超聲楔形鍵合界面連接物理機(jī)理研究.pdf

1、微電子、光電子系統(tǒng)中芯片級(jí)封裝超聲互連接頭界面接合機(jī)制問題嚴(yán)重困擾著超聲鍵合設(shè)備和技術(shù)的創(chuàng)新方向，也直接影響著元器件性能和可靠性。因此，解析超聲鍵合接頭界面特征并厘清超聲對(duì)接合過程所起到的本質(zhì)作用對(duì)于指導(dǎo)封裝互連設(shè)備升級(jí)、提高超聲鍵合技術(shù)能力和改善元器件功能及壽命都具有重大意義。
　　本文針對(duì)常溫超聲楔形鍵合25μm Al-1wt.％Si引線與薄 Au層Au/Ni/Cu、厚 Au層 Au/Ni/Cu、Cu三種焊盤之間形成的接頭，原

2、位測量了接頭電阻；揭示了接頭接合部連接物理過程和特征；考察了 Au/Al和Al/Au系統(tǒng)高溫老化時(shí)接頭界面演變特點(diǎn)；運(yùn)用聚焦離子束-透射電子顯微鏡(FIB-TEM)方法，在納觀尺度上給出了接頭界面構(gòu)成情況，在原子尺度上觀察了界面接合特征；基于固相擴(kuò)散反應(yīng)原理，全面闡釋了超聲楔形鍵合接頭界面彌散有納米Au8Al3顆粒的固溶體形成過程中超聲振動(dòng)作用的物理實(shí)質(zhì)。
　　設(shè)計(jì)了原位電阻測試電路，分別考察對(duì)比了三種焊盤所形成接頭的電阻變化率。

3、隨著鍵合參數(shù)增大，接頭電阻呈先減小后增大的趨勢，最大變化率超過+10%，并且具有周期性波動(dòng)特點(diǎn)。接頭界面有效連接面積和接頭上引線橫截面變形量的變化分別是造成接頭電阻波動(dòng)性和整體增大趨勢的原因。接頭電阻與接頭拉力測試結(jié)果具有很好的互補(bǔ)性，是一個(gè)擁有實(shí)際物理意義的無損評(píng)價(jià)接頭連接質(zhì)量的新指標(biāo)。接頭電阻性能的波動(dòng)性變化特點(diǎn)在一定程度上揭示了超聲楔形鍵合接合過程的周期性特征。
　　機(jī)械剝離法和化學(xué)腐蝕法去除引線后，利用 SEM觀察焊盤上接

4、合部印痕，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，表面較硬的薄 Au層 Au/Ni/Cu焊盤上方向性接合痕特征非常明顯，縱向(沿超聲振動(dòng)方向)和在其上的橫向(垂直于超聲振動(dòng)方向)接合痕分布具有空間立體特征和周期性規(guī)律，它們分別是超聲振動(dòng)和引線徑向塑性流動(dòng)的作用結(jié)果；相對(duì)較軟的其它兩種焊盤上接合痕方向性特征不明顯。
　　利用高溫老化試驗(yàn)方法，對(duì)比了Au/Al和Al/Au兩系統(tǒng)楔形接頭界面演化過程，反演了超聲楔形鍵合接頭接合過程開始于接合部周邊，尤其是跟部和趾部的

5、特點(diǎn)。
　　采用 FIB制備了 TEM試樣，高分辨透射電子顯微鏡下觀察分析了超聲楔形鍵合接頭界面的接合特征。納觀尺度上的TEM明場像和暗場像表明接頭界面存在擴(kuò)散分層現(xiàn)象；EDS線分析證明 Al、Au兩元素之間發(fā)生了互擴(kuò)散，距離不超過100nm；CBED衍射花樣標(biāo)定結(jié)果顯示擴(kuò)散反應(yīng)層內(nèi)生成了Au8Al3中間相；原子尺度上的高分辨像揭示了該中間相的晶粒尺度僅有幾個(gè)納米，并且離散地分布于擴(kuò)散反應(yīng)層內(nèi)，同時(shí)，Al元素向Au層內(nèi)的擴(kuò)散具有垂

6、直于界面方向上的階梯式波浪形的W型擴(kuò)散和平行于界面方向上的明暗相間干涉花樣式的F型擴(kuò)散的特征。近界面引線和反應(yīng)層內(nèi)存在大量孿晶。超聲功率能夠明顯促進(jìn)界面擴(kuò)散反應(yīng)，但是也會(huì)造成反應(yīng)生成層與Au層之間界面的剝離效應(yīng)。
　　給出了超聲楔形鍵合接合過程和界面特征的模型。根據(jù)擴(kuò)散反應(yīng)原理，分別分析了熱、摩擦、塑性變形和超聲(聲量子和振動(dòng))對(duì)接頭形成所發(fā)揮的作用。綜合理論分析和試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)效應(yīng)(振動(dòng)去膜、摩擦生熱、增強(qiáng)塑性、快速剪切