預(yù)鍍框架銅線鍵合的腐蝕失效分析與可靠性

林娜 吳凌 鄭怡（深圳賽意法微電子有限公司）

摘要

集成電路預(yù)鍍框架銅線鍵合封裝在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)第二鍵合點(diǎn)失效，通過激光開封和橫截面分析，鍵合失效與電化學(xué)腐蝕機(jī)理密切相關(guān)。通過 2000h 高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)和高溫高濕存儲(chǔ)試驗(yàn)，研究預(yù)鍍框架銅線鍵合界面的濕腐蝕和干腐蝕失效模式。結(jié)果表明：在不含 Cl－ 的低濕度環(huán)境下，電化學(xué)反應(yīng)速率緩慢，且金屬腐蝕發(fā)生的比例低；在含有 Cl － 的高濕環(huán)境下，電化學(xué)反應(yīng)速率則大大增加，銅線和框架的腐蝕嚴(yán)重程度與比例最為突出；高濕度和 Cl－ 濃度加速金屬界面的腐蝕，尤其是銅線的腐蝕。

0引言

在半導(dǎo)體器件封裝行業(yè)中，鍵合芯片與引線框架之間的原材料通常使用含金量為 99.99%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的金線，但采用金線鍵合存在一定問題：高溫條件下，Au 容易與芯片電極上的 Al 反應(yīng)，產(chǎn)生脆性的金屬間化合物，使得鍵合焊點(diǎn)在有振動(dòng)或者彎曲的情況下容易發(fā)生斷裂。此外，金線鍵合在老化過程中界面往往會(huì)形成柯肯德爾空洞及裂紋，影響鍵合可靠性。金線成本高更是眾多制造商不得不考慮的問題。

和金線相比，采用銅線鍵合的最大優(yōu)點(diǎn)就是成本降低，其成本相對(duì)于金線至少降低 50%。銅線鍵合不僅具備價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，在力學(xué)、電學(xué)及熱學(xué)方面還具有顯著優(yōu)點(diǎn)：銅線具有高的破斷力及伸長(zhǎng)率，鍵合時(shí)成弧性好，一致性好且無(wú)塌絲現(xiàn)象；Cu 的電導(dǎo)率比 Au 和 Al 高，寄生電容小，更適用于現(xiàn)代高速、高密度的電子封裝；另外，銅線的熔斷電流和抗電遷移性能比金線高，且導(dǎo)熱性能優(yōu)于 Au 和 Al，能夠獲得更好的散熱性能，從而提高芯片可靠性。

隨著半導(dǎo)體工業(yè)綠色環(huán)保封裝意識(shí)的不斷增強(qiáng)，引線框架無(wú)鉛化已成為當(dāng)前和未來(lái)的發(fā)展趨

勢(shì)。實(shí)現(xiàn)引線框架可焊性鍍層無(wú)鉛化的一個(gè)主流方向 是采 用多 層預(yù) 鍍框 架（ Pre-PlatedFrame，PPF），這是一種在電鍍過程中一次性完成內(nèi)腿引線鍵合鍍層和外腿可焊性鍍層表面處理的特殊引線框架。常用的 PPF 是在銅基底表面先預(yù)鍍一層Ni，再鍍上貴金屬材料加以保護(hù)。貴金屬除了Pd、Pt，就是 Au、Ag，當(dāng)前有三層和四層結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示，鎳鈀金（Ni-Pd-Au）和鎳鈀銀金（Ni-Pd-Ag-Au）。PPF 工藝由于免除了后純錫電鍍的一些工序，為半導(dǎo)體制造商帶來(lái)簡(jiǎn)化 IC 裝配流程的優(yōu)勢(shì)，從而節(jié)省了大量的投資和縮短了制造周期。這種預(yù)鍍框架具有生產(chǎn)效率高、成本較低、耐高溫性、無(wú)晶須生成等優(yōu)點(diǎn)。Lin[6] 、Bui [7]等對(duì) PPF的力學(xué)性能和可焊性進(jìn)行研究，分析不同鍍層厚度表現(xiàn)出不同抗沖擊強(qiáng)度和與 SnAgCu 焊料之間的潤(rùn)濕性。Yoon[8]等評(píng)價(jià)焊料在 PPF 表面的界面作用和金屬間化合物生長(zhǎng)。

預(yù)鍍框架特別是 4 層的 PPF（Ni/Pd/Ag/Au）相對(duì)于 3 層結(jié)構(gòu)（Ni/Pd/Au）更容易與 Cl、S 等元素發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生變色、腐蝕。很多金屬，包括 Ag、Pb、Sn、Cu、Ni 等金屬在絕緣體（如玻璃、陶瓷、樹脂）表面都會(huì)發(fā)生金屬沿表面遷移現(xiàn)象，在使用銀鍍層的引線框架時(shí)，Ag 遷移可發(fā)生在引腳之間的模封體環(huán)氧樹脂內(nèi)，導(dǎo)致相鄰引腳漏電或者短路。PPF 工藝有化學(xué)鍍和電鍍之分，其中化學(xué)鍍鎳鈀金 （ ElectrolessNickelImmersionPalladiumandImmersionGold，ENIPIG）表面處理工藝被人們重視并被廣泛研究[9] 。ENIPIG 工藝流程：除油→微蝕→預(yù)浸→活化→后浸→化鎳→化鈀→化金[10] 。在化學(xué)鍍和電鍍過程中，使用到各種化學(xué)劑，包括活化劑、微蝕劑等，對(duì)于鍍液中雜質(zhì)含量要求相當(dāng)嚴(yán)格，不能有雜質(zhì)金屬積累。在電鍍和化學(xué)鍍過程中，對(duì)于框架的清洗和烘干均是關(guān)鍵工藝，因?yàn)殡s質(zhì)積累、鍍液滯留和水膜形成會(huì)在應(yīng)用過程中引入使用可靠性的問題。

因此，基于預(yù)鍍框架的銅線鍵合可靠性成為眾多半導(dǎo)體封裝廠重點(diǎn)關(guān)注和研究的課題。

1失效分析

2 個(gè)失效樣品是 SOIC（SmallOutline）封裝，電測(cè)試所有管腳 I–U 曲線存在開路異常。SOIC 采用 PPF 引線框架（Ni-Pd-Ag-Au）的銅線鍵合工藝。

1.1分層分析

超聲掃描檢測(cè)（SAM）2 個(gè)樣品的芯片表面與模封體無(wú)分層，第二鍵合框架與模封體之間存在分層，如圖 2 所示。

1.2開封和形貌檢查

樣品 1 采用激光開封去除模封體，將第二焊點(diǎn)及框架裸露出來(lái)。整個(gè)分析過程沒有使用任何化學(xué)品，光學(xué)和掃描電子顯微鏡（SEM）檢查發(fā)現(xiàn)8 個(gè)“魚尾”，即第二焊點(diǎn)消失，留有鍵合印跡，魚尾周邊的框架表面因激光燒融表現(xiàn)不平整（圖 3），且在鍍層框架鍵合處檢測(cè)到 Cl 元素。

樣品 2 進(jìn)行橫截面分析，光學(xué)檢查銅線與鍍層框架已明顯分離（圖 4），同時(shí)在殘留的銅線和引線框架界面檢測(cè)到 Cl 元素（圖 5）。

根據(jù)所述失效分析結(jié)果，推斷產(chǎn)品失效機(jī)理是銅線鍵合的電化學(xué)腐蝕，Cl 是參與反應(yīng)過程的異常元素，引起鍵合界面金屬腐蝕而導(dǎo)致開路。

2機(jī)理論證

2.1失效機(jī)理

電化學(xué)反應(yīng)是指不純的金屬跟電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，發(fā)生原電池反應(yīng)產(chǎn)生腐蝕。如圖 6 所示，當(dāng)溶液為中性時(shí)，陰極發(fā)生吸氧還原反應(yīng)，陽(yáng)極是活潑金屬，電極電位低于氧，失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，受到腐蝕。

腐蝕反應(yīng)速率與相對(duì)濕度密切相關(guān)，根據(jù)水分參與程度分為濕腐蝕和干腐蝕。在相對(duì)濕度還相當(dāng)?shù)蜁r(shí)，金屬表面吸附水分形成薄的一層水膜還難以形成有效的離子傳遞，遷移速率低不足以使金屬表面的電化學(xué)腐蝕順利進(jìn)行；當(dāng)相對(duì)濕度增大，使金屬表面的水膜增加到一定厚度時(shí)，電化學(xué)腐蝕速率會(huì)突然上升，此時(shí)的相對(duì)濕度為臨界相對(duì)濕度。

濕腐蝕的水分含量高，在金屬表面形成了一層電解質(zhì)溶液，不同金屬因?yàn)榛钚圆町?，在電位差作用下，陰極產(chǎn)生更多的陰離子，促進(jìn)金屬陽(yáng)離子的表面遷移，加速活潑金屬的氧化反應(yīng)，圖 7 描述了在濕腐蝕下的離子遷移。濕腐蝕發(fā)生所需激活能很低，約 0.3eV。干腐蝕因離子的表面遷移速率低，所需的激活能高，約 0.7~0.8eV[9] 。

大氣中除空氣與水氣以外，還含有各種污染雜質(zhì)及腐蝕性污染物，通常情況下金屬表面上凝結(jié)的水膜并非純水，即使它們?cè)诳諝庵泻肯喈?dāng)小，但溶于水中的濃度仍是相當(dāng)可觀的。當(dāng)發(fā)生濕腐蝕時(shí)，Cl 的參與不僅可以與多種金屬反應(yīng)，而且 Cl－ 將破壞金屬表面的鈍化膜，降低金屬的臨界相對(duì)濕度，促進(jìn)電化學(xué)腐蝕的發(fā)生。電化學(xué)腐蝕對(duì)分層擴(kuò)展有極大的促進(jìn)作用[12] ，分層與腐蝕之間存在相互影響，相互促進(jìn)。除了濕度，溫度也以各種方式影響濕腐蝕。若溶液中某種重要的腐蝕元素限制了其溶解性，則溫度可以改變腐蝕元素的濃度，影響腐蝕速度[13] 。

2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

探討相對(duì)濕度對(duì)電化學(xué)反應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表 1 所示。

配制不同 Cl－ 濃度的鹽酸溶液，將其涂在引線框架的第二焊點(diǎn)鍵合處，待自然烘干后進(jìn)入正常的 SOIC 制造封裝流程，對(duì)成品進(jìn)行 HTS、THS 環(huán)境試驗(yàn)。

2.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

表 2 為 HTS、THS 環(huán)境試驗(yàn)的結(jié)果。每組試驗(yàn)為20 粒樣品，經(jīng)過500h 后進(jìn)行ATE（Automotive TestingEquipment，自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備）測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其中 1 粒表現(xiàn)出阻值超差，剩余樣品繼續(xù)試驗(yàn)進(jìn)行至 1000、2000h，試驗(yàn)樣品的電性能測(cè)試均合格。

在高溫高濕儲(chǔ)存試驗(yàn) THS 進(jìn)行 500h 后，對(duì)出現(xiàn)失效的 1 粒 B 組樣品進(jìn)行分析。

激光開封觀察 8 個(gè)管腳的第二鍵合點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)有直徑約 1.0μm 的孔。使用 FIB（FocusIonBeam，聚焦離子束）橫向切割小孔，發(fā)現(xiàn)鍵合界面存在空洞，Cl 不僅腐蝕銅線，同時(shí)極易與預(yù)鍍框架的鍍層 Ag 發(fā)生反應(yīng)，在水分作用下，Cu 與引線框架的金屬鍍層之間發(fā)生原電池反應(yīng)，隨著試驗(yàn)時(shí)間加長(zhǎng)，活潑金屬 Cu 發(fā)生氧化反應(yīng)，腐蝕不斷擴(kuò)展，并穿透至銅線焊點(diǎn)魚尾表面，如圖 8 所示。

從 A 組的高溫儲(chǔ)存試驗(yàn) HTS 和高溫高濕儲(chǔ)存試驗(yàn) THS 各隨機(jī)抽取 5 粒樣品進(jìn)行激光開封，并采用 SEM 觀察 40 個(gè)第二焊點(diǎn)的形貌，發(fā)現(xiàn)：高溫試驗(yàn) HTS 中 2 個(gè)第二焊點(diǎn)表面出現(xiàn)腐蝕異常，而高溫高濕試驗(yàn) THS 中有 4 個(gè)第二焊點(diǎn)出現(xiàn)腐蝕（表 3）。并選取其中嚴(yán)重的焊點(diǎn)進(jìn)行 FIB 截面分析，如圖 9 所示。HTS 試驗(yàn)后的 1 粒樣品第二焊點(diǎn)內(nèi)形成的空洞橫向長(zhǎng)度為 2.3μm，THS 的第二焊點(diǎn)的腐蝕較 HTS 發(fā)生的干腐蝕更嚴(yán)重，空洞長(zhǎng)達(dá) 8.0μm。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，干腐蝕和濕腐蝕的程度存在差異，高濕度在一定程度上促進(jìn)了電化學(xué)反應(yīng)，加快了腐蝕速率。

對(duì) D 組的高溫高濕儲(chǔ)存試驗(yàn) THS 的 5 粒樣品進(jìn)行激光開封，采用 SEM 觀察 40 個(gè)管腳形貌，發(fā)現(xiàn) 9 個(gè)出現(xiàn)腐蝕。FIB 分析鍵合界面存在明顯的間隙，且腐蝕空洞完全穿透第二焊點(diǎn)至表面，如圖 10 所示。高濕度和 Cl－ 濃度進(jìn)一步加速金屬界面的腐蝕，尤其是對(duì)銅線的腐蝕。

當(dāng)集成電路工作于高溫高濕環(huán)境中時(shí)，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕包含陽(yáng)極腐蝕和陰極腐蝕。Cu 是正電性金屬，發(fā)生如下氧化還原反應(yīng)：

當(dāng) Cu→Cu2+ +2e ? 時(shí)，Cu 的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為+0.337V，因此 Cu 在非氧化性酸中不會(huì)發(fā)生析氫反應(yīng)，它在發(fā)生腐蝕作用時(shí)主要是靠 O 的去極化作用，而且鈍化能力很小。因此，Cu 及其合金的腐蝕速率受到 O 供給速率的影響[14] 。

當(dāng)處于酸性環(huán)境時(shí)，存在的 Cl－ 等雜質(zhì)離子使腐蝕速率加快。

通過其他對(duì) Cu 及其合金在含 Cl 元素的腐蝕機(jī)理的廣泛研究，發(fā)現(xiàn) Cl－ 對(duì)于 Cu 的腐蝕失效有很強(qiáng)的影響[14] 。在預(yù)鍍框架銅線鍵合界面，銅線腐蝕明顯。

3結(jié)論和建議

1）不同濕度和 Cl－ 濃度對(duì)預(yù)鍍框架銅線鍵合界面的腐蝕有顯著影響。在不含 Cl－ 的低濕度環(huán)境下，電化學(xué)反應(yīng)速率緩慢，且銅線腐蝕發(fā)生比例低；在不含 Cl－ 的高濕度環(huán)境下，銅線腐蝕比例成倍增長(zhǎng)，與含有 Cl－ 的低濕環(huán)境下的腐蝕發(fā)生比例相近；在含有 Cl－ 的高濕環(huán)境下，電化學(xué)反應(yīng)速率則大大增加，銅線和框架的腐蝕嚴(yán)重程度與比例最為突出。高濕度和 Cl－ 濃度加速金屬界面的腐蝕，尤其是對(duì)銅線的腐蝕。

2）由于產(chǎn)品的非密封性封裝，框架與模封體分層和封裝環(huán)氧樹脂的吸濕性會(huì)誘導(dǎo)潮氣的滲透，導(dǎo)致內(nèi)部濕度增加。對(duì)模封體原材料進(jìn)行二次離子質(zhì)譜分析可檢測(cè)到 Cl 元素。對(duì)此，可考慮低吸濕性和高純度樹脂，減少其中所含的 Na+ 、Cl－ 等有害雜質(zhì) [15] ，選用無(wú)鹵素的綠色環(huán)氧樹脂。

3）腐蝕是半導(dǎo)體產(chǎn)品線鍵合在使用過程中存在的主要失效類型之一，潛伏期長(zhǎng)，而且難以通過可靠性環(huán)境試驗(yàn)篩選和發(fā)現(xiàn)。樣品經(jīng)過 2000h的常規(guī)雙 85 高溫高濕試驗(yàn)（不含 Cl 元素）后，電性能測(cè)試合格，根據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)收要求。然而，對(duì)試驗(yàn)后的樣品經(jīng)過破壞性物理分析，發(fā)現(xiàn)在第二鍵合點(diǎn)界面已經(jīng)發(fā)生腐蝕和形成空洞。當(dāng)選用常規(guī)雙 85 高溫高濕試驗(yàn)進(jìn)行腐蝕失效機(jī)理分析和可靠性評(píng)估時(shí)，需要對(duì)金屬界面系統(tǒng)做進(jìn)一步觀察分析。