞的生長(zhǎng)是導(dǎo)致金鋁引線鍵合失效的主要原因之一。

不過(guò)，也有研究觀點(diǎn)認(rèn)為，柯肯達(dá)爾空洞等化學(xué)腐蝕對(duì)金鋁鍵合脫鍵的影響并不顯著。當(dāng)多種化合物在金和鋁的界面上生成時(shí)，會(huì)引起體積膨脹，從而導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力集中，金絲球初始存在空洞群和缺陷的區(qū)域更容易產(chǎn)生裂紋并形成分層。

金鋁系統(tǒng)界面的演變是一個(gè)極為復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。研究表明，金和鋁之間會(huì)產(chǎn)生五種IMC，分別是Au?Al、Au?Al?、Au?Al、AuAl?、AuAl，具體情況如表1所示。其中，AuAl呈紫色，俗稱紫斑；Au?Al呈白色，稱為白斑，白斑質(zhì)地脆且導(dǎo)電率低，很容易從相界面上產(chǎn)生裂縫。在金鋁鍵合界面，這五種IMC都存在，它們的晶格常數(shù)、膨脹系數(shù)以及形成過(guò)程中體積的變化各不相同，并且電導(dǎo)率較低。在溫度環(huán)境變化的過(guò)程中，鍵合點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，很容易在相界面處出現(xiàn)裂痕，進(jìn)而導(dǎo)致接觸電阻增大、接觸不良，甚至出現(xiàn)開路的情況。

表1 Au-AI化合物性能比較

圖6給出了Au-AI化合物的生成熱（HOF）和有效生成熱（EHOF）。

圖6 Au-AI化合物的生成熱和有效生成熱

為了深入探究金鋁體系反應(yīng)這一復(fù)雜過(guò)程，以及多種IMC的生成和演變情況，有研究人員將直徑為20μm的金絲鍵合到1μm厚的金屬化鋁焊盤上，然后采用175℃至250℃的溫度對(duì)界面反應(yīng)進(jìn)行加速處理，觀察熱退火過(guò)程中金鋁鍵合界面的相變情況，如圖7所示。在鍵合之前，鋁焊盤表面自然形成了一層薄薄的氧化膜；在最初的鍵合完成后，Au?Al和AuAl?兩種化合物最先形成；隨著退火過(guò)程的推進(jìn)，Au?Al?成核并逐漸成為初期的主導(dǎo)相；隨著鋁焊盤的逐漸耗盡，AuAl?會(huì)轉(zhuǎn)換為Au?Al?；最后，Au?Al通過(guò)消耗Au?Al?繼續(xù)生長(zhǎng)，并成為長(zhǎng)時(shí)間退火后的最終產(chǎn)物。

Au/AI與AI/Au體系

雖然金鋁鍵合體系的具體形成情形多種多樣，但總體上可劃分為兩類：一類是金絲與鋁鍍層結(jié)合形成的Au/AI體系；另一類是鋁絲與金鍍層結(jié)合形成的AI/Au體系。相關(guān)研究顯示，在這兩種不同的金鋁鍵合體系中，鍵合失效的過(guò)程以及失效的內(nèi)在機(jī)理存在一定差異。

圖7 熱退火過(guò)程中Au-AI鍵的相變示意圖

1. Au/AI體系

研究人員把金絲與鋁焊盤之間的界面反應(yīng)細(xì)分為三個(gè)階段：

穩(wěn)定增長(zhǎng)階段：在這個(gè)階段，IMC層的厚度隨時(shí)間的增加有較為明顯的變化，呈現(xiàn)出穩(wěn)定增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。

橫向相變主導(dǎo)階段：當(dāng)鍵合界面下方的集成電路AI焊盤被完全消耗后，IMC開始與焊點(diǎn)外側(cè)焊盤的AI發(fā)生反應(yīng)，此時(shí)反應(yīng)進(jìn)入第二階段。在這一階段，Au-AI之間的橫向相變成為主要過(guò)程，IMC在垂直方向上的增長(zhǎng)速度減緩，并且增長(zhǎng)趨勢(shì)變得不規(guī)則。

裂紋擴(kuò)展階段：此階段包括Au-AI之間縱向反應(yīng)的停滯以及橫向反應(yīng)的擴(kuò)散。焊點(diǎn)中心區(qū)域的IMC在垂直方向上的厚度逐漸減小，而邊緣處IMC在垂直方向上的厚度增加，同時(shí)IMC向水平方向擴(kuò)展。隨著柯肯達(dá)爾空洞的不斷聚集，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致IMC與焊盤下的SiO?界面出現(xiàn)裂紋，并且裂紋會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸擴(kuò)展。

對(duì)于金絲與芯片鋁膜形成的金鋁鍵合界面，其熱退化過(guò)程以鋁膜的完全消耗作為反應(yīng)終止的標(biāo)志。這是因?yàn)橐话闱闆r下，芯片焊盤上的鋁層都比較薄，采用薄鋁工藝時(shí)鋁層厚度大約為0.5μm，而厚鋁工藝的鋁層厚度也僅能達(dá)到1.8至2.5μm。與直徑為25μm、18μm的金絲所形成的金絲球相比，在共同形成IMC的反應(yīng)過(guò)程中，焊盤中的鋁很容易就被消耗完了。圖8展示了直徑為25μm的金絲在厚度為1μm的AI-1%Si-0.5%Cu焊盤芯片上形成的鍵合點(diǎn)，經(jīng)過(guò)175℃、2h高溫儲(chǔ)存后的界面化合物形貌。

圖8 界面化合物175℃ 2h高溫儲(chǔ)存后SEM圖

將直徑為25μm的金絲鍵合到厚度為3.4μm的鋁鍍層上，通過(guò)在175℃的環(huán)境下進(jìn)行高溫儲(chǔ)存，并利用FIB-SEM-EDS雙束系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀察Au-A1-Si系統(tǒng)界面的變化情況，具體如圖9所示。

圖9 Au-AI-Si系統(tǒng)界面動(dòng)態(tài)演化過(guò)程

2. AI/Au體系

AI/Au體系和Au/AI體系鍵合界面的失效機(jī)理并非完全一致。

對(duì)于鋁絲與鍍金層形成的AI/Au體系鍵合界面而言，兩種金屬有可能都不會(huì)被完全消耗掉。例如，陶瓷基板上的厚膜金導(dǎo)體，其厚度通常可以達(dá)到10μm左右。這是因?yàn)樵诤衲ぬ沾苫迳嫌≈平饘?dǎo)體時(shí)，不僅要考慮鍵合的需求，還需要保證芯片粘結(jié)后的剪切應(yīng)力符合標(biāo)準(zhǔn)。由于厚膜金導(dǎo)體中的金含量充足，會(huì)促使鋁絲中的鋁原子不斷向金導(dǎo)體擴(kuò)散，以滿足界面反應(yīng)對(duì)鋁原子的需求。一般來(lái)說(shuō)，鋁絲的直徑相對(duì)較粗，鋁硅絲的直徑可達(dá)32μm，而粗鋁絲的直徑更是可以達(dá)到75μm、100μm甚至500μm，這使得金和鋁在界面上的化合反應(yīng)能夠持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。然而，在使用鋁絲的電路中，通常會(huì)有較大的電流通過(guò)，或者本身就是功率器件，焊點(diǎn)的發(fā)熱效應(yīng)會(huì)加速反應(yīng)的進(jìn)行。一般情況下，鋁絲所能提供的鋁量是有限的，這就導(dǎo)致在靠近界面的鋁絲內(nèi)部容易出現(xiàn)空洞。

當(dāng)鋁絲鍵合在陶瓷外殼鍵合指鍍金層或功率器件引腳鍍金層上時(shí)，鍍金層也有可能被完全耗盡。以直徑為250μm的粗鋁絲與功率器件引腳鍍金層形成的AI/Au體系為例，在200℃、1942h的高溫加速條件下，該樣品金鋁鍵合界面的形貌如圖10所示。從圖中可以明顯看出，金層已全部被消耗，鋁絲與界面化合物分離，產(chǎn)生了很寬的裂痕。

圖10 在200℃、1942h高溫加速條件下樣品金鋁鍵合界面的形貌

影響因素

1.溫度

根據(jù)GJB 2438B-2017《混合集成電路通用規(guī)范》附錄C.2.7.5.4.3中關(guān)于引線鍵合強(qiáng)度的試驗(yàn)要求，對(duì)于電路基片上的金金屬化層，若計(jì)劃進(jìn)行鋁引線鍵合，鋁引線需在詳細(xì)規(guī)范中明確規(guī)定。并且，這些鍵合引線樣品在進(jìn)行引線鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)前，應(yīng)在空氣或惰性氣體環(huán)境中，以300℃的溫度烘烤1小時(shí)。同時(shí)，樣品至少應(yīng)包含來(lái)自兩塊基片上的10根引線。

2.濕度

相關(guān)研究顯示，濕度對(duì)IMC層的厚度增長(zhǎng)影響并不顯著。然而，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間處于高溫高濕的環(huán)境中時(shí)，Au-AI系統(tǒng)的電偶腐蝕速率會(huì)顯著加快。

3.電流

研究表明，電流的大小和作用時(shí)間與IMC厚度之間沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)。但是，當(dāng)焊點(diǎn)承載的電流較大且通電時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生焦耳熱。這種焦耳熱與外部的高溫環(huán)境應(yīng)力相互疊加，會(huì)加速IMC的生長(zhǎng)以及柯肯達(dá)爾空洞的產(chǎn)生。此外，空洞的形成會(huì)進(jìn)一步加劇電流密度的集中效應(yīng)。這意味著在Au-AI系統(tǒng)腐蝕的后期，電流對(duì)腐蝕的促進(jìn)作用會(huì)大幅增強(qiáng)。

表現(xiàn)形式

1.鍵合拉力衰退

金鋁效應(yīng)最直接的體現(xiàn)就是鍵合拉力的衰退。研究人員選取直徑為25μm的金絲進(jìn)行焊接，在帶有鋁焊盤的芯片上開展鍵合試驗(yàn)，并將試驗(yàn)樣品分別置于100℃、125℃、150℃的溫度下進(jìn)行高溫儲(chǔ)存。同時(shí)，記錄不同儲(chǔ)存時(shí)間后鍵合絲的破壞性鍵合拉力均值，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。從表中數(shù)據(jù)可以明顯看出，隨著儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)，鍵合拉力數(shù)值出現(xiàn)了顯著下降。

表2 不同高溫儲(chǔ)存下鍵合拉力數(shù)值

中國(guó)電科47所的康敏等人指出，對(duì)于金絲在鋁焊盤上的焊接情況，首先要觀察引線拉斷時(shí)的斷裂位置。如果焊點(diǎn)與焊盤的結(jié)合界面發(fā)生分離，就表明金鋁效應(yīng)對(duì)鍵合強(qiáng)度的衰退產(chǎn)生了明顯影響；反之，如果焊點(diǎn)與焊盤沒(méi)有脫離，則說(shuō)明金鋁效應(yīng)尚未對(duì)鍵合強(qiáng)度的衰退造成影響。

2.接觸電阻增長(zhǎng)

金鋁效應(yīng)的另一個(gè)明顯影響是接觸電阻的增加。在金鋁鍵合體系中，由于電阻率較高的IMC不斷生長(zhǎng)，會(huì)對(duì)電流的流通產(chǎn)生阻礙；而柯肯達(dá)爾空洞的形成和聚集，會(huì)導(dǎo)致電流出現(xiàn)集聚現(xiàn)象。這些因素綜合起來(lái)，表現(xiàn)為鍵合回路的電阻率上升。

為了評(píng)估混合集成電路中粗鋁絲與厚膜金導(dǎo)體所形成的AI/Au系統(tǒng)的可靠性，研究人員選擇125℃的高溫環(huán)境作為加速條件，每隔50小時(shí)對(duì)樣品電阻進(jìn)行一次采樣監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明，樣品電阻變化率隨著時(shí)間的推移逐漸上升，當(dāng)樣品的電阻變化率達(dá)到20%后，其退化速度會(huì)明顯加快。

還有研究人員選擇TO-254AA封裝形式，在鍵合指上鍵合直徑為250μm的粗鋁絲，并分別在150℃、175℃、200℃的溫度下進(jìn)行高溫儲(chǔ)存試驗(yàn)，定期測(cè)量樣品的電阻值，并統(tǒng)計(jì)電阻率的變化情況，具體如圖12所示。從圖中可以看出，在試驗(yàn)早期，樣品的接觸電阻變化率隨時(shí)間的推移有較大幅度的上升，到試驗(yàn)中后期上升速度則較為緩慢。而且，環(huán)境溫度越高，樣品電阻變化率出現(xiàn)跳變并升高的時(shí)間就越早。

圖11 電阻變化率隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖12 接觸電阻變化率

應(yīng)對(duì)措施

1.禁限用

盡管金鋁鍵合存在多種不同的情形，但追根溯源，其本質(zhì)是一致的，均基于相同的冶金過(guò)程。金和鋁之間的擴(kuò)散腐蝕是不可避免的，無(wú)法完全消除，只能采取措施延緩其發(fā)生。因此，避免選用金鋁這種異質(zhì)鍵合體系，是解決可靠性問(wèn)題最為行之有效的方法。

根據(jù)GJB 2438B-2017的附錄D中有關(guān)通用設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則，明確規(guī)定了宇航用電路的禁限用工藝和材料，其中就包括禁止使用功率芯片金鋁鍵合工藝。

2.鍵合工藝優(yōu)化

相關(guān)研究指出，在高溫儲(chǔ)存條件下，金絲球鍵合的可靠性與焊球的形貌以及界面初始化合物的分布密切相關(guān)。存在兩類不同的樣品，一類樣品的焊球較薄，臺(tái)階呈現(xiàn)圓柱狀，如圖13a所示；另一類樣品的焊球較厚，球與臺(tái)階區(qū)域的過(guò)渡較為平緩，如圖13b所示。通過(guò)能量色散X射線（Energy Dispersive X-ray，EDX）光譜儀（EDS）以半定量的方式對(duì)這兩種樣品界面上每個(gè)相的組成進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，第一類樣品的金絲球與AI-Si-Cu焊盤之間形成了連續(xù)的IMC，而第二類樣品形成的IMC則是非連續(xù)的。在相同的175℃、168h高溫儲(chǔ)存條件下進(jìn)行測(cè)試，第一類樣品通過(guò)了測(cè)試，而第二類樣品卻出現(xiàn)了失效的情況。通過(guò)有限元建模和仿真分析發(fā)現(xiàn)，在非連續(xù)IMC的樣品中，金絲球內(nèi)Au和IMC之間存在較高的應(yīng)力分布，這很可能是導(dǎo)致分層甚至脫鍵的重要原因之一。

圖13 兩類焊球引線鍵合組裝的SEM圖

圖14展示了金絲鍵合焊點(diǎn)切面的背散射電子（Back Scattered Electron，BSE）成像圖。在圖14a中，焊接面上生成了均勻的金鋁化合物；而在圖14b中，焊接面上金鋁化合物的生成并不均勻。

圖14 金絲鍵合焊點(diǎn)切面的BSE成像圖

3.抑制擴(kuò)散

H.G.Kim等人以及B.Marz等人對(duì)金線的Cu摻雜及Pd摻雜對(duì)IMC生長(zhǎng)的影響展開了研究。研究結(jié)果表明，無(wú)論是摻雜Cu還是Pd，在老化條件下都能在Au-AI界面形成富集層，從而有效阻止Au的擴(kuò)散，這對(duì)于改善金鋁鍵合的可靠性具有積極的作用。類似地，還可以在針對(duì)金鋁鍵合的鍵合絲中摻雜其他元素，以此來(lái)降低金和鋁之間的互擴(kuò)散效率。

4.鍍金層優(yōu)化

研究顯示，直徑為50μm的鋁硅絲在不同厚度的鍍金層上完成鍵合后，經(jīng)過(guò)150℃、96h的高溫存儲(chǔ)，鍵合拉力會(huì)出現(xiàn)明顯的差異，具體情況如圖15所示。當(dāng)金層厚度大于1μm時(shí)，鍵合強(qiáng)度會(huì)急劇下降，甚至可能出現(xiàn)脫鍵現(xiàn)象。這是因?yàn)楫?dāng)金層較薄時(shí)，生成的金鋁化合物也相對(duì)較薄，沒(méi)有空洞的金鋁間化合物的機(jī)械強(qiáng)度并不遜色于金或鋁，所以結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。然而，當(dāng)鍍金層過(guò)厚時(shí)，擴(kuò)散持續(xù)的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，金鋁間化合物也會(huì)相應(yīng)變厚，在此期間金、鋁穿過(guò)厚化合物層的擴(kuò)散速度差異會(huì)更加顯著，這就容易導(dǎo)致柯肯達(dá)爾空洞的產(chǎn)生。

圖15 鍵合強(qiáng)度與金層厚度的關(guān)系

在制作管殼鍵合指的鍍金層時(shí)，如果鍍液長(zhǎng)時(shí)間不進(jìn)行更換，鍍液內(nèi)的雜質(zhì)含量必然會(huì)不斷增加。雖然通常會(huì)對(duì)鍍液進(jìn)行過(guò)濾和活性炭吸附處理，但這種處理方式只能去除顆粒物質(zhì)和有機(jī)物，對(duì)于鎳、鐵、銅、磷等雜質(zhì)離子卻無(wú)法有效清除。

此外，當(dāng)鍍金層中的雜質(zhì)離子含量達(dá)到一定程度后，會(huì)對(duì)鍵合效果產(chǎn)生不良影響，這也是導(dǎo)致金鋁鍵合在高溫儲(chǔ)存后出現(xiàn)脫鍵的重要因素之一。