大规模集成电路异质键合失效机理及可靠性研究

来源 :中国运载火箭技术研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Q529801428
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半导体后道封装过程中的关键就是如何实现功能芯片与电路引出端的信号交换,一方面实现外部指令可以正确有效的下达到芯片内部,另一方面保障内部响应信号可以快捷无误的传送至外引出端。在多种封装互连方式中,引线键合工艺由于普适性高、可实现性强等优点作为大家首选的互联手段。键合金丝作为当前市场上应用最为广泛的芯片互连材料,有着优异的导电、导热、抗氧化性,可用于高密度、高可靠的封装领域。在器件服役过程中,金丝和铝焊盘形成的键合界面会受到持续的热应力的影响,由于AuAl化合物的生长导致键合存在一些可靠性隐患,对键合器件的长期可靠性造成不利的影响。因此对金丝键合界面进行研究,归纳界面化合物的演变规律,寻求提升键合界面可靠性的手段,具有重要的理论意义和工程应用价值。本文从键合点的力学性能及键合丝和芯片铝焊盘之间的界面反应入手,对影响金丝键合点可靠性的关键因素进行了深入分析,并基于应用广泛的99.99wt%的Au丝,选取了Au-1wt%Pd、Au-1wt%Al的金合金丝,通过单一变量法确认两款金合金丝的键合工艺参数,并对三种键合丝制备键合器件并开展相关可靠性实验。可靠性试验主要有150℃高温存储试验、300℃工艺考核和高温加电老化,通过拉脱力测试和扫面电镜等分析手段,研究键合点的力学性能和界面反应。首先研究高纯金丝在长期寿命评估试验下存在的可靠性隐患,在此基础上,研究重金属元素(Al和Pd)的掺杂对键合界面可靠性的影响。研究结果表明:高纯金丝的键合界面化合物生长迅速,由于Kirkendall空洞的形成以及脆性化合物的生长,危害键合界面的长期可靠性;Pd的掺杂能够降低Au丝的硬度,增大工艺窗口,Au-Pd合金丝能有效提高键合丝的强度,同时由于Pd的堆积可以抑制金属间化合物的生长;Al的掺杂提高了Au丝的硬度,并且大大降低了金丝的成圆性,增大了键合工艺难度。Au-Al合金金丝可以促使键合界面处金铝原子互扩散速度达到平衡,有效地减少Kirkendall空洞的形成。
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