電子構裝用新合金金線材料的可靠度研究(II)Reliabiliaty study of new alloy Au wire in IC package

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

電子構裝用新合金金線材料的可靠度研究(II)

中 華 民 國 93 年 10 月 12 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

電子構裝用新合金金線材料的可靠度研究(II)

此次研究藉由高溫時效，探討材料在高溫情況下，Au wire 與 Al pad 接合的可靠度 (reliability)。亦藉由高溫時效處理，研究材料的擴散行為與封裝樹脂及電流效應對可靠度之 影響及期望找出試片在高溫環境下接合的失敗緣由，使元件在 wire bond 製程方面更臻完美。 為確實評估各項參數對接合部位可靠度的影響，此次研究廠商提供了一批 IC 試片，利用這些 試片做不同溫度的時效處理及電阻量測，進一步做真空熱處理及濕氣熱處理等不同熱處理環 境的研究，如此一來將可以對半導體封裝有更深入之探討。 關鍵字：金鋁微接點、電子構裝可靠度 Abstract

This is the new wire evaluation work for the reliability of the wire-bonding process. These samples were aging at 175℃ and 205℃ under air from 0 hour to 1000 hours. According to this study, there are intermetallics Au5Al2, Au4Al, Au2Al and AuAl2 to produce in the wire-bond interface. Then,

Au5Al2 phase transformed to Au4Al. And Au4Al become the major phase. In addition, we measure

the resistance of the devices. Furthermore put the sample into different heat treatment environments, such as vacuum heat treatment and moisture heat treatment. And further investigate the intermetallic phase transformation and crack growth.

Key words: Wire bonding, reliability

二、前言 現今的接合技術由於考慮到成本及技術 成熟度，故使用金線(gold-wire)接合在晶片鋁 墊(Al pad)是最廣泛的打線接合技術。接合強 度對 IC 產品良率有很大的影響。其中只要一 個微接點損壞，將導致晶片功能失效，輕者造 成電器設備部份功能喪失，嚴重者完全無法運 作，浪費許多資源，這可能使該電子產品的整 體形象受到損失，影響層面甚廣，故提高電子 構裝可靠度是勢在必行的。與半導體封裝可靠 度相關的故障機制，可概分為三大類：1.高溫 劣化，2.熱及機械應力造成之故障機制，3.濕 氣及熱/機械應力造成之故障機制。本研究著 重於高溫劣化分析及電性探討。 三、實驗原理 目前最常被使用的微接點材料為 Au-wire 與 Al-pad 接合[1-4]， 微接點的製程是經由打 線機(wire bonder)利用高溫摩擦焊接的原理， 進 行 Au-wire 和 Al-pad 的 接 合 [1-2,5] 。

Au-wire 與 Al-pad 間在經過長時間的高溫時效 處 理 後 會 因 Au-Al 間 介 金 屬 化 合 物 (Intermetallic compound) 的 成 長 而 導 致 破 壞 [2-4]。由 Au-Al 之二元相圖中可發現 Al 與 Au 二 元 系 統 可 形 成 五 種 Intermetallic phases (AuAl2、AuAl、Au2Al、Au5Al2(Au8Al3)、Au4Al)

[2,6]在足夠的溫度下，這些 phases 在 wire bonding 過程中會連續的長成或消長。介金屬 的長期退化(degradation)，文獻上提及兩種機 制：一種為化學活性元素(如鹵化物)出現在濕 氣(moisture)的環境下對介金屬化合物的腐蝕 (corrosion)行為[4,7]，一種為介金屬化合物成 長過程中 Kirkendall voids 的形成演化[4]。另 外仍有許多不同形式的 voids 存在於此系統之 內，其中包含了(1)在 Au 與 Au4Al 介面上的

Continue voids (2)於 SiO2表面上的 Layer voids

(3)於 ball-bond 邊緣的 Crack 與 Annular voids (4)ball-bond 外圍的 peripheral voids [3,6]。而 這些 voids 的產生，均會造成 wire bonding 的 退化，最後並形成一完整的 crack 導致 Au-wire 與 Al-pad 完全分離而失效。 四、實驗方法 此 次 研 究 利 用 廠 商 為 我 們 準 備 的 試 片，依添加微量元素的不同分為 B(F1)、C(S2) 兩種，以下便為這兩種試片處理作簡略的說 明： 1、直接將 B、C 兩種試片分別置入 175℃ 及 205℃的高溫爐作 0∼1000 hr 的時效處 理。先對試片做失效觀察。 2、高溫電阻部份，試片均做五隻接腳的電 性量測，將試片通與電流 40mA，再置入 175℃高溫爐作時效處理，測其高溫電阻值。 3、真空時效處理是將試片直接放入 175℃ 高溫爐做時效處理。可以和非真空試片做一 比較。 4、真空前處理 100 小時後，將試片置入 175 ℃及 205℃高溫爐做時效處理，觀察熱處理 環境對失效的影響。 5、溼度前處理 100 小時後，將試片置入 205 ℃高溫爐做時效處理，觀察熱處理環境對失 效的影響。 五、結果與討論 5-1 金鋁微接點之相變化 此次實驗中，可以明顯觀察到 Au-wire 與 Al-pad 接合處，其經時效熱處理後的介金屬 化合物層相變化，就如同前研究者的反應一 樣，如圖 1 所示，一開始是先出現 Au5Al2 phase，而後會在 Au5Al2 phase 上方生成 Au4Al 相，漸漸消耗 Au5Al2 phase 完全轉成 Au4Al phase，因為 Au 擴散至 Au5Al2的速度比 Al 擴 散 至 Au 的 速 度 快 上 許 多 ， 因 而 產 生 Kirkendall effect，並在界面的 Au-rich 側造成 許多的 Kirkendall voids，除了 Au 與 Au5Al2

界面上的 voids 外，另外仍有許多不同形式的 voids 存在於此系統之內。而這些 voids 的產 生，均會造成 wire bonding 的退化，最後並形 成一完整的 crack 導致 Au-wire 與 Al-pad 完全 分離而失效。 在 Au-rich 側反應機制如下： 1. Au + Al àAu4Al 在 intermetallic 反應機制如下： 1. 4 Au5Al2 à 5Au4Al + 3Al 2. 3Au + Au5Al2 à 2Au4Al 當 Au4Al phase 成長到一定程度後會出現

crack，當 crack 成長擴大到令 Au-wire 與介金 屬化合物層脫離時，此接腳失效，失效後的接 腳繼續熱處理，由於 Au 原子無法繼續提供反 應，而接合邊緣的 Al 原子不斷的向內反應使 整個中心區域的相變化持續發生，再生成 Au5Al2 phase，一段時間後會漸漸生成 Au2Al phase。

5-2 熱處理環境對金鋁微接點之影響 由圖 2 的結果，正常熱處理 175℃與真 空熱處理 175℃相比較，其 intermetallic 相的 變化大致上相同，且都是層狀生長，在真空狀 態下 minute voids 的生成明顯比正常熱處理來 的少，且在 500 小時時效的時候比較出兩者 crack 的生長速度，可以知道熱處理環境對金 鋁微接點會有很大的影響，真空 VT175B 的試 片在 700 小時以後才失效，而 T175B 卻在約 500 小時失效，這可以說明真空會抑制 crack 的生長，使接腳的壽命延長。 5-3 熱處理環境對金鋁微接點之影響 1. 由圖 3 可以比較不同熱處理環境對金 鋁微接點的影響，其相變化的大致相同，正常 熱處理約在 500 小時後失效，而真空前處理與 真空熱處理的試片壽命都比正常熱處理還來 的長，且做真空熱處理的步驟的確可以使 crack 的生長速度減緩且寬度縮小，只要做真 空前處理就可以提高接腳壽命，可能是因為真 空狀態下可以將封裝樹脂內的髒東西抽離，促 使與 crack 的反應便少，而減緩生長速率。而 B 與 C wire 的結果一樣，更可以證明真空環 境對金鋁微接點的壽命有益。 2. 由圖 4 可以知道在 205℃下不同熱處 理環境對金鋁微接點的影響，C wire 在三種環 境下相的變化大致相同且都失效，以在濕氣前 處理環境下的最為嚴重，出現鬆散組織，說明 濕 氣 會 加 速 crack 生 成 且 持 續 消 耗 掉 intermetallic，使 intermetallic 潰爛，而真空前 處理還是可以抑制 crack 的生長，且不會出現 鬆散組織。但 C wire 在正常熱處理與濕氣前 處理 150 小時就已經出現鬆散組織，而真空前 處理在 1000 小時也未曾出現過鬆散組織，更 可以說明抽真空可以大幅改善在高溫狀態下 接腳的狀態，可以使封裝樹脂中的雜質抽離接 腳，但在高溫狀態三者環境的接腳壽命依然相 同短暫，約在 150 小時就已經失效。 5-4 電阻與金鋁微接點 morphology 之相互關 係 1. 由圖 5 可知，B wire T175℃在電阻測 量初期至末期的 morphology BEI 顯微組織與 相變化，其電阻與 morphology 的相互對照是 大約一致的，在 8 小時到 300 小時其電阻變化 不大而 intermetallic 從 Au5Al2 phase 轉 成

Au4Al phase，只有少許 minute voids 且 crack

尚未生成，經熱處理 300 小時後因為 minute voids 的快速生成，使電阻急速上升，由 400 小時的可以明顯看出，雖然接腳的 crack 尚未 完全接合，也尚未剝離，但電阻已經上升到接 近失效的程度，也就是說當 minute voids 大量 生成或 crack 出現但尚未接合時，此接腳幾乎 已經是失效的了，而非是在 Au-wire 與介金屬 化合物層脫離時。 2. 由圖 6 可知，B wire T205℃在電阻測 量初期至末期的 morphology BEI 顯微組織與 相變化，其電阻與 morphology 的相互對照是 大約一致的，在經熱處理時效 1 小時到 30 小 時其電阻變化不大而 intermetallic 從 Au5Al2

phase 轉成 Au4Al phase，只有少許 minute voids

且 crack 尚未生成，經熱處理 30 小時後因為 crack 的快速生成，使電阻急速上升，其電阻 測量結果在時效接近 40 小時就已經達到失效 程度，由 60 小時的 morphology 可以明顯看 出，此接腳確定已經失效。 六、結論 1. Au-wire 與 Al-pad 接合所形成的微接點， 在經過 175℃時效處理後，前後共出現 Au5Al2、 Au4Al 、 Au2Al 、 AuAl2 等 四 種 phase，在初期 Au5Al2 是主要的相，但隨 反應進行，Al 原子逐漸被耗盡，Au5Al2 轉換成 Au4Al phase，當 Au5Al2轉變成為

Au4Al 的過程中，在 Au 與 Au5Al2的界面

(interface)上，因為 Au 擴散至 Au5Al2的速

度比 Al 擴散至 Au 的速度快上許多，因而 產生 Kirkendall effect，並在界面的 Au-rich 側造成許多的 Kirkendall voids。 2. 在經 205℃時效熱處理，intermetallic 的變 化會較 175℃來得快，此為加速 Kirkendall effect 的結果，且在失效後容易出現鬆散 組織。 3. 正常熱處理與真空熱處理的相變化速率大 致相同。且真空熱處理可以抑制 crack 生 成使真空狀態下接腳的壽命會比在正常狀 態下還來的長。而真空前處理也可以達到 抑制 crack 生成的效果。B、C wire 的結果 相同。 4. 在 205℃下，預抽真空的接腳不會出現鬆 散組織且壽命會比較長。但做濕氣前處理 的接腳在失效後容易生成鬆散組織。B 與 C wire 的結果相同。 5. 由電阻測量結果與 morphology 交叉比較 結果，可以發現在 minute voids 大量生長 的時候，電阻就會快速上升，此接腳應該 已經失效。 七、參考文獻

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圖 1 金鋁微接點之相變化示意圖 圖 2 B 試片在 T175℃與 VT175℃之 BEI 顯微影像比較 圖 3 B 試片在 175℃不同熱處理環境之顯微影像比較 圖 4 C 試片在 205℃不同熱處理環境之顯微影像比較 圖 5 B 試片在 175℃下電阻變化與 BEI 顯微影像分析 圖 6 B 試片在 205℃下電阻變化與 BEI 顯微影像分析