混合集成电路中Al/Au键合可靠性评价研究

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引线键合常用于混合集成电路中的电气互连。在薄厚膜混合集成电路中,主要有两种引线键合结构:金丝球与芯片上铝膜所形成的Au/Al键合系统;粗铝丝与厚膜金导体所形成的Al/Au键合系统。 本文主要针对粗铝丝(直径为200μm)与厚膜金导体(膜厚30μm)所形成的Al/Au键合系统的可靠性进行了深入的研究。基于Al/Au键合系统的热退化机制,设计并制备了试验样品。设计了相应的试验方案并进行可靠性试验,通过对试验结果的分析,研究了Al/Au键合系统的失效机理。选择合适的模型和失效判据对它的寿命进行评价,得到了加速寿命方程和激活能。最后,在此基础上探索了其它寿命评价模型。 通过研究发现,在恒定温度应力下,与Au/Al系统界面退化相同,Al/Au键合系统的退化主要表现为接触电阻增加,键合强度下降。经过高温储存后,Al/Au键合系统主要产生三种金属间化合物:AU4Al、Au2Al和AuAl2。由于形成金属间化合物电阻率比纯金属系统大得多,因此接触电阻增加。而由于金属间化合物的晶格常数、热膨胀系数、硬度、机械性能等各不相同,键合界面裂纹产生,键合强度下降。与Au/Al系统的热退化机制不同的是,Au/Al系统是以芯片上键合区铝薄膜的完全消耗为反应的终止时间,造成焊盘脱落;而对于Al/Au键合系统,两种金属都没有被完全消耗,它更易在金导体与金属间化合物之间接头处形成裂纹,最导致键合点脱开。研究还发现当Al/Au系统的互连接触电阻变化率达到20%后,退化速率大大加快,并以此把电阻变化率20%作为键合退化失效判据的选择依据。 针对键合界面退化主要考虑温度应力的影响,选择Arrhenius模型来评价Al/Au键合系统的可靠性寿命,得到加速寿命方程、失效激活能和模型的各项参数。厚膜金导体Al/Au键合失效激活能为0.63eV。若以键合互连电阻变化20%为失效判据时,加速寿命方程为Int=-2.9+7327.1/T,由加速寿命方程外推到室温(25℃)下的中位寿命为1.32×106小时。若以键合互连电阻变化40%为失效判据,加速寿命方程为Int=-2.5+7216.4/T,由加速寿命方程可外推到室温(25℃)下的中位寿命为9.13×106小时。并在此基础上提出了描述Al/Au键合系统电阻变化规律的电阻模型。即当t较小,B√t<<1时,接触电阻R=A√t+R0,该模型的加速寿命方程为:InA:-3828.81/T-0.581。它可用来描述在任意时刻下Al/Au键合系统电阻值的变化与时间的关系。
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