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吳鈺?shū)P 沈殷 吳仕煌 鄭宇 王斌 王之哲

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所）

摘要：

探討了銅線鍵合器件在汽車電子認(rèn)證中的可靠性要求。銅線鍵合器件在電子封裝域已得到一定的推廣及應(yīng)用， 然而， 相比金線鍵合， 由于銅線特殊的材料屬性和鍵合工藝， 其可靠應(yīng)用面臨一定的挑戰(zhàn)。為了確保汽車電子系統(tǒng)的高可靠性和穩(wěn)定性， 汽車電子委員會(huì)制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證要求， 其中針對(duì)銅線鍵合器件于 2016 年發(fā)布了 AEC-Q006 標(biāo)準(zhǔn)。 對(duì)AEC-Q006 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了解讀，重點(diǎn)探討了銅線器件在汽車電子認(rèn)證中的可靠性要求， 并對(duì)可靠性試驗(yàn)中的主要失效機(jī)制進(jìn)行分析， 以幫助廠商和工程師在設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)認(rèn)證銅線鍵合器件的過(guò)程中能夠確保器件滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

0 引言

隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展和智能化水平的提高，車載電子系統(tǒng)在現(xiàn)代汽車中起著愈發(fā)重要的作用。 這些電子系統(tǒng)涵蓋了從發(fā)動(dòng)機(jī)控制、駕駛輔助到娛樂(lè)和安全等多個(gè)方面。 在這些系統(tǒng)中，集成電路器件起著關(guān)鍵的作用， 而鍵合技術(shù)作為集成電路封裝過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，直接影響著器件的可靠性和性能。 在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，金線和銅線鍵合器件都扮演著重要角色。

1 銅線鍵合的優(yōu)勢(shì)及面臨的挑戰(zhàn)和問(wèn)題

銅線鍵合器件作為一種新興的鍵合方式，具備許多優(yōu)勢(shì)。 首先，銅線具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，其低電阻率能夠提供更好的電流傳輸能力， 這在高功率電子器件和汽車電子中尤為重要。 其次，銅線的熱導(dǎo)率較高，有助于散熱， 降低器件的工作溫度，提高整體可靠性。 再者，相對(duì)于金線，銅線具有成本更低的優(yōu)勢(shì)， 有助于降低生產(chǎn)成本并推動(dòng)市場(chǎng)普及。

盡管銅線鍵合器件具備許多優(yōu)勢(shì)，但仍然面臨一些挑戰(zhàn)和問(wèn)題。 首先，市場(chǎng)普及是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題， 相較于傳統(tǒng)的金線鍵合器件，銅線鍵合器件在市場(chǎng)上的應(yīng)用相對(duì)較新， 因此受到一些行業(yè)習(xí)慣和標(biāo)準(zhǔn)的限制。 為了廣泛推廣和應(yīng)用銅線鍵合器件，需要推動(dòng)行業(yè)的變革和認(rèn)可， 并逐步建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。其次， 汽車電子應(yīng)用是銅線鍵合器件面臨的另一個(gè)重要挑戰(zhàn)。汽車電子領(lǐng)域?qū)﹄娮悠骷目煽啃院头€(wěn)定性要求極高， 需在惡劣的環(huán)境條件下工作， 如高溫、 高濕、 振動(dòng)和沖擊等。 以塑封銅線鍵合器件為例， 需要滿足汽車行業(yè)的特殊要求，如耐高溫和耐濕熱， 以確保其在汽車電子系統(tǒng)中的可靠性和使用壽命。最后，對(duì)銅線鍵合器件進(jìn)行可靠性評(píng)估也是當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)之一。 為了驗(yàn)證和保證銅線鍵合器件在各種應(yīng)力環(huán)境下的可靠性， 需要開(kāi)展一系列的可靠性評(píng)估和測(cè)試，包括溫度循環(huán)、 濕熱應(yīng)力等測(cè)試，并結(jié)合物理（破壞性 / 非破壞性） 分析進(jìn)行評(píng)估。此外，還需要建立相應(yīng)的可靠性模型和方法， 以提前預(yù)測(cè)和評(píng)估器件在實(shí)際應(yīng)用中的壽命和失效機(jī)制。

針對(duì)車規(guī)元器件采用銅線鍵合工藝，汽車電子委員會(huì) （ AEC ： Automotive Electronics Council ）于 2016 年發(fā)布了 AEC-Q006-Rev-A 標(biāo)準(zhǔn)， 制定車規(guī)元器件使用銅線互連部件的合格要求， 以驗(yàn)證銅線鍵合的質(zhì)量水平和可靠性。本文將重點(diǎn)解讀AEC-Q006 標(biāo)準(zhǔn)與 AEC-Q100 、 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)相比，針對(duì)銅線鍵合器件規(guī)定的可靠性評(píng)價(jià)要求。

2 AEC-Q 006標(biāo)準(zhǔn)解讀

AEC-Q006 是由 AEC 制定的一項(xiàng)針對(duì)汽車電子器件可靠性的標(biāo)準(zhǔn)，旨在明確規(guī)定銅線鍵合器件的可靠性最低資格要求。 該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了銅線器件在溫度循環(huán)、 濕熱應(yīng)力和高溫存儲(chǔ)等條件下的可靠性測(cè)試要求。與應(yīng)用于金線鍵合器件的 AEC-Q100 和 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)相比， AEC-Q006 對(duì)銅線器件的可靠性試驗(yàn)要求更為嚴(yán)苛，具體如表 1 所示。

標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了可靠性測(cè)試的條件、持續(xù)時(shí)間和相關(guān)的物理分析。 通過(guò)指定的壓力測(cè)試，

該標(biāo)準(zhǔn)旨在確保銅線鍵合器件能夠在應(yīng)用中提供一定水平的質(zhì)量和可靠性。為了滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，銅線鍵合器件的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程需要遵循嚴(yán)格的可靠性設(shè)計(jì)原則。以集成電路器件認(rèn)證為例，AEC-Q006 中對(duì) TC 、 HAST/THB 、 PTC 和 HTSL 試驗(yàn)提出了額外要求， TC 、 HAST/THB 、 PTC 、 HTSL 試驗(yàn)需做兩倍應(yīng)力（ 2X ）， 即應(yīng)力累積時(shí)間為金線鍵合器件的兩倍；同時(shí)， 也提出需增加進(jìn)行 CSAM 、鍵合剪切 / 拉力和剖面檢查等物理分析試驗(yàn)，以完善整體的可靠性評(píng)估流程方案。

2.1 溫度循環(huán)試驗(yàn)和加電溫度循環(huán)試驗(yàn)

TC 旨在評(píng)估器件在溫度變化環(huán)境下的耐久性和穩(wěn)定性； PTC 旨在評(píng)估器件在通電 / 斷電和溫度變化環(huán)境下的耐久性和穩(wěn)定性。在 AEC-Q006 標(biāo)準(zhǔn)中， 規(guī)定了這兩項(xiàng)試驗(yàn)均需進(jìn)行 2 次應(yīng)力疊加， 以考核銅線互連的可靠性。 在 AEC-Q100 和 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)中， 這兩項(xiàng)試驗(yàn)均只要求進(jìn)行 1 次應(yīng)力試驗(yàn)， 與之相比， AEC-Q006 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于銅線鍵合產(chǎn)品在 TC 和 PTC 上要求更為嚴(yán)苛。

從失效機(jī)理角度分析，在 TC 和 PTC 中，銅線（ 1.7×10 -5 ℃） 與硅芯片（ 3.0×10 -6 ℃） 之間的熱膨脹系 數(shù)（ CTE ： Coefficient of Thermal Expansion ）不匹配， 導(dǎo)致它們?cè)跍囟茸兓^(guò)程中出現(xiàn)不同的熱膨脹和收縮率。在熱循環(huán) （ 150 ℃ ） 期間， 發(fā)生不同的熱膨脹率， 在冷循環(huán) （ -55 ℃） 期間則產(chǎn)生不同的收縮率。這種 CTE 不匹配引起了界面處的差異膨脹和應(yīng)力集中現(xiàn)象。 微裂紋可能在鍵合球與鋁焊盤(pán)之間的 IMC 處形成。

圖 2a 為由于銅球鍵合與鋁焊盤(pán)的 CTE 不匹配而導(dǎo)致的鍵合微裂紋[1] 。 這些微裂紋在溫度循環(huán)過(guò)程中逐漸擴(kuò)展， 最終導(dǎo)致鍵合點(diǎn)的失效。

另外， 環(huán)氧模塑料 （模塑料） 與銅線之間的CTE 不匹配也可能導(dǎo)致在溫度循環(huán)期間出現(xiàn)銅鍵合線頸部和楔形鍵合處的裂紋。由于電子封裝中廣泛使用了許多具有不同CTE 和玻璃化溫度 （ T g ）的模塑料， 這些材料與銅線之間存在不同的相互作用，導(dǎo)致線頸部出現(xiàn)不同程度的裂紋。 圖 2b 為模塑料與銅線之間的 CTE 不匹配而導(dǎo)致的頸部微裂紋。

故在 TC 和 PTC 這兩項(xiàng)試驗(yàn)中， 對(duì)銅線鍵合期間提出更加嚴(yán)苛的可靠性評(píng)價(jià)要求是有必要的。

2.2 強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)

HAST 旨在模擬器件在高溫高濕的環(huán)境中工作，以評(píng)估其在濕熱條件下的耐久性和抗氧化腐蝕性。 在 AEC-Q006 標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了 HAST 需進(jìn)行 2次應(yīng)力疊加，以考核銅線互連的可靠性。 在 AEC-Q100 和 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)中， 該項(xiàng)試驗(yàn)只要求進(jìn)行 1次應(yīng)力試驗(yàn)，與之相比， AEC-Q006 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于銅線鍵合產(chǎn)品在 HAST 上要求更為嚴(yán)苛。

HAST 對(duì)銅線器件可能特別重要，因?yàn)殂~線在濕熱環(huán)境下更容易受到封裝材料中鹵族元素?cái)U(kuò)散引起的氧化腐蝕， 導(dǎo)致失效。 從材料角度來(lái)看，首先對(duì)于環(huán)氧模塑料（ EMC ： Epoxy Molding Com-pound ） 而言： 大多數(shù)模塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（ T g ） 介于 120~140 ℃ 之間， 且玻璃化轉(zhuǎn)變通常在一定的溫度范圍內(nèi)發(fā)生，有時(shí)起始溫度甚至低至100 ℃ 。 吸濕會(huì)進(jìn)一步使 T g 降低 10~15 ℃ 。 并且，在 HAST 期間， 大多數(shù)模塑料會(huì)進(jìn)入甚至超過(guò)其玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域。 在嚴(yán)酷的 HAST 條件下， 即高溫和潮濕共同作用下， 封裝材料可能會(huì)發(fā)生不可逆的降解。雖然在 85 ℃ 時(shí)材料的行為相對(duì)穩(wěn)定，但在較高溫度下 （例如： 110 ℃ 和 130 ℃）， 材料會(huì)因水解而開(kāi)始降解，導(dǎo)致有機(jī)陰離子 （如乙酸根和甲酸根）的含量逐漸升高， 同時(shí)也導(dǎo)致材料內(nèi)部pH 值的降低。 此外， 添加劑如緩蝕劑 （ CI ）和阻燃劑 （ FR ） 會(huì)導(dǎo)致模塑料內(nèi)部鹵素離子濃度的增加。 模塑料的體積電阻率（ VR ） 可用作衡量離子遷移率的指標(biāo)。在 HAST 條件下， 實(shí)際吸濕量比 THB的 85 ℃/85%RH 條件下高約 75% 。 當(dāng)材料處于玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域時(shí)， 其 VR 值會(huì)顯著下降， 因此 HAST 條件下的較高濕度和溫度會(huì)降低 VR 值， 樹(shù)脂基質(zhì)內(nèi)的自由體積增加， 從而使離子在系統(tǒng)中更容易移動(dòng)，這為 Cu-Al 界面發(fā)生腐蝕創(chuàng)造了條件。

2.2.1 有偏強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)氧化腐蝕過(guò)程

在 HAST 的惡劣條件下， 會(huì)出現(xiàn)由氯引起的微電偶腐蝕， 并且會(huì)發(fā)生選擇性的 Cu-Al 金屬間化合物 （ IMC ： Intermetallic Compound ）腐 蝕， 即Cu 3 Al 2 和 Cu 9 Al 4 相持續(xù)發(fā)生腐蝕，而富鋁的 CuAl 2 相保持免疫。

首先， 由于 Cu-Al 界面存在較高的表面張力（表面能）， Al 在 Cu 9 Al 4 中的化學(xué)勢(shì)達(dá)到較大的負(fù)值，有利于在氧化鋁的鈍化過(guò)程中形成陽(yáng)離子空位。 這說(shuō)明 Al 在 Al 2 O 3 中的遷移速度最快，從而導(dǎo)致 Cu 9 Al 4 相中腐蝕最為迅速， 使金屬間化合物中的Cu 9 Al 4 相首先發(fā)生氧化。這些富含 Cu 的層面的侵蝕會(huì)導(dǎo)致鍵合邊界的斷裂。 在濕氣和正偏置銷的加速作用下，鍵合材料中的 Cu 9 Al 4 腐蝕速度比其他周圍材料更快。 其次， 當(dāng)濕氣與來(lái)自模塑料的氯離子共同遷移時(shí)， 在高溫下， Cu 9 Al 4 的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，縫隙腐蝕促進(jìn)微裂紋的擴(kuò)展。 Cu 9 Al4 的 IMC與氯離子的反應(yīng)性比 CuAl 2 更高， 并且當(dāng)氯離子與Cu 9 Al 4 反應(yīng)時(shí)， IMC 位于晶格缺陷處。因此， 在 Cu/Cu 9 Al 4 界面容易觀察到縫隙腐蝕。富含鋁的 IMC 內(nèi)部或之上的氧化鋁鈍化層會(huì)阻礙鹵素離子的進(jìn)入，從而為進(jìn)一步的侵蝕行為創(chuàng)造了離子擴(kuò)散路徑。這導(dǎo)致了腐蝕區(qū)域的形成， 該區(qū)域由兩相微觀結(jié)構(gòu)、 Al 2 O 3 晶體， 以及嵌入的結(jié)晶 Au 和 Cu 金屬顆粒構(gòu)成。 由此產(chǎn)生的氧化界面非常脆弱， 容易斷裂。最終，受損的 Cu-Al IMC 會(huì)完全破裂， 這是 Cu-Al系統(tǒng)在濕度應(yīng)力測(cè)試過(guò)程中不可避免的結(jié)果。這種 Cu-Al 界面的縫隙腐蝕 / 點(diǎn)蝕機(jī)制如圖 3 所示。

與金線鍵合相比，銅線鍵合存在以下特點(diǎn)：根據(jù)界面金屬顆粒的空間分布， 銅顆粒分布更均勻， 導(dǎo)致 Cu-Al IMC 比 Au-Al IMC 更容易受到濕氣的侵襲。鹵化物的存在也可能加速這種效應(yīng)。Au-Al的 IMC 厚度比 Cu-Al 高 3~5 倍， Au 球下方有良好的 Au 覆蓋層和金屬間化合物的形成，這增強(qiáng)了Au 和 Al 之間的結(jié)合。 IMC 覆蓋層比 Cu-Al 更堅(jiān)固，這增強(qiáng)了界面的穩(wěn)定性。由于氯離子不易滲透并建立電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致IMC 腐蝕， 因此 Au-Al 的腐蝕速率遠(yuǎn)低于 Cu-Al。

2.2.2 施加偏置的影響

偏置電壓會(huì)加速故障率，發(fā)生離子遷移， 導(dǎo)致處于正偏置的引腳在 HAST 期間會(huì)吸引鹵素離子。偏置和接地鍵合點(diǎn)之間的電場(chǎng)會(huì)驅(qū)動(dòng)氯離子優(yōu)先從一個(gè)方向向 IMC 區(qū)域遷移。 在未施加偏置下， IMC 降解更加軸對(duì)稱， 因?yàn)槁入x子的移動(dòng)來(lái)自各個(gè)側(cè)面，如圖 4 所示。

深入了解 HAST 中的失效機(jī)制對(duì)于改善銅線鍵合器件的可靠性非常重要。通過(guò)采取合適的設(shè)計(jì)和制造措施， 通過(guò)優(yōu)化模塑料材料配比、 減少鍵合制程中鹵素離子的引入，可以降低微電偶腐蝕、縫隙腐蝕和斷裂的風(fēng)險(xiǎn)， 提高銅線鍵合器件在濕熱環(huán)境下的性能和可靠性。 這對(duì)于在汽車電子應(yīng)用中確保器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

2.3 高溫貯存壽命試驗(yàn)

HTSL 用于評(píng)估器件在高溫條件下的長(zhǎng)期儲(chǔ)存穩(wěn)定性。與 TC 不同， HTSL 試驗(yàn)處于高溫等溫狀態(tài)。在 AEC-Q006 標(biāo)準(zhǔn)中， 規(guī)定了該項(xiàng)試驗(yàn)需進(jìn)行2 次應(yīng)力疊加， 以考核銅線互連的可靠性。 在AEC-Q100 和 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)中， 該項(xiàng)只要求進(jìn)行 1次應(yīng)力試驗(yàn)，與之相比， AEC-Q006 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于銅線鍵合產(chǎn)品在 HTSL 試驗(yàn)上要求更為嚴(yán)苛。

在該試驗(yàn)中， 由于 Cu-Al IMC 的密度不同， 存在應(yīng)力集中點(diǎn)。在高溫條件下， 由于 CTE 的差異，鍵合球邊緣的應(yīng)力集中，這導(dǎo)致裂紋從鍵合球邊緣開(kāi)始形成。 隨著高溫時(shí)間的推移， 這些裂紋會(huì)擴(kuò)展并與 IMC 的生長(zhǎng)和演化過(guò)程相互關(guān)聯(lián)。其次，在鍵合形成過(guò)程中， 球鍵會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形，鍵合界面在其周邊出現(xiàn)最大變形量， 這是微裂紋從球周邊開(kāi)始的主要原因之一。 變形微觀結(jié)構(gòu)特征，例如細(xì)胞、位錯(cuò)和滑移帶在接合界面附近形成，特別是在鍵合球外圍。 此外， 鍵合后這些嚴(yán)重變形區(qū)域儲(chǔ)存了大量能量。不均勻的球變形以及鍵合球和鍵合墊材料的不同導(dǎo)致存在不均勻的殘余應(yīng)力分布， 伴隨著 IMC 的生長(zhǎng)和演化，會(huì)發(fā)生應(yīng)力的積累和釋放， 裂紋在整個(gè)鍵合區(qū)域的連續(xù) IMC 間隙中逐漸演變，并最終貫穿整個(gè)鍵合區(qū)域， 導(dǎo)致開(kāi)路失效。如圖 5 所示。

而銅線與金線鍵合器件在 IMC 生長(zhǎng)速率和界面的最終失效模式存在一些差異： Au-Al IMC 的生長(zhǎng)速率比 Cu-Al IMC 高 10 倍以上， 導(dǎo)致銅線鍵合在高溫下的鍵合失效原因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展， 而金線為柯肯德?tīng)柨斩吹木奂?/p>

這種失效機(jī)制表明，在高溫儲(chǔ)存條件下， 銅線鍵合器件中的 IMC 生長(zhǎng)和演化過(guò)程是導(dǎo)致鍵合失效的主要因素。相較于 AEC-Q100 、 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)中金絲鍵合器件在高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)中要求的一次應(yīng)力考核要求， AEC-Q006 標(biāo)準(zhǔn)要求兩倍應(yīng)力疊加的考核要求，對(duì)銅線鍵合器件可靠性進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證考核。

2.4 物理分析試驗(yàn)

除了可靠性測(cè)試要求外， AEC-Q006 標(biāo)準(zhǔn)還強(qiáng)調(diào)了進(jìn)行物理分析的重要性。銅線鍵合器件的可靠性測(cè)試中還包含試驗(yàn)前后的物理分析試驗(yàn)， 這些物理試驗(yàn)為功能失效前兆的物理退化分析， 包括非破壞性試驗(yàn) CSAM 、 破壞性試驗(yàn) （例如： 鍵合球剪切、 鍵合球和第二鍵合點(diǎn)拉力試驗(yàn)，以及切片觀察分析）， 圖 6 中給出了部分破壞性和非破壞性方法的示例。利用這些分析結(jié)果可以評(píng)估器件在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的失效模式和機(jī)制， 有助于了解器件的可靠性特性， 指導(dǎo)設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中的改進(jìn)，并提高銅線器件在汽車電子應(yīng)用中的可靠性水平。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述， AEC-Q006 標(biāo)準(zhǔn)為銅線鍵合器件在汽車電子認(rèn)證中的可靠性要求提供了指導(dǎo)。本文解讀了標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于銅線鍵合器件的要求， 并對(duì)銅線與金線鍵合器件進(jìn)行優(yōu)劣對(duì)比， 分析了銅線器件在 TC 、 HAST 和 HTSL 中的失效機(jī)制， 以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供指導(dǎo)和參考。 隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，銅線鍵合器件有望在更多應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用， 并提升其可靠性和性能。 銅線鍵合器件在電子領(lǐng)域具備許多優(yōu)勢(shì)和潛力，但也面臨市場(chǎng)普及、 汽車電子應(yīng)用和可靠性評(píng)估等挑戰(zhàn)。通過(guò)深入研究和解決這些問(wèn)題， 銅線鍵合器件有望在不久的將來(lái)得到更廣泛的應(yīng)用和推廣，從而提高汽車電子行業(yè)的可靠性水平。

審核編輯 黃宇