长期湿热环境下塑封电路Au-Al键合退化研究

陈光耀，虞勇坚，戴 莹，邹巧云，吕 栋，陆 坚

（中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214035）

1 引言

引线键合具有工艺简单、成本低、兼容性好等特点，在塑封电路中应用广泛。在传统引线键合工艺中，以Au-Al键合最为常见。

集成电路失效约49%是由于键合导致的[1]，可见键合的可靠性对整个器件具有十分重要的意义。在Au-Al键合界面上通常存在2类失效机理：一是由于塑封电路结构不致密，湿气易进入内部，湿气与塑封体中的卤素等杂质离子共同作用，电路焊盘发生的电化学腐蚀；另一类是在键合与服役过程中，温度促进了Au-Al键合界面金属间化合物生长，当金属间化合物过度生长后产生较多脆性大、电阻高的物质，同时界面处出现裂纹、Kirkendall空洞，导致电路发生键合强度下降、电阻增大、参数漂移等性能退化甚至失效[2]。因此开展湿热环境下Au-Al键合可靠性的研究是有实际需求的。

本文选择2款代表品种对Au-Al键合界面抵抗长期湿热应力的能力进行试验研究，评价塑封电路Au-Al键合在长期湿热环境下的可靠性。

2 可靠性试验

2.1 试验样品

2.2 试验及分析方法

2款样品分别在121℃/100%RH（PCT）、130℃/85%RH（HAST）2组湿热条件下进行加速退化试验，采样间隔周期为672 h，共进行6个试验周期，试验时间共4032 h。

为研究不同试验周期时键合界面处金属间化合物演变对可靠性的影响，需要收集试验前后的微观分析数据，如键合强度、金属间化合物厚度、界面形貌等。

试验方案是在每个试验周期（672 h）后抽样，按照GJB548B-2005[3]方法2011进行键合强度试验，使用光学显微镜和SEM检查分析试验后的键合点状态，以及键合强度试验后的失效模式，并将键合点纵向切片至中心位置，采用SEM和EDS观察、分析界面上金属间化合物的演变情况，对Au-Al键合退化数据进行分析，探究长期湿热环境对键合可靠性的影响。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

对试验后的样品开封进行光学显微镜检查，引线形貌正常，Au-Al键合点未发现明显的腐蚀、脱落现象。

将开封后的样品进行键合强度试验，记录数值并观察失效模式。拉力平均值汇总分析结果见图1。从图1中可以看出，随着试验时间的增加，LT1963EST-3.3与AD8561ARZ 2款电路的键合强度都有不同程度的退化。在2组条件4032 h时，2款电路键合强度分别退化了15%和20%，拉力值符合标准判据，表明其仍然有较好的力学性能。

图1 2款Au-Al键合拉力结果

为确认键合强度的失效模式，对键合强度试验后键合丝断裂点表面形貌进行SEM观察。结果显示，2款电路的键合强度失效模式均为颈缩断裂，图2为颈缩断裂形貌；未发现键合球与铝焊盘脱落失效模式，表明键合界面仍有良好的力学性能。

图2 Au-Al键合颈缩断裂SEM照片

键合点纵向截面SEM观测结果显示（图3为初始和结束时SEM照片），Au-Al金属间化合物在键合阶段已大量形成，2款器件的金属间化合物的形貌相似，略有差异。

图3 键合点纵向截面SEM照片

2款电路键合界面金属间化合物光滑连续，形貌良好；垂直方向上呈层状结构，存在2种不同的相；在水平方向上，上层金属间化合物同一相中有微小孔洞，随着时间的增加，孔洞呈现增大、连成线的趋势；而在金球边缘存在明显环形空洞。

查阅技术协议，托克逊和轮台的暖风器是同一个生产厂家，单位温升下单位风量所需的换热量相当，也即轮台工程暖风器的换热面积是综合考虑了极端最低温度的。电石工程暖风器是另一个厂家，其单位温升下单位风量的换热量只有托克逊和轮台的70%。

2款电路金球边缘的环形空洞存在差异，LT1963EST-3.3的环形空洞比较规则；而AD8561ARZ的环形空洞不规则，存在明显的腐蚀现象。另外，AD8561ARZ的上层金属间化合物中的微小孔洞明显，数量多于LT1963EST-3.3的微小空洞。

Au-Al金属间化合物的厚度随时间变化如图4所示，从图中可以看出2款电路的金属间化合物厚度在前3个周期内明显增大。AD8561ARZ的生长速度快于LT1963EST-3.3，随后不再明显生长，进入稳定状态。

图4 金属间化合物厚度变化趋势

3.2 机理分析

对键合点来说，界面处金属间化合物生长与演变所产生的空洞和裂缝是影响键合可靠性的主要因素。一般而言，键合界面处一定程度的金属间化合物的生长有利于键合可靠性的提高[2]。然而金属间化合物过度生长和裂纹、空洞的扩展，会对可靠性产生诸多影响，使得性能发生退化，甚至引发电路失效。因此有必要对Au-Al金属间化合物、裂纹和空洞的生长机理进行分析。

3.2.1 Au-Al金属间化合物的构成与分布

由Au-Al相图可知，在长时间试验后，可形成Au4Al、Au5Al2、Au2Al（白斑）、AuAl和AuAl2（紫斑）多种金属间化合物[4]。

2款电路的金属间化合物呈现明显2层连续层状结构，并且在键合外围存在明显的第三相（见图5）。EDS分析结果表明，上层金属间化合物为Au4Al，下层金属间化合物为Au5Al2，金球边缘区域的少量第三相为Au2Al。

图5 Au-Al键合界面上金属间化合物的层状分布

随着时间的增加，Au4Al与Au5Al2相的厚度明显增加。有学者研究认为[5-6]，Au4Al与Au5Al2的形成与Au相与Al相的富集度有很大关系，外围Au2Al的形成可能是周边部位Au较少，迫使Au5Al2转变为Au2Al。

3.2.2裂纹和空洞的演变

界面处的裂纹和空洞不仅与Au、Al扩散速率有关（如Kirkendall空洞），还有相变、腐蚀等相关因素。

上层金属间化合物的Au4Al层面内，观察到有明显微小孔洞（图6），孔洞上下两侧Au4Al相纹理略有差异。研究表明[7]，Au5Al2分解为Au4Al与Al，金球扩散的Au原子与分解的Al原子反应形成上侧Au4Al，Au5Al2相分解的Au4Al在下侧，不同的形成过程产生了不同纹理的Au4Al。随着时间的变化，微小孔洞长大，有连成线演变为裂纹的趋势，使得键合可靠性降低。

在键合外围区域有显著的环形空洞（图6）产生[8]。因为超声键合在金球外围产生压焊缝隙，金属间化合物形成早期，压焊缝隙长大，随着金属间化合物的生长，缝隙边沿形成凹形，随着凹形界面的扩散，诱发空洞和裂纹的产生。若有异常情况时，在中心压焊区域也会有类似现象。

图6 Au-Al键合界面上的微小孔隙和环形空洞

Au-Al键合界面的环形空洞有腐蚀迹象，通过能谱分析，界面处存在Cl元素。研究表明[9]，在湿热环境下，塑封体中Cl、Br等痕量卤素原子分解，与水汽进入内部，对金属间化合物造成了腐蚀，产生腐蚀空洞，加剧了界面恶化。即在湿热环境中键合界面还会存在腐蚀空洞，因此随着时间的延长，卤素原子会进入中心区域，产生腐蚀空洞。

由相关报道可知[10]，不同金属间化合物的脆性、热膨胀系数、硬度等物理性质存在差异，在相变的过程中某些成分达到一定比例时会使界面恶化，进而产生裂纹，但这是不同于Kirkendall空洞现象的，如Au4Al层面内的微小空洞。

2款电路试验条件、MSL等级相同，不构成键合形貌差异的影响因素。而键合丝直径的不同是否会影响金属间化合物界面的生长与演变，需要进一步研究。

4 结论

本文针对2款Au-Al键合塑封器件，通过PCT和HAST 2项环境试验，开展长期湿热条件下的Au-Al键合性能退化研究。在长期湿热环境下，键合界面较好，金属间化合物呈连续层状结构，无显著裂纹，经测试键合强度退化较小；但2款电路的键合界面形貌略有差异，金属间化合物厚度明显不同。试验结果表明，长期湿热条件下Au-Al键合界面易生成金属间化合物，空洞和裂纹的产生与扩散、相变、腐蚀有关，使得键合界面恶化，甚至导致键合点脱落，降低键合可靠性。

2款电路的金属间化合物厚度、键合界面差异的原因可能与键合丝直径有关。针对键合丝直径是否是界面差异的主要影响因素，后续将继续进行研究。