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Cu键合线应用的EMC研究

Cu 键合线应用的 EMC 研究
作者:Toshiro Takeda, Hidetoshi Seki, Shingo Itoh, Shin-ichi Zenbutsu,Sumitomo Bakelite Co., Ltd.

Cu 键合线(Cu 引线)较之 Au 键合线(Au 引线)有一些优点,如电特性、机械强度和导 热性都较好。粗 Cu 线已经有了一些应用。现在细 Cu 线的应用也已越来越普遍。研究了 用细铜线时 EMC(环氧模塑化合物)的影响及可靠性。用 HAST(高加速温湿度应力试验) 后的失效分析发现,失效模式是引线键合部分金属间化合层的腐蚀。在金属间化合层发现 有 Al 洗脱物及 Cl 离子。 离子含量及 Al 腐蚀抑制剂低的 EMC 显示有较好的 HAST 特性。 Cl 选择绿色 EMC 用的阻燃剂很重要,因为一些阻燃剂对 HAST 特性有负面影响。

实验
本研究中使用的设备及材料如下:键合机是 ASM Assembly Technology Ltd.的 Eagle 6 0AP;Cu 线是 Sumitomo Metal Mining Co., Ltd.的 TC-E(4N, 25um);可靠封装是具有 TEG(3.5x3.5x0.35mmt,Pad: 95x110um,Al/Ti-TiN-Ti/SiO:600nm / 10-50-10nm / 1. 0um)的 SOP16L(7.2x11.5x1.95mmt,Alloy-42 L/F)。HAST 的条件为:130℃,85%RH 及 20V 或 140℃,85%RH 及 20V。评估 HAST 的判据是电路电阻超过初始值的 20%。

线键合参数的调整
焊盘结构是应用细 Cu 线可靠性的关键要素之一。最好是有 Cu 层的较厚 Al 焊盘。在开始 HAST 评估前调整线键合参数,因为从键合能力观点看,此研究的焊盘结构被认为是最难 的。根据键合参数调整的结果,我们得到如下参数。键合直径:51μm (平均值),52μm(最 大值) 和 51μm (最小值);键合厚度:14μm (平均值),15μm(最大值)和 14μm (最小值); 球剪切强度:17.0kgf/mm2 (平均值),18.5kgf/mm2(最大值),16.0kgf/mm2(最小值)。图 1 显示了采用这些键合参数的线键合部分的截面图。

用于 HAST 研究的 EMC 样品制备
基于绿色 EMC(无 BrSb)的 4 种 EMC 样品示于表 1。Cl 离子和 IC(腐蚀抑制剂)是这

种情况下金属电路腐蚀的重要因素。用不同纯度的环氧树脂制备 Cl 离子含量不同的样品。 分别从半导体用的高纯环氧树脂和标准用途的普通纯环氧树脂得到低 Cl 样品和高 Cl 样品。

Cl 和 pH 值以下列步骤测量。纯净水加入粉碎的硬化 EMC,然后在 PCT125℃、20 小时 后萃取水。由于在 EMC#1 和 EMC#2 中采用高纯环氧树脂,其 Cl 量约为 EMC#3 和 EM C#4 的 1/5。EMC#2 和 EMC#4 用了 pH 缓冲剂。pH5.5 附近的 Al 腐蚀率比较小,而较低 pH 和较高 pH 时 Al 腐蚀率比较大。EMC#2 和 EMC#4 萃取出来的水的 pH 是 5.7。这一 p H 下,Al 显示很好的抗腐蚀性。它符合以前研究中描述的结果。

HAST 结果
4 种 EMC 的 HAST 结果示于表 2 和图 2。发现 Cu 线的 HAST 特性比 Au 线差。在 4 种 E MC 中显示与 Cu 线的结果有好有差。从正义感点看,可以认为 EMC 影响 HAST 特性。对 于 Cu 线来说,HAST 从好到差的排序为 EMC#2、EMC#4、EMC#1、EMC#3。EMC#3 的 HAST 特性最差,因为其 pH 值低而 Cl 含量高。EMC#4 比 EMC#2 差,这是因为尽管 其 pH 值好,但 Cl 含量较高。EMC#2 对于 Cu 和 Au 线均有极好的 HAST 特性。电路电阻 仅在阳极侧比较大。这一现象也指出 Cl 离子(阴离子)影响 HAST 特性。

HAST 失效分析
在 140℃、85%RH 及 20V 时 HAST 480 小时后,对受试样品进行了详细的失效分析。图 3 显示线键合部分的截面图。在 Cu 与 CuAl2 之间观察到腐蚀层。

也针对腐蚀层进行了 TEM 分析,结果示于图 4。在腐蚀层处观察到 Al、O 和 Cl 元素。线 键合部分的金属间化合层含有 Cu9Al4 和 CuAl2。这一分析中可观察到 CuAl2,但观察不 到 Cu9Al4。认为电化学腐蚀是其 HAST 特性的失效机理。从 Cu9Al4 洗脱的 Al 形成像 Al (OH)3 和 AlCl3 一类的腐蚀层。由于其电离倾向特性造成再沉淀的结果,在腐蚀层观察不

到 Cu。

几种阻燃剂的研究
对具有几种金属氢氧化物阻燃剂的 EMC 的 HAST 特性做了评估。本研究中用 ALH(氢氧 化铝)和 MGH(氢氧化锰),见表 3。ALH 非常稳定,且不影响自身 pH 值。MGH 是碱 性的,与 ALH 比较稳定性较差。具有 MGH 的 EMC 显示较高的 pH 值。二种样品内的 Cl 含量没有太大差别。

HAST 结果示于表 4 和图 5。有 ALH 的 EMC 的 pH 值仍然与没有 ALH 的 EMC 类同。E MC#6 显示出与 EMC#5 同样的 HAST 特性。由于 EMC#7 的 pH 值较高,其 HAST 特性 比 EMC#6 差。

FEM 应力仿真
在 20 针 SOIC 封装中进行了 FEM 应力仿真。室温下,在 Cu 线键合连接处的主要应力是 压应力。另一方面,在 Cu 线键合连接区高温下的主要应力显示为撕裂形式的力。在 HTS L 情况下,EMS 产生的应力可能是决定可靠性的一个重要因素。

结论
1) Cu 线的 HAST 特性比金线差。Cu9Al4 的电化学腐蚀是用 Cu 线时 HAST 失效的原因。 2) 把 pH 缓冲剂与低 Cl 含量环氧树脂结合,可以大大提高细 Cu 线的 HAST 特性。 3) 没有阻燃剂的绿色 EMC 和用 ALH 表明 HAST 性能好。 MGH 的 EMC 的 HAST 特性 有 比有 ALH 的 EMC 差,这是因为其 pH 值高。


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