银合金键合线IMC的实验检查方法研究

杨千栋

(天水华天科技股份有限公司，甘肃 天水 741000)

IMC是Intermetallic Compound的缩写，通常译为“金属间化合物”。IMC是指异种金属相互紧密接触之间的界面层，在此界面层间会产生一种原子迁移互动的行为，金属原子间相互结合、渗入、迁移、以及扩散，在冷却固化之后立即出现一层类似合金的“化合物”，后续随着老化过程还会逐渐成长增厚。近年来，银合金线已广泛应用于半导体封装键合领域。相比传统的金线，银合金线有更好的电性质、热导率和更低的成本，然而在高温和高电流密度下更容易发生银迁移[1]。IMC结合层是通过化学药品腐蚀的方法，检查焊线后芯片铝层和焊球异种金属之间相互接触形成的合金层面积来判定。若IMC覆盖面积太小（＜85%），说明异种金属之间没有得到有效的原子之间渗透扩散结合，存在着脱焊的风险。本文中研究了银合金线IMC的结合面积在封装键合过程中如何准确的判定并监控，从而避免了后续由于键合问题造成的可靠性隐患。

1 IMC与侵蚀危害

键合界面的一系列力学行为以及键合可靠性与金属间化合物的成分与性能有着直接密切的关系，因而银合金线键合后界面处的金属间化合物（IMC）的生长情况一直是业界最为关心的问题之一。在传统的金丝球焊工艺中，键合后金丝球和芯片上的铝垫形成的Au/Al金属间化合物IMC的生长过程、机理及微结构特征都已经得到了比较深入的研究和讨论，而对银合金键合后Ag/Al界面的金属间化合物IMC的研究相对较少。其中，相对于传统的金线产品IMC测量方法，不能适用于银合金线的IMC测量过程，本文通过了化学腐蚀试验、软件测量的方法，结合金属界面上的IMC生长理论，通过软件测量计算得到了其IMC覆盖面积[2]，得出了一套银合金线IMC的测量监控方法。使用银线作为键合线材应用在超声热压焊过程中，通过MSL2预处理和PCT 240 h后，IMC的腐蚀会发生在Au-Ag-Al-Pd界面。足够的IMC特征长度对银合金线是必要的，特别是对于伴随着湿气环境中的电化学腐蚀铝垫的银线键合[3]，通过高压高湿老化试验，键合界面引入了水汽，IMC会受到一定程度的侵蚀。IMC本身具有不良的脆性，将会损及焊点的机械强度及寿命，尤其对疲劳强度(Fatigue Strength)危害最大，其熔点也较原来的金属要高。由于焊点中IMC合金层的渗入，使得该结合层面本身的硬度也随之增加，久之会有脆化的问题。因此银合金线的IMC形成质量监控在生产应用过程中非常必要。

2 银合金线IMC监控过程中存在的问题

对于传统的金线产品，由于金线的IMC层的色差与周围的金有明显的差异，可以通过物理的辨识方法以及软件测量其合金层覆盖面积可以得出，图1a所示为传统金线IMC界面图片，IMC层与金层色差明显，可以通过物理判断的方式进行判定是否在界面层原子之间有效的结合，结合面之间不能出现连续贯穿性隧道空洞。而由于银合金线的材质颜色等特性，银线与铝垫形成的IMC层与周围的银层不能明显的区分，IMC物理确认方法较困难，无法在球面底部有效地判断IMC形成的覆盖面积，图1b所示为银合金线的界面图片，需要研究化学腐蚀确认方法。

图1 IMC界面图片

3 银合金线IMC实验检查方法

在IMC实验过程中，需要一定的辅助材料与实验装置，所需要的设备工具有：加热台、超声波清洗器、高倍显微镜（200X-1000X）、普通显微镜（15X-50X）、镊子、挑针、刀片、烧杯、滤纸、移液管、废药水回收瓶、防护眼镜、橡胶手套等防护工具。材料有浓硝酸（98%）、纯水、丙酮等。

3.1 银合金线IMC实验流程

银合金线IMC实验流程如图2所示。

3.2 实验研究过程

先用挑针将试验样品的所有焊线从第二焊点（鱼尾）处挑开，如图3所示，防止后续取下芯片与框架载体时因线弧受力造成第一焊点球脱、铝垫受损。用剪刀将材料从导线架上或者基板剪下，并保留整颗的导线架基岛或者基板。

图2 银合金线IMC实验流程

图3 银合金线挑线示意图

将已挑开两焊点的试验样品，用刀片将载体连筋割断，图4所示为载体连筋位置示意图。同时取下芯片与框架载体，放入托盘中，如图5所示。取未做推拉力测试的Ink（墨点）材料，剪取材料时注意第一焊点不可受损。

将实验样品放入烘箱进行烘烤，烘烤后将装载样品的托盘取出并冷却；加热板温度调至90～115℃（具体的温度需要依据产品特性进行DOE试验），在烧杯中倒入30 ml、98% 的浓硝酸，确保样品放入溶液中正面始终朝上，加热3～5 min，与酸反应后的样品放入装有纯水的烧杯内超声波清洗并脱水晾干；将样品放置高倍显微镜下观察每一个PAD（焊点），抽取IMC最差的PAD进行拍照记录（截取IMC照片，需要将色差以及焦距调节清楚，否则影响测量结果）。图6为IMC拍照样品示例。

图4 载体连筋位置示意图

图5 样品放置托盘

图6 IMC拍照样品示例

3.3 银合金线 IMC测量方法

3.3.1 软件测量方法

打开测量软件Image-pro plus 6.0，软件界面打开后，选项Macro中点选IMCSCC_REV4菜单，选取取色笔进行取色，软件自动算出IMC面积的百分比值。

3.3.2 测量原理

球底部没有IMC的部分的颜色与Pad（铝垫）的颜色一样，通过Pad面与IMC层面的色差比较，软件自动找出没有IMC的部分。IMC共金面积计算比例=100%×共金层/（非共金层+共金层）。图7所示为IMC覆盖面积计算原理图。

图7 IMC覆盖面积计算原理图

3.4 机械抛光切片检查

除了上文中描述的针对银合金线IMC覆盖面积的计算测量之外，对银合金线内部进行截面分析也是常规方法之一，称之为机械抛光切片检查，主要是将样品使用环氧树脂塑封起来，然后用机械抛光研磨的方式将样品磨削至所要观察的区域，然后利用SEM来表征试样内部的形貌[4]。图8为银合金线与铝垫界面切片内部形貌图。

图8 银合金线与铝垫界面切片图

从图8中可以看到银合金线与铝层之间结合的表面形态、铝层残留的平整度，以及银合金线所形成的球形形貌。如图8中被圈所示的区域，从内部形貌观察发现银合金线与铝层表面形成了较为明显的IMC层。以上图片也说明了银线表面迁移的物理现象，银合金线在电迁移过程中也会伴随发生内部迁移[4]。这种机械抛光研磨的试验方法对于微米级别的试样使用存在比较大的弊端，首先由于银合金线的硬度相对来说比较软，使用研磨的方法很容易破坏表面形貌，同时因为制样的主要成分是银，受研磨使用的砂纸与抛光液的影响，会导致表面不平整出现细微的划痕。另外由于所要观察的区域很小，利用机械抛光的方法需要人为手动操作，很难控制选取所需位置，可重复操作性差。基于以上两点，需要更加精密测量以及结果分析需求时，则采用FIB（Focused Ion Beam的缩写，聚焦离子束）实验方法制取试样进行分析[4]。

3.5 IMC结果可靠性验证

为了验证依据IMC测试结果来预估可靠性，该产品使用 20 μm（0.8 mil）银合金线，针对某芯片产品进行IMC测试，最小测试数据为85.28%，如图9所示。

图9 最小IMC数据测量

针对此产品完成了如下全套可靠性考核，FT均Pass，各项指标满足JEDEC标准，具体可靠性考核项目为Pre-con/PCT 168hrs/TCT 500cys/THT 1000hrs/HTST 1000hrs。

4 结束语

本文中主要从银合金键合线IMC的原理入手，研究了银合金线IMC的检查实验方法，也提到了通过机械研磨的切片试验方法作为IMC界面结合性的判定依据之一，具有很强的实际工程指导意义。通过实际的产品可靠性验证，FT测试通过，各项指标满足JEDEC标准，说明本文所研究的关于IMC的实验检查方法可以有效的预估可靠性结果。

由于银线的金属特性，银置于空气中容易与氧气发生反应，产生黑色的氧化银，在实际作业应用过程中需要特别注意防护管控，另外，对于银线IMC迁移的问题，在高电流密度和高温下，银合金线表面的银离子从正极迁移到负极即表面迁移，银线迁移会造成金属间接触界面阻值升高，会加速银合金线IMC的老化脆化，从而影响电性能以及信号传输，具有很大的危害性，为了避免银迁移问题，需要从原材料金属配方制备、工艺方法、加工设备、包括保护气体、键合工艺参数等各个方面着手深入研究，达到预防和控制银线迁移问题的发生。