技術干貨| 車規驗證對銅線的可靠性要求

    在集成電路封裝行業中，引線鍵合工藝的應用產品超過90%。引線鍵合是指在一定的環境下，采用超聲加壓的方式，將引線兩端分別焊接在芯片焊盤上和引線框架上，從而實現芯片內部電路與外部電路的連接。引線鍵合工藝發展至今，主要的引線材料有金線、鋁線、銅線等。在MCU、DSP等芯片中，傳統鍵合工藝仍以金線為主，但已出現銅線鍵合工藝的替代趨勢。主要原因有：

        （1）銅線鍵合球剪切力比金線高15%～25%，拉力值比金線高10%～20%，且在塑封注塑時具有良好的抗沖彎性；

        （2）銅線相較于金線而言，導電率和導熱性都優于金線；

        （3）銅線的成本優勢遠超金線，成本僅為金線的1/10。

盡管銅線在很多方面都優于金線，但銅線鍵合在以往的產品應用中，可靠性的表現卻顯得差強人意。據統計，銅線鍵合應用中的失效主要形式為鍵合線和基體分離、腐蝕、IMC過度生長等。引起失效的主要有以下因素：

        （1）銅線比金線更容易氧化；

        （2）銅線硬度大，超聲能量或鍵合力難以控制，工藝窗口較窄；

        （3）銅線耐腐蝕性差，對塑封材料要求高于金線。

        隨著引線封裝技術的發展，銅線鍵合能夠滿足芯片的多引腳、密間距、小鍵合的發展要求，進而實現功能更加復雜、功耗更低、價格更便宜的市場化需求。在汽車上使用銅線鍵合工藝的芯片產品也逐年提升。而針對該類型產品的可靠性問題，AEC組織也制定了相關測試標準，即AEC-Q006 （Qualification Requirements for Components using Copper (Cu) Wire Interconnections）。

        鍵合線作為連接封裝與晶片的重要材料，若采用的鍵合線為銅線，需要特別關注硅片與封裝相互影響方面（CPI）的試驗。以IC的車規驗證為例，以往只需要依據AEC-Q100標準開展測試，而對于銅線鍵合IC，則必須考慮AEC-Q006的額外要求，即進行AEC-Q100 Group A項目的加嚴測試，重點考察晶片與封裝的可靠性，主要包括封裝材料之間的熱膨脹匹配性、濕氣對封裝連接材料的腐蝕、高溫對鍵合線連接處的IMC生長等，相關試驗流程如圖1所示：

圖1：銅線AEC-Q100環境試驗流程圖

        ②涉及到兩次應力（stress 2×）測試的試驗主要是TC、HAST/THB、PTC、HTSL，其中TC和HAST/THB主要是針對銅線的工藝窗口較窄，且銅線的耐腐蝕性較差展開考察。另外，標準針對這兩項試驗也給出了相應試驗優化流程。第一次應力試驗后鍵合線力學性能和截面觀察測試可以放到第二次應力后再執行。

        ③對于PTC試驗來說，無需進行鍵合線力學性能和截面觀察的測試，主要的原因是：在AEC-Q的可靠性模型中，PTC這個試驗主要傾向于考察焊點疲勞和die attach這個兩個方面的可靠性。

        ④HTSL試驗主要考察鍵合線的IMC生長，該測試在兩次應力試驗后均需進行鍵合點剖面切片觀察；另外影響IMC的生長的因素主要可以分為溫度和塑封料氯離子含量等兩大要素，因此執行該項試驗需要盡可能不要選擇超過150°C的測試溫度作為測試條件。

        [1] AEC - Q006 Rev - A: Qualification Requirements for Components using Copper (Cu) Wire Interconnects

        [2] AEC - Q100 Rev - H: Failure Mechanism Based Stress Test Qualification For Integrated Circuits

        [3] Preeti S Chauhan,Anupam Choubey,ZhaoWei Zhong,Michael G Pecht.Copper Wire Bonding[M].Springer, New York, NY.

        [4] 沙帕拉·K·普拉薩-德,普拉薩-德,劉亞強.復雜的引線鍵合互連工藝[M].中國宇航出版社,2015.

        [5] JEDEC JESD22-A104E-2014,Temperature Cycling[S].

        [6] JEDEC JESD22-A110E-2015,Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test (HAST)[S].

        [7] JEDEC JESD22-A101D-2015,Steady-State Temperature-Humidity Bias Life Test[S].

        [8] JEDEC JESD22-A105D,Power and Temperature Cycling(PTC)[S].

        [9] JEDEC JESD22-A103E-2015,High Temperature Storage Life[S].

        [10] International S .Handbook For Robustness Validation Of Semiconductor Devices In Automotive Applications[J].[2023-09-21].

        [11] 美 拉爾 Lall, Pradeep,美 派特 Pecht, Michael G,美 哈吉姆 Hakim, Edward B.溫度對微電子和系統可靠性的影響[M].國防工業出版社,2008.