技术干货| 车规验证对铜线的可靠性要求

        在集成电路封装行业中，引线键合工艺的应用产品超过90%。引线键合是指在一定的环境下，采用超声加压的方式，将引线两端分别焊接在芯片焊盘上和引线框架上，从而实现芯片内部电路与外部电路的连接。引线键合工艺发展至今，主要的引线材料有金线、铝线、铜线等。在MCU、DSP等芯片中，传统键合工艺仍以金线为主，但已出现铜线键合工艺的替代趋势。主要原因有：

        （1）铜线键合球剪切力比金线高15%～25%，拉力值比金线高10%～20%，且在塑封注塑时具有良好的抗冲弯性；

        （2）铜线相较于金线而言，导电率和导热性都优于金线；

        （3）铜线的成本优势远超金线，成本仅为金线的1/10。

尽管铜线在很多方面都优于金线，但铜线键合在以往的产品应用中，可靠性的表现却显得差强人意。据统计，铜线键合应用中的失效主要形式为键合线和基体分离、腐蚀、IMC过度生长等。引起失效的主要有以下因素：

        （1）铜线比金线更容易氧化；

        （2）铜线硬度大，超声能量或键合力难以控制，工艺窗口较窄；

        （3）铜线耐腐蚀性差，对塑封材料要求高于金线。

        随着引线封装技术的发展，铜线键合能够满足芯片的多引脚、密间距、小键合的发展要求，进而实现功能更加复杂、功耗更低、价格更便宜的市场化需求。在汽车上使用铜线键合工艺的芯片产品也逐年提升。而针对该类型产品的可靠性问题，AEC组织也制定了相关测试标准，即AEC-Q006 （Qualification Requirements for Components using Copper (Cu) Wire Interconnections）。

        键合线作为连接封装与晶片的重要材料，若采用的键合线为铜线，需要特别关注硅片与封装相互影响方面（CPI）的试验。以IC的车规验证为例，以往只需要依据AEC-Q100标准开展测试，而对于铜线键合IC，则必须考虑AEC-Q006的额外要求，即进行AEC-Q100 Group A项目的加严测试，重点考察晶片与封装的可靠性，主要包括封装材料之间的热膨胀匹配性、湿气对封装连接材料的腐蚀、高温对键合线连接处的IMC生长等，相关试验流程如图1所示：

图1：铜线AEC-Q100环境试验流程图

        ②涉及到两次应力（stress 2×）测试的试验主要是TC、HAST/THB、PTC、HTSL，其中TC和HAST/THB主要是针对铜线的工艺窗口较窄，且铜线的耐腐蚀性较差展开考察。另外，标准针对这两项试验也给出了相应试验优化流程。第一次应力试验后键合线力学性能和截面观察测试可以放到第二次应力后再执行。

        ③对于PTC试验来说，无需进行键合线力学性能和截面观察的测试，主要的原因是：在AEC-Q的可靠性模型中，PTC这个试验主要倾向于考察焊点疲劳和die attach这个两个方面的可靠性。

        ④HTSL试验主要考察键合线的IMC生长，该测试在两次应力试验后均需进行键合点剖面切片观察；另外影响IMC的生长的因素主要可以分为温度和塑封料氯离子含量等两大要素，因此执行该项试验需要尽可能不要选择超过150°C的测试温度作为测试条件。

        [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·普拉萨-德,普拉萨-德,刘亚强.复杂的引线键合互连工艺[M].中国宇航出版社,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 拉尔 Lall, Pradeep,美 派特 Pecht, Michael G,美 哈吉姆 Hakim, Edward B.温度对微电子和系统可靠性的影响[M].国防工业出版社,2008.