【摘要】 采用EBSD取向成像技术研究了各工艺参数(功率、载荷、超声作用时间)对倒装键合组织及微织构的影响，并与对应的剪切性能值进行比较。结果表明，功率的影响最显著，它可在增大形变量的同时提高键合强度;负荷加大形变量，但提高界面结合强度的效果不显著;超声持续的时间不明显提高形变量，但能在一定程度上提高界面强度。超声是通过软化金属，加强界面扩散的方式提高键合强度;超声的存在使取向变化的速度变慢。
【关键词】 金 倒装键合 EBSD 微织构
Microtextures, microstructures and properties of Au flip
Abstract: The effects of different bonding parameters on the deformation, microstructures and microtextures of gold flip chip bonds were analyzed using EBSD technique and compared with the shear test properties. Results indicated that the power increased both deformation and interface bondability; Load increased mainly deformation but less improved bondability. Duration of ultrasonic vibration enhanced bondability but less affected deformation amount. The effect of ultrasonic vibration is the softening of metals and the strengthening of diffusion through grain boundaries, but it reduced the orientation changes.
Key words: gold; flip chip bonding; EBSD; microtexture
引言微电子封装中超声键合工艺参数对键合强度的影响已有大量研究[1-3]，一般认为影响其键合强度的主要因素是超声功率、键合压力和键合时间。由于这些参数主要通过改变金丝球与芯片焊盘间界面上的摩擦行为而起作用，必然会引起焊点组织及织构的变化，这些变化到目前尚不清楚。此外，金丝球键合与倒装键合形变方式与形变量都有很大差异，其形变组织与微织构就会不同，它们也会影响焊点强度、刚度、电阻率和组织稳定性。织构的不同会影响弹性模量及拉拔时的界面强度、晶体缺陷的多少一方面产生加工硬化，提高强度，另一方面影响电阻;含大量晶体缺陷的组织是热力学不稳定的，可加速原子的扩散，也会造成后续时效时软化速度的不同。倒装键合的受力状态和应变速率都与常规的低应变速率下的单向均匀压缩不同，键合过程中会有一系列的微织构变化。本文分析了功率、负荷、时间对形变组织和取向变化的影响;另外通过剪切力试验，对比了各参数对键合强度的影响区别;讨论了金丝球凸点键合与倒装键合形变组织及微织构的最大差异。
1样品制备
试验样品为直径为1 mil(254 μm)键合金丝，经电子火花(EFO)形成金丝球，再经过Eagle60XL金丝球键合机形成金丝球凸点，倒装焊点是在AD81911TS焊接机上形成的。各种焊点均采用树脂镶样，然后经过磨样、机械抛光，最后采用离子轰击的方法达到EBSD试验样品要求。利用高分辨场发射扫描电镜Zeiss Suppra 1530及HKLChannel 5 EBSD系统进行取向成像分析。
2结果及分析
21超声功率的影响图1(a)为不同超声功率下样品的形变量和性能的关系曲线。可见功率由02 W增大到07 W后，因功率增大而导致的键合样品形变量增加~20%，总形变量达70%。性能也由无功率时的不能键合增加到2400 gf(注：这是几个样品的总值)，并且未出现下降。图2为各样品的取向成像，红色为〈111〉‖压缩轴的取向，黄色为〈100〉取向，蓝色为〈110〉取向。前两种主要是原始取向，后者是压缩变形的稳定取向。组织形貌显示，原始柱状晶被完全压扁。〈110〉区域明显增多。图1(b)为各样品不同织构的定量结果，可见，因超声软化作用提高形变量使〈110〉增加约125%。形变不均匀性还表现在两侧的形变量明显小。图1不同超声功率下样品的形变量和性能的关系曲线(a)及对取向的影响(b)
22载荷的影响图3(a)为不同载荷下样品的形变量及性能变化的曲线。可见，负荷从800 gf增至1600 gf时，形变量只增加7%，增加幅度较小，不如功率的影响大。性能变化不大，有微弱的先增加后减小的趋势。由于形变量增加就不大，所以还不能说，形变量影响小。与图1的性能数据相比，还未达到最佳键合强度。即使形变量达到70%，也难以达到提高超声作用的效果。图4给出不同载荷下样品的取向成像。也明显看出，载荷变化的范围小，形变量变化也不大，形变组织比较相似。从定量数据看(图3(b))，〈110〉织构含量在下降。这应属于波动。组织上的另一特点是，下侧中心部位为原始金凸点的尾部，即自由球下的热影响细晶区。倒装键合时，该部位所受变形量最大，这也是要键合的界面，因此，大量的晶体缺陷会促进扩散键合。与文献3数据相比，本实验所用力是很大的。图3载荷对形变量、剪切强度(a)及织构百分数(b)的影响。
23超声作用时间的影响图5(a)给出不同超声作用时间对形变量及键合强度的影响。在实验所用的最短超声作用时间100 ms，形变量也达到62%，时间增至500 ms后，形变量只增加2%。值得注意的是，界面键合强度却增加了(1650-1400=)250 g;而改变负荷时，形变量增加7%，键合强度只在100 gf内波动。所以，超声作用时间对界面键合强度的影响比载荷更大。说明，加速界面附近原子扩散能力更关键。图6给出不同超声作用时间下样品取向成像。图5(b)给出定出的织构组分量。因形变量几乎没有变化，该图〈110〉不断增加应是波动。因形变量已很大，超声时间延长主要表现在界面键合强度的提高，组织上是反映不出来的。这与小变形量的金丝键合不同。
3结论
采用EBSD取向成像技术检测不同工艺参数对金丝倒装键合焊点的形变组织与微织构主要结论如下：(1) 三个工艺参数中，功率及载荷对形变组织影响更显著，而功率和超声时间对键合强度影响更显著。原因是超声波激活了原子，加速扩散。(2) 倒装键合时形变也是不均匀和不对称的。原凸点尾巴处形变量最大，原始组织也最细，细晶及大量位错缺陷促进界面扩散，有利于键合。两侧边缘的形变量小。(3) 与金丝球键合相比，最大的差异是大形变下，晶粒被压扁，〈110〉取向的出现。
【参考文献】
[1]Qi J, Hung N C, Li M, et al. Effect of process parameters on bondability in ultrasonic ball bonding [J]. Scripta Materialia, 2006(54)：293-297.
[2]Pang C C, Hung K Y, Sham M L. High Frequency thermosonic flip chip bonding for gold to gold interconnection [C]. IEEE 2004 Electronic Components and Technology Conference, 2004, 1461-1465.
[3]Luk C F，Chan Y C，Hung K C. Development of Gold to Gold Interconnection Flip Chip Bonding for Chip On Suspension Assemblies [J]. Microeletronics reliability，2002(12)：381-389.
[4]Jeon I，Chung Q. The study on failure mechanisms of bond pad metal peeling：Part BNumerical analysis [J]. Microelectronics Reliability, 2003(43)：2055-2064.
[5]Rooney D T, Nager D, Geiger D, et al. Evaluation of wire bonding performance, process conditions, and metallurgical integrity of chip on board wire bonds [J]. Microelectronics reliability, 2005(45)：379-390.
