引线键合铜球可变形性在线测量及Cu/Al界面反应研究

摘要

快速检测铜丝可变形能力、提高铜球可变形性和铜丝热影响区(HeatAffectedZone,HAZ)拉伸强度以及系统研究Cu/Al键合点可靠性问题是铜丝球焊技术应用和发展的关键。本文建立了一种新型、快速、高效的在线测量方法来评估铜丝以及铜球可变形性和铜丝HAZ最大拉伸载荷，并采用该方法研究了不同烧球电流对铜球可变形性、铜丝HAZ最大拉伸载荷的影响。研究了烧球工艺参数对铜球成形质量的影响，对铜球的冷却凝固过程进行了描述。对Cu/Al键合点进行高温老化实验，系统研究了Cu/Al键合界面处金属间化合物(Inter-metallicCompounds,IMC)以及裂纹的生长演变机制，并对IMC成分进行了解析。
　　在线测量方法对测试环境敏感，金属丝型号、基板类型、劈刀类型等会对在线测量结果产生明显影响，因此在比较不同金属丝样品以及它们对应金属球的可变形性过程中，基板类型、基板温度、劈刀类型以及劈刀的装夹位置须保持一致。在线测量结果表明可变形性高的铜丝未必能生成可变形性高的铜球。
　　烧球工艺参数对铜球可变形性、铜丝HAZ影响的研究结果表明大烧球电流配合短烧球时间可以提高铜球可变形性，有效降低键合过程中所必需的变形压力；能获得最大拉伸载荷更高、长度更短的HAZ，有利于小外形封装场合中的应用。烧球电流为250mA时的铜球经0.6N压力变形后的球高比45mA下的小14％，铜球整体可变形性高出7-8%。250mA下的铜丝HAZ最大拉伸载荷比45mA下的高7.5-9.4%，HAZ长度短22.45%。
　　针对于直径为50.8μm的铜丝，当烧球电流在120mA以上、直径设定值为101.6μm时，铜球在直径、圆度、对称度以及表面质量等几个方面表现最佳。尾丝与打火杆距离(ElectrodeandWireDistance,EWD)为0μm时烧球质量最佳。保护气体流量为0.8l/min时烧球质量最佳，过大保护气体流量将会降低烧球效率。
　　铜球主要由几个大尺寸柱状晶粒组成。凝固过程开始后，柱状晶粒基于未熔铜丝末端部分晶粒同质外延生长并以辐射状向铜球周围延伸。各柱状晶晶向略有不同，决定柱状晶晶向的主要因素为铜球内部热传递方向。冷却凝固过程中铜球内部热量散失的主要途径为热传导。
　　可靠性研究结果表明在新形成的Cu/Al键合界面处没有发现IMC。高温老化1小时后键合点边缘区域开始出现Cu/AlIMC。IMC的生长速度随着老化时间的延长而不断下降，IMC层不断横向及纵向生长并延伸至键合点中心位置。在IMC出现之后，IMC层与铜球之间出现了孔洞，萌生位置也为键合点的边缘。随着IMC层的生长孔洞向键合点中心扩展。老化时间超过81小时后，在IMC层与铜球之间形成了贯穿的裂纹，此时IMC停止生长。Cu/Al键合界面间IMC的生长机制为扩散控制反应，其生长行为符合抛物线规律。IMC层主要由三种不同的相组成，分别为CuAl、CuAl2和Cu9Al4，其中CuAl的生成量相对较少。

目录

引线键合铜球可变形性在线测量及Cu/Al界面反应研究

ON-LINE MEASUREMENT OF CU FAB DEFORMABILITY IN THERMOSONIC WIRE BONDING AND INTERFACIAL REACTION STUDY OF CU/AL

摘 要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 选题意义

1.2 微电子封装互连技术简介

1.3 丝球焊技术研究现状

1.3.1金丝球焊和铝丝球焊技术研究现状

1.3.2铜丝球焊技术研究现状

1.4本文研究内容

第2章 铜球可变形性在线测量方法

2.1引言

2.2在线测量方法的建立

2.3在线测量方法影响因素考察

2.3.1金属丝、基板、测量温度和劈刀的选择

2.3.2键合工艺参数和变形压力的选择

2.3.3变形速率的确定

2.3.4基板温度、基板类型以及键合工具对在线测量的影响

2.3.5无金属丝或金属球在线测量

2.4在线测量方法的应用

2.5本章小结

第3章 烧球电流对铜球可变形性及HAZ最大拉伸载荷的影响

3.1引言

3.2实验准备

3.3可变形性测量方法改进及HAZ拉伸载荷在线测量方法

3.3.1可变形性在线测量方法的改进

3.3.2 HAZ拉伸载荷在线测量方法

3.4烧球电流对铜球可变形性的影响

3.5烧球电流对HAZ最大拉伸载荷的影响

3.6烧球电流对HAZ长度的影响

3.7本章小结

第4章 铜丝烧球工艺参数优化及铜球凝固过程温度场分析

4.1引言

4.2实验材料和方法

4.3烧球工艺参数对铜球质量的影响

4.3.1烧球电流

4.3.2铜球直径设定值

4.3.3打火杆与尾丝距离

4.3.4保护气体流量

4.4铜球凝固过程分析

4.4.1铜球内部组织分析

4.4.2铜球凝固过程数值分析

4.4.3铜球键合点内部组织分析

4.5本章小结

第5章 250 °C老化条件下Cu/Al界面金属间化合物生长行为及裂纹扩展

5.1引言

5.2实验材料和方法

5.3Cu/Al IMC及裂纹生长机理

5.3.1Cu/Al IMC和裂纹生长演变过程

5.3.2 Cu/Al IMC和裂纹生长速度

5.3.3 Cu/Al?IMC层相分析

5.3.4 Cu/Al?IMC层及裂纹生长机理分析

5.4本章小结

参考文献

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢