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铜及钯包覆铜引线键合界面结构演变的原位实验研究

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铜及钯包覆铜引线键合界面结构演变的原位实验研究

作者：杨庆龄东南大学

学位级别：硕士

在摩尔定律的驱使下,半导体器件的特征尺寸越来越小、芯片集成密度越来越高。在该趋势下,芯片级互连结构尺寸不断缩小、密度不断增加,芯片中互连键合的可靠性等问题开始日益突出。在构建芯片互连结构的材料中,铜线因其价格便宜、电导高... 详细信息

在摩尔定律的驱使下,半导体器件的特征尺寸越来越小、芯片集成密度越来越高。在该趋势下,芯片级互连结构尺寸不断缩小、密度不断增加,芯片中互连键合的可靠性等问题开始日益突出。在构建芯片互连结构的材料中,铜线因其价格便宜、电导高、热导率高、机械性能强等优势,是公认可替代传统互连金线的材料。然而,纯铜易氧化、硬度高等缺点一定程度上限制了它的广泛应用。为了解决该缺陷,半导体产业界近年来尝试引进钯包覆铜(palladium-coated copper,简称PCC)来代替铜线,用以克服纯铜易氧化的问题。然而,由于芯片后续封装工艺中需经受高温退火等处理步骤,并且某些芯片在未来服役中会承受高温环境,而退火处理和高温环境均可能导致键合界面结构发生变化,因而,深入研究铜基引线键合结构在高温条件下的可靠性和结构演化是一个重要课题。目前,无论是纯铜引线键合还是PCC引线键合,在退火处理过程中其界面微观结构演变的机理都尚不清楚。特别是PCC引线键合中Pd元素的扩散行为和大量空洞的形成等机制,都没有获得清楚的理论解释。透射电子显微镜拥有较高的空间分辨率和能量分辨率,搭载快速相机,透射电子显微镜还可以实时观察材料结构的动态演化。通过结合多功能样品杆(对样品进行多外场负载、力电性能测试等),透射电子显微镜还可以对材料实现原位处理和同步观测。因而,原位透射电子显微技术是研究互连结构界面在多种处理环境中结构演化过程和机制的先进方法。本课题通过聚焦离子束显微镜在铜引线键合和PCC引线键合块材中制备了厚度小于100 nm、适合透射电镜观测的样品,通过原位透射电子显微技术研究了上述不同引线键合体系在原位退火条件下的结构演变。主要得到了以下结论：1、铜引线键合界面原位退火实验研究：(1)界面结构演变的成分分析。退火前颗粒状的Cu-Al金属间化合物(intermetallic compound,简称IMC)分布在键合界面,主要成分为Cu9Al4,次要成分为CuAl2。50～220℃下退火处理24小时后,Cu-Al IMC的成分是：靠近Cu一端为Cu9Al4,远离Cu的一端为CuAl2。(2)IMC反应速率计算。基于原位观测Cu-Al IMC的动态生长过程,计算得到了Cu-Al IMC不同温度下的反应速率和激活能,修正了Cu-Al IMC生长公式。(3)热可靠性分析。Cu-Al引线键合界面由于键合之前Al焊盘表面被氧化,在Cu-Al引线键合界面存在一层氧化铝,导致退火处理后键合界面处空洞的产生。空洞的形成降低了键合强度并增加了接触电阻,成为铜引线键合热失效点。同时,在50～220℃下退火24个小时后,Cu-Al IMC层中没有形成空洞。2、钯包覆铜引线键合界面原位退火实验研究：(1)界面结构演变的成分分析。退火前颗粒状的Cu-Al IMC分布在键合界面,成分为Cu9Al4。250℃下退火15个小时后Cu-Al IMC的成分是,靠近Cu一端为Cu9Al4,另一端为CuAl2,该结果与铜引线键合原位退火实验研究一致。同时,在IMC层中没有探测到Pd原子信号,因而认为Pd原子不参与键合界面IMC的形成。(2)热可靠性分析。250℃下退火15个小时后,铜层中形成了一个直径约3μm的空洞。分析认为,PCC引线键合由于外层100～200 nm厚的Pd层的存在,在形成铜球(free air ball,简称FAB)的过程中形成了多种铜晶粒。晶粒的连接处晶体的缺陷比较多,在高温下金属更容易融化和扩散。这导致了退火条件下PCC引线键合中大量空洞的形成,降低了PCC引线键合的热可靠性。本论文认为,尽管PCC引线键合可以有效地解决铜易氧化的缺陷,却引入了新的缺陷。本论文研究了铜及钯包覆铜键合结构在退火条件下的成分相和结构演化,所获得的研究结果对优化铜及钯包覆铜引线键合工艺和提高芯片封装引线可靠性具有一定的指导意义。

关键词：铜引线键合钯包覆铜生长公式原位透射电子显微学

基于全铜工艺的750A/6500V高性能IGBT模块

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电工技术学报 2020年第21期35卷 4501-4510页

作者：刘国友罗海辉张鸿鑫王彦刚潘昭海新型功率半导体器件国家重点实验室株洲412001 株洲中车时代电气股份有限公司株洲412001 株洲中车时代半导体有限公司株洲412001

高压大容量IGBT模块内部异质材料热膨胀系数失配是模块疲劳老化失效的主要机理。为了降低模块异质材料间热膨胀系数的差异,提高其功率循环能力与长期运行可靠性,该文提出功率模块采用全铜材料实线电学互连的思路,系统地研究了IGBT芯片... 详细信息

高压大容量IGBT模块内部异质材料热膨胀系数失配是模块疲劳老化失效的主要机理。为了降低模块异质材料间热膨胀系数的差异,提高其功率循环能力与长期运行可靠性,该文提出功率模块采用全铜材料实线电学互连的思路,系统地研究了IGBT芯片铜金属化、铜引线键合与铜母线端子超声焊接等新技术,实现了IGBT功率模块全铜化封装的成套工艺,研发了基于全铜工艺的大容量高性能750A/6500V IGBT模块,首次实现了全铜工艺的高压模块。与传统铝工艺相比,全铜工艺模块不仅使导通损耗降低了10%、浪涌电流能力提升了20%,而且功率循环能力提高了16倍,提升了功率模块的运行韧性与应用可靠性。

关键词：绝缘栅双极型晶体管铜金属化铜引线键合超声焊接

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镀钯铜线键合中FAB表面的钯覆盖

半导体技术 2013年第8期38卷 623-628页

作者：浦浩楠王家楫俞宏坤复旦大学材料科学系上海200433

铜引线键合由于低廉的成本和优良的材料综合性能而受到越来越多的重视,而镀钯铜线较纯铜线的应用更为广泛。其中,自由空气球(FAB)上钯的覆盖情况是需要进行研究的问题之一。由于烧球工艺为瞬态过程,因此在形成FAB后其表面的钯可能会出... 详细信息

铜引线键合由于低廉的成本和优良的材料综合性能而受到越来越多的重视,而镀钯铜线较纯铜线的应用更为广泛。其中,自由空气球(FAB)上钯的覆盖情况是需要进行研究的问题之一。由于烧球工艺为瞬态过程,因此在形成FAB后其表面的钯可能会出现不均匀的分布,后续的塑封环节中低含量的钯区域就会遭受外界的侵蚀,这对焊点的可靠性会有不良的影响。基于此,针对线径20μm镀钯铜线FAB上的钯覆盖区域进行了探究,并采用定制化的化学腐蚀方案来显示FAB上钯膜较厚区域和较薄区域在形貌上的差异。此外还讨论了不同电子火焰熄灭(EFO)工艺参数样品的钯薄弱区形状参数,最后分析了影响FAB表面上钯薄弱区的主要工艺因素,得到了相关工艺参数参考值,对后续工艺的可靠性提升有一定的借鉴意义。

关键词：封装铜引线键合镀钯铜线钯覆盖电子火焰熄灭(EFO) 自由空气球 (FAB)

铜引线热超声键合中硅基板应力状态的数值研究

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铜引线热超声键合中硅基板应力状态的数值研究

作者：姜威清华大学

学位级别：硕士

铜引线由于较传统的金引线具有成本低、强度高等优点近年来在集成电路热超声键合领域得到日益关注。制约铜引线大规模应用的主要问题之一是采用铜引线时的硅基板损坏。基板损坏与键合时内部的应力状态紧密相关。影响基板中应力状态的参... 详细信息

铜引线由于较传统的金引线具有成本低、强度高等优点近年来在集成电路热超声键合领域得到日益关注。制约铜引线大规模应用的主要问题之一是采用铜引线时的硅基板损坏。基板损坏与键合时内部的应力状态紧密相关。影响基板中应力状态的参数包括诸多方面，除引线材料外，还包括镀层材料及其厚度、键合工艺参数、芯片结构等。由于引线键合接头的尺寸很小（小于0.1mm），采用实验测试的手段目前很难对其中的应力状态进行研究，因此，本文主要采用有限元分析方法，数值研究铜引线键合技术中硅基板的应力及其影响因素，从而为硅基板损坏问题的解决提供依据。在对热超声键合工艺特点进行分析的基础上建立了“热-力-超声”增量耦合有限元模型，除考虑超声软化和超声振动之外还计入基板温度的影响。计算结果表明键合温度对基板内的应力影响很大。将数值模拟得到的铜球变形结果与实测变形结果进行了比较，两者吻合良好，验证了模型的正确性。采用此模型，对两种不同引线材料（铜和金）的热超声键合过程进行了模拟，计算得到了不同引线条件下硅基板的应力状态，结果表明：采用铜引线进行键合时，硅基板内的最大压应力、最大拉应力和最大剪应力都高于金引线键合，剪应力集中位置都位于接触面边缘，计算结果揭示了铜引线较金引线更容易导致硅基板缺陷的内在原因和机理。同时，数值分析了三种金属镀层（银、铝和镍）以及三种厚度（4、8和16μm）的银镀层条件下硅基板中的应力状态。结果表明：采用铝作为镀层金属时，基板内所受的最大压应力、最大拉应力和最大剪应力均最小，镍镀层的最大拉应力值最大，银镀层的最大剪应力和最大压应力值最大。由于硅基板易受到剪切破坏，因此选用铝作为硅基板镀层有利于减小基板中的应力;随着银镀层厚度的增加，硅基板内最大压应力和最大剪应力都逐渐减小，所以选用较厚的镀层（16μm）对减小基板损坏具有积极意义。以上研究结果可为铜引线热超声键合中硅基板损坏问题的解决提供指导，对铜引线热超声键合技术的大规模工业应用具有一定参考价值。

关键词：铜引线键合镀层参数引线材料应力状态

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键合过程中金属间化合物形成区域的分布研究

电子与封装 2021年第8期21卷 34-47页

作者：刘美王志杰孙志美牛继勇徐艳博恩智浦半导体(中国)有限公司天津300385

近年来,在半导体集成电路封装工艺中,金线逐渐被铜线所取代,以获得更低的制造成本、更优异的电学/热学性能和更高的产品可靠性。然而,由于铜线比金线硬度高且易氧化,使得在焊线工艺中铜铝金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC)没有... 详细信息

近年来,在半导体集成电路封装工艺中,金线逐渐被铜线所取代,以获得更低的制造成本、更优异的电学/热学性能和更高的产品可靠性。然而,由于铜线比金线硬度高且易氧化,使得在焊线工艺中铜铝金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC)没有传统的金铝金属间化合物致密度和覆盖率高,容易对焊盘下方的电路造成机械损伤,而疏松、低覆盖率的金属间化合物又会影响产品的耐氯腐蚀特性和产品可靠性,因此如何优化铜焊线工艺、提高铜铝间金属化合物的致密度和覆盖率变得非常重要。以CMOS 90 nm工艺测试芯片为研究对象,通过SEM、XRD等实验仪器,3D弹塑性耦合有限元分析、实验设计等研究方法,对铜铝金属间化合物的形成机理、相态分布和致密度进行了系统的研究。将焊线过程细分成冲击、成型、摩擦和键合4个阶段,对每个阶段的铜铝金属间化合物的相互作用机理及其关键影响参数进行了有限元分析和实验验证。最终建立了稳健、实用的铜线焊线工艺窗口,实现了高覆盖率、高致密度的铜铝金属间化合物,期间采用的分析方法和手段也为其他半导体芯片焊线工艺参数优化提供了理论和实践的指导。

关键词：铜引线键合金属间化合物冲击力成形力摩擦力键合力