IC封装中Ag线和Cu线的比较

作者：Gu Liqun, Chen Qiang, Li Juanjuan, Chen Zhengrong, Zhou Jianwei , Du maohua, Myungkee Chung，Samsung Semiconductor(China) R&D Co., Ltd

尽管倒装芯片和一些其他的3D封装发展迅猛，线键合仍是IC封装中最常用的互连手段。作为线键合产业中主要的装配材料，金线因其高导电率和极佳的可焊性长期以来一直用于存储器件中。但Au的价格是10年前的5倍以上（图1）。

Cu线是现今降低引线成本最普遍的解决方法。不过，高硬度限制了它的应用。比较之下，Ag线的硬度与Au线更为相似，它将有利于减少焊盘的损伤。此外，Ag的价格比Au低得多（见图2），这对节约成本有重大影响。但Ag-Al系界面腐蚀意味着对可靠性有严重危害。幸好，合金化Ag线技术的开发提高了可靠性性能。所以，Ag合金线可为Au线的另一个替代品，特别是用于易碎的焊盘结构。

本文给出了镀Pa铜线（表面强化的铜线）和Ag合金线的研究结果。在存储器件上比较了可键合性。在可靠性评估中，主要用uHAST（85%RH，130℃）和HTS（150℃）测试。依据可靠性失效情况，调整Ag合金线的组分。

实验步骤
与LSI比较，存储器件的Al厚度一般较薄，它对线键合工艺更敏感，所以选一种存储器件作为本实验的目标器件。封装结构如图3所示。
首先，根据参数窗口、焊球形状、Al溅出、线拉力测试、焊盘裂缝及电测试良率比较镀Pa Cu线和Ag合金线的键合能力。这二种引线的直径为23μm。二种线均用N2作为保护气体。图4是线拉力测试情况。

第二部分中，重点是Ag合金线的可靠性性能，特别是uHAST（85%RH，130℃）和HTS（150℃）测试。用FIB、TEM和EDS检查Ag-Al界面和IMC特性。在最后一部分中，调整Ag合金线的成分提高可靠性性能。

结果
线键合工艺比较
如表1所示，比较了Ag合金线、镀Pa Cu线和4N金线的硬度。Cu线的FAB硬度最高，比4N金线高约50%。而Ag合金线的FAB硬度仅比4N金线高10%左右。

根据不同的FAB和线硬度，比较了球焊点接合性和针脚式焊点（stitch bond）性能。

（A）球键合能力
在同一存储器件上采用Ag合金线和镀Pa Cu线。线键合实验和球拉力测试后，得到的参数见图5。Cu线的超声功率（US Power）和力均比Ag合金线高得多。其他方面，Ag合金线的参数范围比Cu线大。焊球拉力测试结果见表2，其中，Cu线的结果比Ag合金线高，因为断裂负载较高。 
表3中比较了焊球形状及Al溅出。调整参数后，二种线的焊球形状被控制得很好。但Cu线的Al溅出大得多，这有可能造成线短路失效的风险。

此外，由于二种线的硬度均比Au线高，焊盘损伤应是此评估中的主要风险点。键合后的焊盘界面用KOH腐蚀。比较结果见表4。在键合参数窗口内，所有Ag合金线的焊盘是平滑而完整的。不过，在Cu线的焊盘观测到弧坑问题，见表4。

（B）针脚式接合性（stitch bondability）
随着引线硬度的增加，在替代Au引线时必须保证二次针脚式接合性。观测并比较了参数窗口、针脚形状和针脚拉力测试。
图6说明了Cu线和Ag合金线的二次针脚键合次数。Cu线的超声功率和力均比Ag合金线高得多。Ag合金线的参数范围也比镀Pa Cu线大。
表5比较了二次针脚键合的形状和残余拉力（pull residue），全部可加以控制。Cu线的针脚拉力值比Ag合金线高，这是由Cu线较高的断裂负载引起的。

（C）测试良率比较
封装装配完成后，电测试保证装配的质量。表6中比较了测试良率。Ag合金线的良率与金线相同。但在镀Pa Cu线的情况下，发现了约4%的漏电失效。FA分析后，在失效引脚中发现了焊盘弧坑（见表7）。所以，Cu线较高硬度和较大的键合参数引起的焊盘弧坑就是良率损失的原因。
一般说来，对这种存储器件，Ag合金线的键合性能明显比镀Pa Cu线优越，其FAB硬度低而且键合参数小。

可靠性结果
由于Cu线在电测试中有漏电问题，在可靠性测试中仅检查Ag合金线。进行uHAST（非偏置的高度加速温度/湿度应力测试）、HTS（高温储存测试）、TC（温度循环）老化测试。uHAST测试条件为130℃和85%RH、无偏置。HTS测试条件为150℃。TC测试条件为55℃～125℃。
表8是Ag合金线的可靠性结果。约50%的芯片在uHAST 240小时时发现电气问题。但HTS能通过500小时，TC测试通过1000个循环。

可靠性测试后，用TEM、FIB和SEM检查界面性能。图7中，uHAST 240小时样品失效用FIB和TEM分析。失效焊球的截面示于图7(a)，其中检测到不连续不平坦IMC。图7(b)是Ag-Al IMC的TEM放大图像。

图7(b)中观察到连续裂缝，位于IMC和Ag键合球之间界面处(区域5)。也能观察到明显的空洞，如区域4所示。可以认为，连续裂缝和空洞是电性能蜕化的直接原因。

观测到氧和铝是区域3中的主要成分，猜想其中是氧化铝。没能检测到银的氧化。反而在区域2观测到Ag晶粒。
从上面的IMC相分析，可得到一些初步结论：
（1） 高温高湿老化试验中的Ag-Al键合蜕化是由Ag-Al IMC腐蚀和裂缝引起的。
（2） Ag-Al IMC腐蚀由铝氧化引起，Ag不能被氧化，将以Ag晶粒形式析出。
Ag-Al IMC蜕化的机理可以解释为Ag-Al电偶腐蚀。在Ag-Al系中，存在较大的静电电位差。与周围的湿气一起作用，就发生Ag-Al电偶腐蚀。

可靠性的提高
在uHAST测试后Ag-Al蜕化的情况中，形成了氧化铝，它是由Ag-Al电偶腐蚀引起的。调整Ag合金线中的Pd对提高可靠性可能是有效的，所以在下面的试验中研究了掺杂不同的Ag合金线。Pd含量从A型线到B型和C型线增加，A型线是本文上面评估的引线(表9)。引线硬度也增加，不过能将可变率控制在8%以下。球键合和针脚式键合二者相似的参数窗口可见图8。所有这些引线没有检测到焊盘损伤问题。总的说来，尽管线硬度增加约8%，B型和C型线的线键合性能与Ag合金线的A型线类似。

表10给出了3种Ag合金线的可靠性结果。与A型比较，B和C型的性能较好。Pd含量中等的B型线尽管在uHAST 480小时内发现失效，但通过了uHAST 240小时及HTS1000小时测试。而C型线的性能最好，它通过了uHAST 480小时、HTS1000小时及TC1000个循环测试。

C型线经uHAST 480小时后的截面也用SEM检查，见图9，其中所有的IMC是连续而平滑的。而且，在这样的样品中没有发现明显的裂缝或空洞，特别是在IMC与Ag焊球间的界面上。所以，与A和B型比较，C型线是可靠性测试中性能最好的，特别是在uHAST测试中。

从实验和TMC分析定性可以认为，增加Pd能抑制在Ag-Al界面上的扩散。较低的扩散能抑制它们之间的电偶腐蚀，Ag-Al IMC将受到保护。所以，增加Ag合金线中的Pd能延长可靠性测试中Ag-Al键合系的寿命。

结论
评估了Ag线和镀Pd Cu线在存储器件Al焊盘上的应用。用Cu线时发现了引起电测试中漏电失效的焊盘裂缝。与此不同的是，用Ag线时，得到键合后的完整界面、小的超声功率和力、以及较大的参数窗口。

还在这种存储器件上检验了Ag合金线的可靠性性能，特别是uHAST（85%RH，130℃）和HTS（150℃）测试。估计IMC氧化和裂缝是可靠性蜕化的根源，而这是由Ag-Al电偶腐蚀引起的。提高可靠性结果表明，增加Pd含量能抑制界面腐蚀。改进的Ag线能通过uHAST 480小时和HTS1000小时测试。

根据本研究结果，由于无法避免的焊盘弧坑问题，镀Pd Cu线不能用在这种存储器件上，但使用Ag合金线时则有良好性能。作为低成本引线，建议以Ag键合线替代Cu线用于存储器件的Al焊盘上。

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