功率器件铜丝球键合可靠性研究

论文摘要

本文研究了功率器件中铜丝球键合工艺及可靠性。对铜丝球键合焊形球过程FAB参数进行了优化。分析表明,烧球时间和烧球电流对形球质量的影响较大。随着烧球参数的增加,铜球直径也相应增加。通过对键合后焊点的外形及强度分析认为,当烧球直径约为铜丝直径的两倍时能形成最佳的键合点。对键合过程中的主要工艺参数进行了优化,确定了2mil铜丝的标准工艺规范参数。研究发现,随着超声功率和键合压力的增加,焊点的剪切强度有所增加,不同阶段的键合参数对键合质量的影响差异很大,与键合功率和压力相比,键合时间和温度对键合质量的影响相对较小。键合过程中超声对金属起软化作用,但键合后由于过度变形反而使键合点的硬度高于丝线本身。键合过程中界面应力最大处分布在键合劈刀的正下方,键合初期界面的摩擦使得氧化膜有效去除并增加了界面塑性变形的能力,键合后焊点强度一部分来源于摩擦过程中的机械咬合。滑移是键合过程中铜球主要变形机制。铜丝球键合点在老化过程中Cu-Al金属间化合物的生长呈多层状分布,250℃老化121小时后铝层消耗殆尽,但并没有出现因扩散差异造成的柯肯德尔空洞及裂纹。在长时间的老化条件下,铜丝球焊点内部位错和缺陷显著降低,铜球得到了一定程度的软化。分析了铜丝球键合点老化过程中的剪切强度及失效模式。发现铜丝球键合点剪切断裂载荷在老化初期随老化时间增加而增加,随后随老化时间增加又有所下降。老化初期焊点剪切失效模式为完全剥离,当老化时间长达64小时之后剪切失效模式逐步转变为铝层断裂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 背景及选题意义
• 1.1.1 铜丝球焊工艺研究现状
• 1.1.2 铜丝球焊可靠性研究现状及分析
• 1.2 本文主要研究内容
• 第2章 试验材料与方法
• 2.1 本文研究过程
• 2.2 试验材料
• 2.3 试验设备和方法
• 2.3.1 试验设备
• 2.3.2 界面组织分析铜球质量测量
• 2.3.3 工艺参数实验设计方法
• 2.3.4 剪切和拉伸试验
• 2.3.5 显微硬度测试
• 第3章 铜丝球焊FAB 参数优化及其影响
• 3.1 铜丝球焊FAB 工艺
• 3.2 铜丝球焊FAB 工艺参数优化
• 3.2.1 铜球FAB 直径对焊点键合性能的影响
• 3.2.2 烧球参数对形球质量的影响
• 3.2.3 保护气体温度对铜球质量的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 铜丝球焊键合工艺优化及其影响
• 4.1 引言
• 4.2 键合工艺参数的优化
• 4.2.1 超声功率对键合质量的影响
• 4.2.2 键合压力对键合质量的影响
• 4.2.3 键合其他参数对焊点键合质量的影响
• 4.3 键合工艺规范的确定
• 4.4 键合超声机理分析
• 4.4.1 键合后焊点的界面特征
• 4.4.2 键合后焊点的显微硬度分析
• 4.4.3 键合焊点受力摩擦变形过程及晶体结构分析
• 4.5 本章小节
• 第5章 老化过程焊点微观组织演变及失效模式分析
• 5.1 引言
• 5.2 老化过程中焊点的界面微观组织演变
• 5.3 老化过程中铜球内部的晶体结构分析
• 5.4 老化过程对焊点机械强度的影响
• 5.5 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢