半导体组件上的镀金的层污染的影响︰ 一个失败的分析视角

在世界的包和板水平组装、 陶瓷衬底上垫层压板基板或 PBC 板是通过使用任一金属电解或化学镀。

电镀是解决方案的基础、 连续的过程，即镀铜可能跟着镍或镍 / Pd 和最后非盟或 Ag。每个电镀工艺隔开冲洗，但是电镀序列是在一个连续电镀线。液体将由镀金的基板和上游机架倾向进行上游镀液污染高潜力。此外，电镀线的高度腐蚀性环境意味着金属电镀衣架和行中的其他设备的化学侵蚀是永远存在。这些腐蚀产物也最终在镀，因而在镀金层。

电镀浴施工的关键化学品也提出了离子污染的来源。例如，电解镍镀液通常包含阴离子 SO4-和 Cl-以及阳离子 H +。这些离子可以最终走上表面的镀的件或电镀如 H2 可以通过不断镀金的层吸收时产生的气体。

长链有机分子也添加到镀到控制镀膜均匀性以及晶粒尺寸和表面纹理 （增白剂，平台）。使用情况下，这些长链分子会分解成短链片段，和这些碎片然后将最终被纳入电镀层。这种有机污染的电镀层会影响层化学和力学性能，这反过来会影响装配过程。

本文将考虑各方面的镀金的垫污染从失效分析的角度的影响。对于每一种情况，我们将观察到的失效模式及做的目的是跟踪到一个特定的镀金的层污染过程失败的分析。我们还将讨论如何通过增加镀覆工艺控制或改变装配过程的某一方面可消除失效模式。从装配角度来看，焦点将在模具上附加和引线键合过程。

有机污染的镀 Au 垫导致不粘铝 wirebonds

在基地向非盟垫上超过 5%的铝陶瓷封装的引线键合过程中电线未绑定到垫 （”非大棒”）。这些不沾锅电线观察，取消掉垫后的引线键合过程。垫金属是用电解镀镍钨 (4 μ m) 和非盟 (3 μ m)。发起了扫描电镜的基础调查，确定不粘 wirebonds 的根本原因。

多氯联苯和陶瓷基板之外，无计可施垫经常涂有电解镍、 电解非盟。铝导线的粘接，该层非盟积极参与债券形成通过充当粘结相的金铝金属间化合物的形成。软非盟为成功键合相形成，纯度非常高，需要首先形成铝线材和非盟垫，极 IMC 相形成的前兆之间亲密的接口。

在介绍中提到，有机添加剂是非盟镀的关键组成部分和播放次数有益的功能。有机添加剂行为到了电镀层的水平使高电流密度功能，例如边缘和角落可以镀表面的其余部分作为层厚度相同。有机添加剂也非盟晶粒尺寸和质地的影响表面光洁度的影响。

有机添加剂行为到了电镀层的水平使高电流密度功能，例如边缘和角落可以镀表面的其余部分作为层厚度相同。

虽然有机添加剂是有益的随着时间的推移他们将打破从长链有用分子镀金层的短链有机碎片。当发生这种情况时，金层变得越来越难更多孔。这一趋势的有机污染诱发硬度将随浴年龄作为窗体片段，然后将纳入到镀金层更有机添加剂细分项目增加。这一趋势如图 1 所示。超过 30 天的浴用法，镀层硬度的非盟浴氰化物见过单调增加。

在图 1 中所示的情况下，在 30 天后的有机物从非盟浴删除所有使用活性炭过滤过程。这种疗法后, 浴添置了一套新的有机添加剂和硬度是重新计量。后碳过滤的短链有机污染，镀层硬度的被观察返回到附近 70 高压”新鲜浴”水平。

硬度和表面有机含量高可以为老年的非盟浴，引线键合过程对非常严重的影响。

图 2 （a） 是非盟垫从陶瓷包中失败引线键合在上面的示例。请注意是很小的颗粒 (< 1 μ m)，还有高水平的电镀层的孔隙度。孔隙度是高有机质含量的重要指标。有机污染和粒径较小导致硬的金矿床。显微硬度测试表明硬度值 > 100Hv，明显比金镀从新鲜浴有硬度接近 70 高压.图 2 （b） 显示紧密，柔软的非盟，是理想的引线键合的微观结构。

如图 1 所示，当浴，创建硬，多孔、 细粒金矿图 2 （a） 所示用活性炭处理和电镀电流密度降低，硬度回到水平低于 80 H.此外，存款变得致密，晶粒尺寸增大到 2-5 μ m 范围内。这些调整后，铝引线键合不粘锅问题被淘汰了。

金属杂质诱导排尿中极 wirebonds

烧伤后，在失败粘结到电源设备上的非盟垫铝线材。制备了截面的电线”脚”（最初保税部分导线） 和垫。图 3 显示了在低倍镜下，横向截面的失败的线脚和图 4 所示的 IMC 阶段高倍镜下。这些剖面显示非盟垫和非盟富极 IMC 阶段之间发生故障。

为进一步确定这种失败的根本原因，俄歇分析进行非盟垫看高灵敏度的杂质可能过程的影响之外，无计可施。俄歇谱了不受邦线工艺垫一角。俄歇谱，图 5 所示，水平较高的镍杂质在非盟垫上。

Horsting1 在极引线键合过程中审查了 Au 金属杂质的影响。Horsting 表明当非盟垫与铝线材，形成极 IMC 阶段反应，杂质在非盟将集中在极反应前面。这些集中的杂质然后作为接收器空位形成。职位空缺本地化沿界面，特别是在高温期间烧伤，可以凝聚到窗体空隙沿界面，最终将导致债券失败。这种类型的排尿看作是高度非盟丰富 IMC 分阶段附近的非盟界面，这里观察。

因此，一个关键的问题-在镀 Au 镍杂质的来源是什么？

有被污染的镍镀 Au 垫两个潜在机制。

由于镀镍是镀金，只由漂洗槽分隔相邻，下游过程可能会出现一种现象被称为”拖出”。拖出指镍镀液，不完全冲洗掉板或被困在闭塞地区的电镀架，然后污染上游非盟浴。一旦镍进入非盟浴，它可以共同板与非盟。拖出问题是可以纠正的按增强冲洗和重新设计或维护的电镀衣架来减少可以捕获解决方案的领域。

镍污染的非盟镀金层的第二个机制在电镀过程中不会发生，但在随后的热工过程期间发生，如模具附加。

镍污染的非盟镀金层的第二个机制在电镀过程中不会发生，但在随后的热工过程期间发生，如模具附加。

虽然通过非盟谷物泥扩散速度太慢，镍可以迅速扩散到金层沿晶界。散装和晶粒边界扩散系数中的镍在非盟所示图 5.2 您可以看到在非盟镍，晶界扩散是多达 6 个数量级高于散装谷物扩散。向非盟表面扩散的镍量强烈取决于两个因素。第一个因素是金厚度。第二个因素是时间在高温期间任何镀金与引线键合的工艺步骤。典型的非盟厚度 1 和 2 微米之间，温度在 250 C 或以上的范围须导致任何重大的镍扩散到非盟表面。

金锡模附加和吸塑屏幕操作潜在来源非盟镍污染扩散有关。避免这一问题的关键是限制进程之前引线键合 250 ℃ 以上的时间。

在上面讨论的极键合失效分析案例，金镀层镍污染导致提出 Horsting 气泡形成。镍对镀 Au 垫的表面也可以为非盟 Au wirebonds 非常重要的影响。图 73 表明非盟之外，无计可施不粘锅发生率作为镍浓度对镀 Au 的功能。

在这种情况下，拟议的失效机理是由于垫表面镍氧化物的形成。镀镍氧化物层可以防止金线和非盟垫，防止形成的非盟 Au 扩散债券之间的电线和垫之间的亲密接触。

多金属结核电镀和芯片连接排尿

对于高热力或电力需求的应用程序，是一个强大的趋势降低模具附加层厚度产生债券线厚度 < 10 μ m。这是真的，因为这两个金锡硬焊料模附加和 Ag 填充的环氧树脂。稀释剂粘合线的优点是既降低的模具附加材料成本 （非常关键的金锡）、 热性能和电气阻力也降低。

杂质或特别是铜和银电镀，镀液中的外国材料可以导致表面的镀金垫结节状结构的形成。如果此结节状的结构变得大于几个微米，它可以导致重大排尿为薄债券线厚度。

化学镀铜 — — 结节的形成来源

大多数内铜多金属结核镀金层受到外国材料或镀液中的粒子的形式。由于连续过滤的浴池，粒子，创建最严重的问题是那些由于电镀过程本身而产生。

有两个关键的微粒污染的电解铜来源。许多铜电镀电解浴”可溶性阳极”用作铜离子源。可溶性阳极是杯，载钛笼，阳极偏在电镀过程中的球。在电镀，这些球 H2SO4 电解液形成 Cu2 +、 SO42-离子在溶液中溶解。Cu2 + 离子然后出去上衬底阴极偏压板。

杯的球，但是，做不完全溶解。当他们变得越来越小，小他们开始与毗邻的球和钛笼松电气接触。即使这些粒子解体是围绕整个阳极，滤袋，小的铜粒子逃进浴。当这些粒子进入阴极附近时，他们成为纳入电镀层。作为电镀收益在这些包埋的粒子被形成结节。

图 8 显示截面的铜结节表面的铜，镍，金镀垫。此剖面被蚀刻来表明铜晶粒结构。后刻蚀，球形铜粒子被视为结节的来源。如上所述，此结节在电镀过程中坚持铜表面和表面镀铜进行随后镀在。

第二个外国材料在镀铜的来源电触点电镀架上。电解电镀，每个基底必须进行电镀机架的电气接触。在电镀过程中，机架上的联系人将板和垫衬底上。

因为接触通常是电线或针，针尖端区域附近的电镀将成为由于很高的电流密度，周围尖锐特征很厚。这厚厚的镀的铜对电镀架触头往往导致形成的铜片，哪能垫关闭和镀液中告终。铜阳极解体一样，这些薄片可以来合并结节形成镀金层中。

镀金的低层氧化

镀金的化学镀镍和浸金 (ENIG) 的引线框架有很差的 SAC305 焊锡润湿。要分析这个问题的根本原因，ENIG 镀金的垫是横截面和审查在扫描图 9 中所示的镀金层结构。

这张图显示的是电少 NiP 层镀金液浸泡腐蚀严重。很明显因为腐蚀的 NiP 部位 （现在镍氧化物） 同时也充满了镀 Au，因此，这种腐蚀期间浸泡非盟沉积造成。

这是一个确凿的现象，被称为”黑色垫”。在焊接过程中的 Au 层溶解由 SAC 305 焊锡其中暴露出的氧化的镍层。一旦液体焊料命中氧化物表面它会脱湿从垫。钎料与非盟层交互时, 它将在整个湿

表面。当这湿润的层然后脱湿时，横跨垫的表面形成焊料的小的珠子。

一个众所周知的解决办法，若要避免此问题是介绍 Pd 层之间化学镀镀镍和非盟︰ 化学镀镍，浸泡 Pd，浸金 (ENIPIG)。Pd 层保护化学镀 NiP 从非盟电镀化学浸泡在电镀过程中。

一个重大问题，不过与 Pd 电镀的层堆栈中向上是焊料孔隙在 Pd 是垫金属层之一时变得更加稳定。焊料空洞通常造成的蒸发在焊接过程中的助焊剂和不能逃脱从液态钎料层。图 10 显示无效的焊料与金属间化合物的结构，它可以发生局部放电时本 SAC305 焊锡。

请注意，有一种 (Pd，Ni) IMC 阶段 （在显微结构的其余部分是 Sn） 天井周围形成。这一阶段可能沉淀出的虚空周围的液体焊料。很可能这形成沉淀和凝固 (Pd，Ni) Sn 相的虚空周围有助于稳定这一空白，使它更难被困的气体通过液态焊锡逃脱。这种类型并不是结构的时候，焊接到镀金层与没有 Pd。

分析表明 Pd 中 ENIPIG 电镀厚度是非常关键。关联的太薄，黑色垫焊料无法润湿可以发生。太厚，和焊料无效稳定 （钯、 镍） Sn 相可以形成。

镀金的层堆栈内的污染

射频功率放大器被安装在被镀镍、 金铜/W 法兰上。可通过模具附加在 420 C 后，水泡观察表面镀金的法兰上。为了确定水泡形成，水泡之一的根本原因开辟了和双方消除分层故障进行扫描电镜与编图 11 显示皮水泡表面在光学和扫描电镜图像。

图 12 显示了 EDS 分析皮金属底面。

失败界面的底部和顶部侧主要表明镍，指示故障发生两个不同的镀镍层之间。

在法兰电镀工艺，首先镍罢工沉积层。这一层被镀从很高的镍浓度浴在很高的电流密度。倪罢工的目的是要到铜/W 法兰表面有良好的附着力。沉积镍罢工后，法兰进入新的镍浴泥层增厚放置在较低的电流密度。对双方的失败表明，Ni 罢工和镀镍层之间发生故障的化学分析。

EDS 谱也显示高水平的铜两边都失败。在上表面，铜层是 15.5 at.%（显示） 和底部层 39 at.%（未显示）。这种铜污染很有可能是妮妮到分层的根本原因，

结果观察到水泡形成。

因为清洗后铜/W 法兰直接进入镍罢工浴，最有可能的浴与高水平的铜污染是罢工浴。为此，必须不断监测镍罢工浴集结的污染。当铜含量超过 20 ppm 时，应更换浴。

如果铜镍罢工层的表面上，它会迅速氧化形成 Cu2O 时暴露在空气中。当在这层氧化物随后镀镍时，它将很差坚持底层镍。任何应力，界面会分层，水泡会形成。

摘要

在本文中，我们采取了失败分析方法以描述程序集的数目相关的直接链接到在电镀过程中的污染的问题。我们考虑有机污染和金属污染之外，无计可施可靠性的影响，在模具上的结节形成的影响附加气泡形成，”黑色垫”形成的影响焊锡润湿，Pd 在电镀序列在模具的影响附加气泡形成并讨论了如何镀的液杂质可以导致在金属分层 （水泡形成） 期间死附加。对于每个这些缺陷，我们显示失效分析数据以支持的失效机理，并还建议如何每个可能减轻由进程或控件中的更改。

引用

1.老温 Horsting，第十届年度刘瑞 IEEE，可靠性物理幻彩。拉斯维加斯，内华达州 1972 pp 155-158

2.乔治 · 哈曼”引线键合在微电子材料、 工艺、 可靠性和产量，麦格劳-希尔，1997 p173

3.乔治 · 哈曼”引线键合在微电子材料、 工艺、 可靠性和产量，麦格劳-希尔，1997 p174

乔纳森 · 哈里斯博士发挥了领导作用，发展和电子应用的先进材料为 20 年来表征。哈里斯博士是 CMC 实验室主席，集中在 LED、 医疗电子、 电力电子、 汽车和军事应用的先进材料失效分析实验室。哈里斯博士从布朗大学固体物理学中拥有博士学位。