微電子封裝銅線鍵合的組織與微織構(gòu)

1、274中國體視學(xué)與圖像分析2007年第12卷第4期 CHINESE JOURNAL OF STEREOLOGY AND IMAGE ANALYSIS Vol. 12 No. 4 Dec. 2007論著文章編號(hào)：1007 -1482(2007)04 -0274 -04微電子封裝銅線鍵合的組織與微織構(gòu)楊平-李春梅蔦周康武崔鳳娥I,劉德明2（I-北京科技大學(xué)材料學(xué)院 100083； 2.香港ASM封裝自動(dòng)化公同）摘 要：使用EBSD取向成像技術(shù)分析了銅絲鍵合不同工藝階段（原始拉拔絲、熔化自由球、第一點(diǎn) 球皺合、第二點(diǎn)炭形錢合）的組織不均勻性及微織構(gòu)“討論了它們可能對(duì)性能的影響關(guān)鍵詞：微電子封裝；微織

2、構(gòu)；EBSD；鍍合；銅線中圖分類號(hào)：TG115.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AMicrostructures and microtextures in Cubonds ofmicroelectronics packagingYANG Ping', LI Chunmei1 , ZHOU Kangwu1 . CUI Fenge1 f LIU Deming2(1 Department of Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China；2 ASM Assembly Automation Ltd

3、. Hong Kong, China)Abstract: EBSD technique was used to reveal the local microstructure and microtexlures of Cu-wires/ bonds at different processing stages including initial drawn wires, free air balls 9 ball bonds and wedge bonds Their influences on properties were discussedKey words； microelectron

4、ics； microtcxturc； EBSD ； bonding； Cu wireu274274引言銅線鍵合的基本過程是：1）山鑄錠拉拔及退火 制備出銅絲;2）通過高壓放電（EFO過程）造成局部 熔化在絲的端部形成自山球;3）銅絲球第一鍵合實(shí) 現(xiàn)銅絲球與硅芯片的連接;4）絲的另一端與引線框 架實(shí)現(xiàn)楔形鍵合c毎個(gè)工藝過程都存在微織構(gòu)或晶 粒取向的變化，也受各工藝參數(shù)的影響。稈詢,對(duì)鍵 介前幾階段的組織與取向恃點(diǎn)已有一定的研 究（，5 ,但對(duì)楔形鍵合的組織和微織構(gòu)還研究很少?？棙?gòu)的存在可能對(duì)絲球鍵合及換形鍵合產(chǎn)牛一 定的影響，育先是不同晶體學(xué)方向上彈性模址的差 異，如銅單晶的 £1W=

5、91 GPa,Elu =165GPa；Ell0 = 137 GPa；不同取向單晶的應(yīng)力應(yīng)變曲線也顯示了很 人的差異。銅絲中111織構(gòu)為主時(shí)，纟纟的剛度大, 加工碩化率高，形變亢力大，鍵合時(shí)劈刀攜帶銅絲快 速“沖擊”可能對(duì)硅芯片造成損傷。相反，100取 向品粒形變抗力小，可能降低絲本身的強(qiáng)度，即降低 拉拔強(qiáng)度。此外，不同鬲體學(xué)方向?qū)崮芰Σ煌?，?成自由球（FAB）時(shí)柱狀晶內(nèi)的織構(gòu)也可能不同。組織或形變不均勻性也會(huì)造成影響。鍵合后絲 內(nèi)既右原始細(xì)晶組織，也有熱彩響區(qū)粗晶組織，還右 粗大柱狀晶，性能也不同。不論是球鍵合還是楔形 鍵合，作用在銅線1：不同部位的力不同（因劈刀加力 是不均勻的，從圓盤鍵

6、合點(diǎn)邊上到中心，應(yīng)變應(yīng)力分 布是不均勻的），與絲內(nèi)取向配介會(huì)使形變抗力進(jìn)一 步加劇或滅弱°晶粒尺度及缺陷含赴隨位置差異很 大，對(duì)超聲鍵合時(shí)擴(kuò)散遼度的影響也不同。尋找這 些規(guī)律對(duì)生產(chǎn)中性能的進(jìn)一步優(yōu)化很恥要。1實(shí)驗(yàn)材料及方法試樣為由香港ASM公可提供的約4 6mil（l00 150 n）的銅絲和山銅絲制作的鍵合器件，上面帶 有銅絲球鍵合點(diǎn)和楔形鍵合點(diǎn)。采用電鍍的方式對(duì)274274收稿日期:2007-08-03作者簡(jiǎn)介：楊¥（1959 -）,男.教授.聘七生導(dǎo)師。研究方向?yàn)槠敷w材料的各向異性;形變、再結(jié)晶行為；EBSD技術(shù)的應(yīng)用。E-mial: yangp mater, 200

7、7年第12卷第4期楊平等：微電子封裝銅線怨合的組織與徹織構(gòu)275原始銅絲進(jìn)行鍍銀，用環(huán)氣樹脂將銅焊帶鑲嵌，然后 磨制所需觀察的截而。通過機(jī)械拋光和離子轟擊改 善樣品表面質(zhì)時(shí)。利用高分辨場(chǎng)發(fā)射槍打描電鏡 ZEISS SLPRA-55上配備的HKL-EBSD系統(tǒng)進(jìn)行取 向成像分析。2結(jié)果及分析圖1為原始銅絲橫截面上取向成像的結(jié)果?？?見，中心區(qū)和邊緣區(qū)為100 |拉拔軸的取向(黃 色)，而兩區(qū)域之間為111取向?yàn)橹鞯木Я?紅 色)。軟件定出111占 23. 8%, 100)占 24. 4% 0 因兩者的比例相差不大，可估算銅絲的彈性模量適 中。這種取向分布產(chǎn)生的原因是因拔絲時(shí)，中心受 純拉應(yīng)力、外

8、表面受模具的摩擦力和兩區(qū)域之間受 大的附加切應(yīng)力造成的，圖1(b)為晶界類型分布。 可見紅色的攣晶界主要分布在111取向晶粒附 近。一般退火造成的晶粒氏大才造成明顯可測(cè)的夕 晶界，而大形變下形變攣晶很難測(cè)到。因此推斷，原 始絲拉拔后經(jīng)過了短時(shí)的退火。少數(shù)晶粒已長(zhǎng)大到 5微米。從取向差分布(圖1 (c)可見，學(xué)晶關(guān)系的 比例并不高。與其他不同工藝退火的銅絲相比，該 絲只經(jīng)短吋或低溫退火,強(qiáng)度高2007年第12卷第4期楊平等：微電子封裝銅線怨合的組織與徹織構(gòu)2752007年第12卷第4期楊平等：微電子封裝銅線怨合的組織與徹織構(gòu)275Misoncntsiion angle ditfnbmioaMis

9、oncnution angk (*) o Corrected (18754) -Rmdom (theoreocal)54 53525-503 03020 100o.oooa.ooa0-0 0 0 0GconboJJ s(c) Jtt角攤分布(d)取向分布；Z為拉佯律力沏2007年第12卷第4期楊平等：微電子封裝銅線怨合的組織與徹織構(gòu)275圖1原始銅絲的取向成像2007年第12卷第4期楊平等：微電子封裝銅線怨合的組織與徹織構(gòu)275圖2為銅絲球單點(diǎn)鍵合后的縱截面組織的取向 成像。該過程是不均勻形變，較大形變區(qū)僅集中在 自由球(圖的上部)與劈刀接觸區(qū)域和焊合面附近。 由圖2(a) -(d)可見，自由

10、球內(nèi)定向凝固生成的柱 狀晶主要為100取向，邊緣兩側(cè)有少眾的111取 向。這些取向都是由熱影響區(qū)內(nèi)晶粒取向繼承下來 的。這樣與硅基底直接接觸的銅自由球的彈性模雖 得到明顯降低，誠小了損傷基片的可能性。鍵合時(shí) 因劈刀力的作用造成許多亞晶界。這些區(qū)域內(nèi)的取 向逐漸偏離100，但總體上單點(diǎn)球鍵合時(shí)取向不 改變，見圖2(a)。從菊尺帶襯度圖2(b)中可見到 高應(yīng)變集中區(qū)。圖2(e；(g)為絲內(nèi)熱影響區(qū)的取 向及晶粒形貌。與自由球內(nèi)很強(qiáng)的】00不同，這 里存在許多111晶粒(紅色)，表明高壓放電時(shí)快 速加熱造成的再結(jié)晶未明顯改變晶粒取向。另外, 111晶粒的存在總伴隨一些李晶，對(duì)比圖2(f)。2007年

11、第12卷第4期楊平等：微電子封裝銅線怨合的組織與徹織構(gòu)2752007年第12卷第4期楊平等：微電子封裝銅線怨合的組織與徹織構(gòu)275()009 ooe fc007 S006 goos 二 004 3 oo)0020010»M »R»4iMax SUOS 1015 2025)0 )54045 5OS56OXewnMbonaAgteC)3Comkied(4407) -lUmioa (thecotKai)(c) 4tH««oCorrc<aicd(IIB9)(dtcorwcal)(0(1) «Hd4>Max J 25«&g

12、t;2007年第12卷第4期楊平等：微電子封裝銅線怨合的組織與徹織構(gòu)275圖2嗣絲球謎合的取向成像276中國體視學(xué)與圖像分析2007年第12卷第4期圖3 (a)示意給岀球線鍵合和楔形鍵合的關(guān) 系。楔形鍵合的特點(diǎn)是炸合時(shí)銅絲受近似垂直于 絲軸方向的不同壓縮形變(但不是純壓縮)見圖3 (b)o圖4(a)為楔形鍵合點(diǎn)的形貌。一般水平方向 與絲軸方向左30(,見圖3(b)。這影響了絕對(duì)坐 標(biāo)系的尋找。楔形健合中在垂苴于銅絲軸的方向 (即圖4(a)的垂直方向)的不同形變竝作用下，原始 的<100)/<111> |水平軸的絲織構(gòu)減弱。圖4(b) (f)為圖4(a)中小方塊內(nèi)小變形疑處的取

13、向成像 及相關(guān)倍息?？梢娛苄ㄐ涡巫兊你~絲內(nèi)開始出現(xiàn) 110| X取向的晶粒,這應(yīng)是受水平X方向壓縮 的影響。晶粒形狀也不同，上側(cè)與劈刀接觸區(qū)多為 等軸晶，下側(cè)與引線框契接觸區(qū)多為長(zhǎng)條狀陽粒(圖 4(c),(d)。從極圖4(c)可見，絲織構(gòu)對(duì)應(yīng)的環(huán)狀 取向分布待征向左側(cè)移動(dòng)，276中國體視學(xué)與圖像分析2007年第12卷第4期276中國體視學(xué)與圖像分析2007年第12卷第4期(2 5 5OV)276中國體視學(xué)與圖像分析2007年第12卷第4期圖3球線形他合關(guān)系的示實(shí)物圖(b)Miscncnlalion angle distnbutionMisoncntation angle (* ) Conchl

14、cd (12985) -Random (thcorcOcal) (b)276中國體視學(xué)與圖像分析2007年第12卷第4期276中國體視學(xué)與圖像分析2007年第12卷第4期圖4楔形鍵合的取向成像分析(a)楔形焊區(qū)形獲像；(b)取向差分布；(c)菊池帶襯度圖；(d)取向成像；紅111,黃100，藍(lán)110| X水平方向.(f)取向分布，等髙表示；(e)取向分布等高表示2007年第12卷第4期楊平等：微電子封裝銅線合的組織與微織構(gòu)277與絲球第一鍵合的一大區(qū)別是，楔形第二鍵合 前的銅絲是原始組織，而絲球是柱狀晶凝固組織。 這樣,楔形焊將有較大的加工硬化，在性能測(cè)試時(shí), 楔形焊點(diǎn)本身強(qiáng)度高，塑性低。4結(jié)

15、論1）原始銅絲內(nèi)存在中心及邊緣的100織構(gòu)和 它們之間的強(qiáng)111織構(gòu)，步晶主要分布在111取 向晶粒區(qū)。2）自由球與原姐銅絲之間的熱影響區(qū)內(nèi)發(fā)生 再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大后形成較多的退火李晶，從而削 筋了100/111取向；自由球內(nèi)的柱狀晶主耍為 100取向，此時(shí)難以形成李晶。3）銅絲球鍵合時(shí)，因主體是軟和低彈性模量的 100取向，形變抗力小，因而在相同形變悵下對(duì)硅 基底傷害最小。這緩解了銅加工碩化過大的不足。 但絲邊緣的111取向晶粒與鍵合時(shí)邊緣大的壓力 可能引起芯片損傷。鍵合時(shí)產(chǎn)生的形變戰(zhàn)小，基本 不改變?cè)杂汕虻娜∠蛱攸c(diǎn)，但球端界面附近形成 大最亞晶界及位錯(cuò)缺陷，這會(huì)促進(jìn)擴(kuò)散鍵合。4）楔形鍵合時(shí)

16、的形變雖隨鍵合位置單調(diào)增加, 是高強(qiáng)度狀態(tài)。垂直于絲軸的作用力使原來的絲織 構(gòu)明顯偏轉(zhuǎn)。同時(shí)樣品坐標(biāo)系發(fā)生變化，影響了絕 對(duì)取向的準(zhǔn)確分析。參考文獻(xiàn)：1 Baeck S M t Park K K. Ha H t et al. Texture Analysis of Copper Bonding Wire J Materials Science Forum. 2002, 408 -412:803 -808.2 Ratchev P, Carbonell L, Ho H M. el al. Orientalion imaging microscopy applications in Cu - int

17、erconnects and Cu - Cu wire bonding A . Proceedings from the 28th Intermational Symposium for Testing and Failure Analysis 2002 C.2002：61 -663 Inakazu N, Kancno Yf Inoue H Fiber Texture Formation and Mechanical Properties in Drawn Fine Copper Wire J Materials Science Konam, 1994,157 - 162: 715 -720.4 Wraryoba D R，Kalu P N. De