Ni-Co合金+Au镀覆陶瓷外壳的引线键合可靠性研究

丁荣峥，马国荣，李 杰，陈桂芳，史丽英

（1.中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035；2.江苏省宜兴电子器件总厂，江苏 宜兴 214221；3.无锡天和电子有限公司，江苏 无锡 214062）

Ni-Co合金+Au镀覆陶瓷外壳的引线键合可靠性研究

丁荣峥1，马国荣2,3，李 杰2，陈桂芳1，史丽英2

（1.中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035；2.江苏省宜兴电子器件总厂，江苏 宜兴 214221；3.无锡天和电子有限公司，江苏 无锡 214062）

为了提高陶瓷外壳镀层耐高温变色、耐腐蚀以及长期贮存的能力，带金属零件的陶瓷外壳需采用Co含量在20%~40%的Ni-Co+Au镀覆结构，镀层经退火处理。研究分析了Ni+Au镀覆和Ni-Co+Au镀覆结构对铝丝楔焊和金丝球焊可靠性的影响，通过常温、300 ℃高温贮存1 h、300 ℃高温贮存24 h后引线键合强度变化、键合面的元素面分布进行量化比较。试验表明Ni+Au和Ni-Co+Au镀覆结构对引线键合强度和可靠性无明显影响；两种镀覆结构的外壳在键合时，键合工艺参数也不需要进行较大的调整；铝丝在Ni-Co+Au镀覆结构与Ni+Au镀覆结构上键合，在键合界面均会生成金铝金属间化合物，但只要金层厚度受控，均不会产生“Kirkendall”失效，相对来讲Ni-Co+Au镀覆结构的缺陷密度较低，生成金铝金属间化合物进程会慢些。

陶瓷外壳；Ni-Co+Au镀层；键合强度；键合可靠性

1 引言

CSOP、CQFP、CDIP、CPGA等陶瓷外壳为保证互联可焊性、合金焊料熔封可焊性、与芯片互连引线键合可焊接性与可靠性，以及封装后电子器件耐恶劣环境，外壳的金属零件及暴露的金属化层的表面均进行镀覆。

国内陶瓷外壳均采用Ni+Au镀覆结构，对陶瓷外壳的镀覆结构未进行适应性分类：如带金属外引线或引出端的陶瓷外壳采用Ni-Co+Au镀覆结构，对无金属零件的陶瓷外壳采用Ni+Au镀覆结构，这样可以很好地使陶瓷外壳在长期储存中不易生锈，耐腐蚀性强。

Ni+Au镀覆结构的外壳键合可靠性在国内使用较广也有相关研究[5~6]，陶瓷外壳镀层改变为Ni-Co+Au结构，镀层的表面形貌、硬度、残余应力等发生细微变化，陶瓷外壳抗高温变色、耐腐蚀等能力得到提高，对陶瓷外壳镀覆结构的镀层材料、结构改变后的引线键合可焊性和键合互连可靠性有必要进行评价。

本文用金层质量、耐高温变色、盐雾试验均符合相关要求的电镀工艺生产的合格陶瓷外壳，拟从金丝球焊、硅铝丝楔焊两个方面进行研究，通过检测比较不同镀层下键合引线抗拉强度[1]、键合引线破坏抗拉试验失效模式，以及300 ℃、1 h[2~4]和300 ℃、24 h[3]高温贮存后键合引线抗拉强度[3]、键合引线破坏抗拉试验失效模式和键合界面的元素面分布[3]等来评价国产陶瓷外壳Ni-Co+Au镀覆结构镀层的可靠性，未采用200 ℃、125 ℃等相对低温的贮存来评价键合互连的可靠性[6]。键合指表面粗糙度虽对键合强度有一定影响[7]，但这与Ni-Co镀层材料和结构相关性较小，本文不论述。

2 陶瓷外壳Ni-Co+Au镀层样品

Ni-Co+Au镀覆结构和Ni+Au镀覆结构的0.80 mm节距CQFP64陶瓷外壳均由江苏省宜兴电子器件总厂提供，为同一批次生产的陶瓷外壳，仅底镀层材料不同。Ni镀层和Ni-Co镀层厚度均为3～5 μm，Co含量在25%～35%；Au层厚度均为1.3～2.0 μm，镀层均进行脱氢等处理。样品的基本情况参见图1、图2和图3。

图1 Ni-Co+Au镀覆结构的镀层表面显微表面形貌

图2 Ni-Co+Au镀覆结构的镀层厚度测试（SEM）

表1 Ni-Co+Au镀覆结构陶瓷外壳中Co含量测试值

图3 Ni-Co镀层成分检测

采用电镀标样进行Ni-Co镀层硬度测试，硬度值在250～350 HV，较退火的4J42引脚、盖板的硬度有较大提升（通常在190～230 HV），与电镀后高温处理有关。

3 样品键合工艺

芯片与外壳采用JM7000粘接，互连引线分别进行金丝和铝丝两种材料的键合。Φ30 μm金丝互连用K&S公司ICONN键合机进行超声球焊，Φ31.75 μm铝丝（含1% Si）用ASM公司AB559A键合机进行超声楔焊，键合工艺参数如表2所示。键合引线后每种样品分成3份，其中1份不做任何处理，1份在DHG-9246A烘箱中进行300 ℃、1 h高温存储，1份进行300 ℃、24 h高温存储。

表2 引线的键合工艺参数

4 常温下引线键合抗拉强度

因外壳表层均采用相同的金层，引线键合强度没有差异，常温下引线键合抗拉强度测试值不再列出。

5 300 ℃、1 h高温贮存后引线键合抗拉强度、失效模式及元素分布

用Φ31.75 μm硅铝丝超声楔焊，键合后经300 ℃、1 h高温贮存后测试引线键合强度。键合了6只，测试结果数据基本相同，表3是任意1个外壳的25个连续键合引线抗拉强度数据。

表3 300 ℃、1 h高温贮存后Φ 31.75 μm硅铝丝超声楔焊引线键合强度（单位/g）

Φ31.75 μm 1% Si-Al丝键合点经过300 ℃、1 h高温贮存后，其键合点周围界面并未有任何变化，参见图4；铝键下的情况参见图5，Ni+Au镀层上的金铝金属间化合物厚度较Ni-Co+Au镀层上的金铝金属间化合物厚度要厚。

用Φ30 μm金丝超声球焊，键合后经300 ℃、1 h高温贮存后测试引线键合强度。键合了6只，测试结果数据基本相同，表4是任意1个外壳的25个连续键合引线抗拉强度数据。

图4 Φ31.75 μm铝丝键合经300 ℃、1 h贮存后键合点形貌

图5 300 ℃、1 h贮存后Ni+Au镀层、Ni-Co+Au镀层与Al键合点界面元素分布

Φ30 μm金丝键合点经过300 ℃、1 h高温贮存后，其键合点周界面并未有任何变化，参见图6（图中黑色是表面污染颗粒物）。

图6 Φ30 μm金丝键合经300 ℃、1 h贮存后键合点形貌

6 300 ℃、24 h高温贮存后引线键合抗拉强度、失效模式及元素分布

用Φ31.75 μm硅铝丝超声楔焊，键合后经300 ℃、24 h高温贮存后测试引线键合强度。键合了6只，测试结果数据基本相同，表5是任意1个外壳的24个连续键合引线抗拉强度数据。

Φ31.75 μm 1% Si-Al丝键合点经过300 ℃、24 h高温贮存后，其键合点周界面并未有任何变化，参见图7；铝键下的金铝金属间化合物情况参见图8，Ni+Au镀层、Ni-Co+Au镀层与Al键合点界面情况基本相同。

图7 铝丝键合经300 ℃、24 h贮存后键合点形貌

表4 300 ℃、1 h高温贮存后Φ30 μm金丝超声球焊引线键合强度（单位/g）

图8 300 ℃、24 h贮存后Ni+Au镀层、Ni-Co+Au镀层与Al键合点界面元素分布

表5 300 ℃、24 h高温贮存后Φ31.75 μm硅铝丝超声楔焊引线键合强度（单位/g）

用Φ30 μm金丝超声球焊，键合后经300 ℃、24 h高温贮存后测试引线键合强度。键合了6只，测试结果数据基本相同，表6是任意1个外壳的25个连续键合引线抗拉强度数据。

金丝键合经300 ℃、24 h贮存后，在Ni-Co+Au镀层的键合指上的键合点形貌完整，没有任何金属间化合物，而芯片上出现了不良金属间化合物，虽然引线键合抗拉强度测试值也达到合格判据的规定值，但金属间化合物属于疏松结构且脆性大，增大了失效风险，参见图9和图10。

从以上分析可以看出，电镀Ni+Au层和Ni-Co+Au层对金丝键合无任何影响，对硅铝丝键合也均能满足相关要求；铝丝在Ni-Co+Au镀覆结构与Ni+Au镀覆结构上键合，均在键合界面生成金铝金属间化合物[8]，但只要金层厚度受控，均不会产生“Kirkendall”失效，相对来讲Ni-Co+Au镀覆结构层缺陷密度较低，生成金铝金属间化合物进程会慢些。

图9 金丝键合经300 ℃、24 h贮存后键合点形貌

7 结论

从以上数据对比分析可以看出，国产带金属引线或引脚的陶瓷外壳采用Ni-Co+Au镀层材料及结构在封装引线键合中不需要更改键合工艺流程、大幅度调整键合参数，也不考虑键合区表面粗糙度对键合强度的影响[7]，其键合强度基本相近，满足GJB548B-2005微电子电路试验方法和程序方法2011.1键合强度；键合参照GJB2438A-2002混合集成电路通用规范、Q/JA 20085-2012宇航用混合集成电路通用规范、Q/JA 20084-2012宇航用半导体集成电路通用规范中的相关要求对键合经300 ℃、1 h和300 ℃、24 h高温处理后，其引线键合强度、元素面分布等可靠性要求也均全部合格，Ni-Co+Au镀覆结构可以直接替代Ni+Au镀覆结构的镀层陶瓷外壳使用。

图10 芯片上键合点周围金属间化合物主要元素

表6 300 ℃、24 h高温贮存后Φ30 μm金丝超声球焊引线键合强度（单位/g）

[1] 中国人民解放军总装备部. GJB548B-2005微电子器件试验方法和程序[S]. 总装备部军标出版发行部.2005.

[2] 中国人民解放军总装备部. GJB2438A-2002混合集成电路通用规范[S]. 总装备部军标出版发行部.2003.

[3] 中国航天科技集团公司.Q/JA 20084-2012宇航用半导体集成电路通用规范[S]. 中国航天标准化研究所.2012.

[4] 中国航天科技集团公司. Q/JA 20085-2012宇航用混合集成电路通用规范[S]. 中国航天标准化研究所.2012.

[5] 张琪，姚莉. 金属外壳引线键合可靠性研究[J].电子与封装, 2009,9(3):28-31.

[6] 程春红，许洋，刘红兵. Au-Al双金属键合可靠性分析[J].半导体技术, 2011,36(7):562-565.

[7] 席俭飞，张方晖. 平整度对细Al丝超声引线键合强度的影响[J].半导体技术, 2009,34(11):1070-1073.

[8] W Kohl,S Weber,A Bischoff. 关于金-铝金属间化合物相形成的金相研究[J]. 江南半导体通讯, 19(3): 72-75.

Wire Bonding Reliability Study of Plating Ni-Co and Au Layer Ceramic Package

DING Rongzheng1, MA Guorong2,3, LI Jie2, CHEN Guifang1, SHI Liying2

（1.China Electronics Technology Group Corporation No.58Research Institute,Wuxi214035,China; 2.Department of Electronic Engineering,Jiangsu Province Yixing Electronic Device General Factory,Yixing214221,China; 3.Wuxi TianHe Electronics Co.,Ltd.,Wuxi214062,China）

In order to improve the anti-tarnish plating ceramic package ability, corrosion resistance and longterm storage capability, ceramic package with metal parts requires Ni-Co plating layer containing Co with in 40% mass of the layer and then can be used by the consumers after electroplating Au layer. The paper compareswire bonding intensity and element distribution under the temperature: room temperature, 300 ℃ in one hour and 300 ℃ in 24 hours. It analyzes the reliability influence of aluminum wire wedge bonds and the gold ball bonds processunder the condition:Ni+Au plating layer and Ni-Co+Au plating layer. The experiments indicate that Ni-Co and Ni-Au plating layer do no obvious effect on the reliance and the bond strength.Existing bonding process also does not need to make adjustments to meet the bond strength and bond interconnect reliability. Aluminum wire bonding in the Ni-Co+Au plating layer or the Ni+Au plating layer were generated between Au-Al intermetallic compounds in the bonding interface, but as long as the thickness of the gold layer is controlled, it will not produce "Kirkendall" failure, relatively speaking, a Ni-Co+Au plating layer is relatively low defect density, aluminum intermetallic compounds generated process will be slower.

ceramic package; Ni-Co + Au plating; bond strength; bonding reliability

TN305.94

A

1681-1070（2014）08-0001-07

2014-07-20