Исследование прочности проволочных микросварных соединений алюминий-золото при изготовлении микромеханических датчиков

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК.531.383-11

Исследование прочности проволочных микросварных соединений алюминий-золото при изготовлении микромеханических датчиков

А.В. Старцева, А.С. Ковалев, В.Ю. Бобов, Д.Р. Гаглоев

(ОАО «Концерн«ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург)

Аннотация

В работе исследован процесс деградации микросварных соединений алюминий-золото в зависимости от температуры для двух типов соединений, отличающихся площадью контакта. Для каждого типа микросварных соединений подтвержден линейный характер зависимости времени их деградации от температуры в координатах Аррениуса и определены значения энергий активации и коэффициентов, отвечающих за частоту столкновений реагирующих молекул золота и алюминия для каждого типа контактов. По результатам исследований было спрогнозировано время деградации контакта в температурном диапазоне от 85 до 150°С и показано, что при уменьшении размера шарика деградация микросоединений алюминий-золото происходит быстрее.

Введение

Деградация контакта золото-алюминий в результате образования интерметаллических соединений - одна из главных причин отказа работы микросхем, ограничивающая надежность прибора в целом. Эти соединения имеют сложный состав, зависящий от условий их образования [1]. Основные механизмы, приводящие к образованию интерметаллидов, описаны в [2]. Образование этих соединений приводит к возникновению механических напряжений на границе раздела фаз, возрастанию удельного сопротивления, изменению морфологии интерфейса, приводящих к деградации электрических и механических свойств контакта.

Кинетика роста интерметаллических соединений в контактах связана с взаимной объемной диффузией металла. Скорость химической реакции представляется уравнением Аррениуса из термодинамических соображений (1) [3]:

(1)

где с - константа скорости процесса; A - постоянная, характеризующая взаимодействие реагирующих молекул; Ea - энергия активации, эВ; k - постоянная Больцмана, эВ/К; T - температура, К.

Главным фактором, ускоряющим процесс деградации контакта, является температура. Энергии активации процесса образования интерметаллических соединений, о которых сообщается в литературе, изменяются в широком диапазоне [4]. Этот разброс отражает сложность данного процесса и его зависимость не только от температуры, но и от толщины алюминия и золота, чистоты поверхности, наличия примесей в пленках алюминия и в золотой проволоке. Это указывает на потребность оценки качества соединений и прогнозирования их надежности для каждого нового прибора.

В связи с этим целью настоящей работы стала оценка надежности двух типов микросварных проволочных соединений алюминий-золото, отличающихся площадью контакта, и прогнозирование времени их деградации в результате развития интерметаллических фаз AuxAly в заданных температурных условиях эксплуатации микромеханических датчиков. Объект исследования - микросварные соединения алюминий-золото типа «шарик-клин» и «шарик-шарик-клин», с размером шарика 65 и 50 мкм. Микросварка производилась на автоматизированной установке IConn золотой проволокой 99,99% Au, диаметром 25 мкм, фирмы SPM.

Методика эксперимента

Для прогнозирования времени деградации контактов алюминий-золото была проведена процедура их искусственного старения при трех температурах 300°С, 250°С и 200°С в вакуумной печи с определенным временным интервалом.

Испытания проволочных соединений на отрыв проводились на установке Dage 4000 с использованием картриджа WP 100 до и после операции искусственного старения.

Выдержка приборов при определенных температурах и временных интервалах продолжалась до тех пор, пока хотя бы одно проволочное соединение прибора переставало выдерживать усилие на отрыв больше 3 грамм. Через каждый временной интервал проводились испытания проволочных соединений на отрыв. Как только усилие на отрыв после выдержки прибора при определенной температуре составляло меньше 3 грамм, при этом происходил отрыв шарика с контактной площадки, и на месте контакта шарика с площадкой было видно образование фазы другого цвета, то это время выдержки при данной температуре признавалось временем полной деградации контактов.

Экспериментальные результаты

До операции искусственного старения были проведены испытания надежности проволочных соединений с размером шарика 65 и 50 мкм. Средние значения усилия на отрыв для каждого типа контактов составляют порядка 10 грамм. После операции искусственного старения также проводились испытания надежности проволочных соединений. Исследования показали, что после температурного воздействия 70% проволочных соединений имеют усилие на отрыв меньше одного грамма.

Результаты исследования влияния времени выдержки приборов при определенных температурах на надежность проволочных соединений с размером шариков 65 мкм и 50 мкм показаны в таблицах 1, 2.

Таблица 1

Влияние времени выдержки прибора при различных температурах на прочность проволочных соединений с размером шарика 65 мкм

Таблица 2

Влияние температурного воздействия на время деградации контактов с размером шарика 50 мкм

Из таблиц видно, что с увеличением времени температурного воздействия на прибор прочность проволочных соединений значительно уменьшается, вплоть до их полной деградации. Стоит заметить, что до операции искусственного старения после проведения теста проволочных соединений на отрыв золотые шарики оставались на алюминиевых контактных площадках, то после температурного воздействия на прибор происходил отрыв золотых шариков от контактных площадок. На месте контакта шарика с площадкой четко видно образование новой фазы (рисунок 1).

Рис. 1. Интерметаллическая фаза AuxAly на алюминиевой контактной площадке

Ниже в таблицах 3 и 4 представлены итоговые экспериментальные данные влияния температурного воздействия на время деградации контактов с размером шарика 65 и 50 мкм.

Таблица 3

Влияние времени выдержки прибора при различных температурах на прочность проволочных соединений с размером шарика 65 мкм.

Таблица 4

Влияние времени выдержки прибора при различных температурах на прочность проволочных соединений с размером шарика 50 мкм

Результаты исследований показали, что деградация микросоединений с меньшим по размеру шариком происходит быстрее.

Прогнозирование времени деградации проволочных соединений алюминий-золото в диапазоне рабочих температур

Для определения энергии активации процесса роста интерметаллических соединений алюминий-золото и оценки времени деградации контактов используется графический метод, основанный на построении графика зависимости (1) в координатах Аррениуса (по оси абсцисс - , по оси ординат -). Для построения зависимости (1) в координатах Аррениуса необходимо прологарифмировать уравнение (1) и принять, что константа скорости процесса обратно пропорциональна времени протекания реакции (2):

(2)

где td - время роста интерметаллической фазы (время деградации контакта); Ea - энергия активации, эВ; k - постоянная Больцмана, эВ/К; T - температура, К; A - постоянная, характеризующая взаимодействие реагирующих молекул.

Зависимость (1) в координатах Аррениуса имеет линейный вид y = ax+b, где , , , .

После проведения операции искусственного старения были получены экспериментальные времена деградации контактов алюминий-золото с размером шариков 65 и 50 мкм для температур 300°С, 250°С и 200°С (таблицы 2, 4). Полученные экспериментальные данные были представлены в координатах Аррениуса и аппроксимированы линейной зависимостью (рисунок 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Зависимость времени деградации контактов от температуры в координатах Аррениуса (слева - микросварные соединения с размером шарика 65 мкм; справа - микросварные соединения с размером шарика 50 мкм)

Из рисунка 2 видно, что экспериментальные данные хорошо описываются теоретической зависимостью (2). Определив экспериментально коэффициенты уравнения (2) для каждого типа соединений, можно рассчитать энергию активации процесса по угловому коэффициенту и спрогнозировать времена деградации контактов при различных температурах.

Энергия активации процесса роста интерметаллических соединений AuxAly для контактов с размером шарика 65 мкм составила 0,67 эВ, а для контактов с размеров шарика 50 мкм - 0,66 эВ. Энергия активации в обоих случаях имеют низкое значение, поэтому процесс образования фазы AuxAly протекает достаточно интенсивно. Также стоит заметить, что энергии активации для разных типов контактов отличаются незначительно и не зависят от размера шарика.

Коэффициент, отвечающий за частоту столкновений реагирующих молекул золота и алюминия для контакта с размером шарика 65 мкм равен 13, для контактов с размером шарика 50 мкм - 13,7.

Прогнозируемые времена деградации для двух типов контактов при более низких температурах представлены в таблицах 5 и 6.

Таблица 5

Прогнозирование зависимости времени деградации контакта с размером шарика 65 мкм от температуры

Таблица 6

Прогнозирование зависимости времени деградации контакта с размером шарика 50 мкм от температуры

Из расчета видно, что деградация контактов с размером шарика 65 мкм при температуре 85°С наступает через 265 дней, а деградация контактов с размером шарика 50 мкм при температуре 85°С наступает через 80 дней. Прогнозирование времени деградации проволочных соединений алюминий-золото показало, что они не выдерживают требований по надежности прибора в диапазоне рабочих температур, так как срок службы прибора в диапазоне рабочих температур от -40 до +85°С должен быть существенно выше. Поэтому необходимо подобрать технологические параметры таким образом, чтобы уменьшить взаимодействие реагирующих молекул золота и алюминия и увеличить энергию активации образования интерметаллических соединений.

Таким образом, при необходимости использования в приборах соединений алюминий-золото следует учитывать требования к надежности работы прибора в заданных температурных условиях эксплуатации, поскольку время деградации контакта может оказаться существенно ниже требуемого срока службы. Разработанная в данной работе методика позволяет оценить надежность микросварных соединений золото-алюминий в рабочем диапазоне температур, путем вычисления энергии активации образования интерметаллических фаз и коэффициента, характеризующего взаимодействие реагирующих молекул золота и алюминия.

диффузия металл деградация проволочный

Заключение

В данной работе была разработана методика расчета времени деградации микросварных соединений алюминий-золото, позволяющая оценить надежность проволочных соединений и влияние технологических параметров на их долговечность.

По разработанной методике был исследован процесс деградации двух типов соединений алюминий-золото в диапазоне температур от 200 до 300°С. Зависимость времени деградации контакта от температуры в координатах Аррениуса имеет линейный характер. Энергии активации образования интерметаллических соединений алюминий-золото для контактов с размером шарика 65 мкм и размером шарика 50 мкм отличаются незначительно и подтверждено, что данный параметр не зависит от размера шарика. Значение ln(A) для соединений с меньшим по размеру шариком увеличилось на 0,7.

По результатам исследований было спрогнозировано время деградации для каждого типа контактов в заданных температурных условиях эксплуатации микромеханических датчиков. Деградация контактов с размером шарика 65 мкм при температуре 85°С наступает через 265 дней; деградация контактов с размером шарика 50 мкм при температуре 85°С наступает через 80 дней. При уменьшении размера шарика деградация микросоединений алюминий-золото происходит быстрее, что требует проработки дополнительных мер по обеспечению заданных требований по надежности.

Литература

1. Hansen, M., The Constitution of Binary Phase Diagrams. - NY.: McGraw-Hill, 1958. - 590 p.

2. Teverovsky A., Sharma A. High-Temperature Degradation of Wire Bonds in Plastic Encapsulated Microcircuits // EMPC 2005, June 12-15, Brugge, Belgium

3. Harman G., Wire Bonding in Microelectronics. - NY.: McGraw-Hill, 1997. - 290 p.

4. Gerling W. Electrical and Physical Characterization of Gold-Ball Bonds on Aluminum Layers // IEEE ECC, New Orleans, Louisiana, May 14-16, 1984. - 13-20 p.

Размещено на Allbest.ru