合金元素对Ag/（Al、Cu、Au）界面性质影响的第一性原理研究

发布时间：2021-09-23 00:11

　　近年来,随着黄金价格的上涨和电子器件趋于小型化和多功能化,迫切需要向低成本和高密度封装发展。目前,Ag表现出优异的导电、导热性能和良好的力学性能,已发展成为除Cu丝外的另一种替代Au丝的基础材料。纯Ag丝本身强度较低,在高速键合条件下存在易断线和硫化等缺点,通过多元合金化是改善上述问题的有效途径。然而,Ag键合丝实际使用中与Al、Cu、Au焊盘存在异质界面问题,关于合金元素对界面性质的影响有工作者通过实验分析进行了研究,但由于实验测试技术的限制和界面观测的复杂性,合金元素在微观上对界面性质影响的认识仍是尚待解决的问题。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,通过对界面畸变程度、分离功、界面能和电子结构等性质的计算,分析了11种合金元素（Au、Cu、Pd、Be、Mg、Al、Ca、Ni、Ti、Sn、In）掺杂在Ag中对Ag/（Al、Cu、Au）界面性质的影响,从原子尺度讨论了合金元素的作用机制,为实际应用中Ag键合丝合金化元素选择提供参考。本文的主要研究内容和结论如下:1.计算了Ag、Al、Cu、Au低组数晶面的表面能,结果表明所有金属的表面能均满足:σ_（111）

【文章来源】：重庆理工大学重庆市

【文章页数】：91 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

引线键合技术

/Al金属间化合物（如图1.2），使得键合处电阻急剧增大，导致器件使用性能恶化；同时，由于这些金属间化合物性能的差异，会在键合接头部位形成可见的柯肯德尔空洞（KirkendallVoid），使键合处产生空腔或形成微裂纹萌发区，严重时会使焊点脱键[6]。其次，金丝的耐热性差，高温键合过程会导致引线强度降低；而且，金的再结晶温度低（150℃），因此在球焊过程中，焊球附近的金丝由于受热而形成晶粒粗大再结晶组织造成颈部强度减低，严重时会造成颈部变形或断裂。最后，由于近年来黄金价格的上涨，导致采用Au丝封装成本过高。图1.2Au-Al金属间化合物1.2.2键合铜丝近年来随着Au价格的增加，Au键合丝在市场上的占比逐年降低，据统计，从2012到2017年，Au丝市场占比已由58%下降到32%[13，34]。而Cu丝由于具有价格便宜，刚性好，良好的导电、导热性能，适用于超细间距引线键合等优点，2017年

1绪论7的深入研究。1.3.1键合界面微结构李军辉[48]通过SEM与EDS技术研究了Al/A1，Au/Al和Au/Ag超声键合界面形貌，结果表明：键合界面接头形状特征类似一个中央未结合的椭圆（如图1.3），键合中心未实现键合，键合边缘形成大量脊皱产生键合。在对Ag键合丝与Cu键合丝的键合界面研究中也发现了类似的键合形貌[49-51]。出现此类形貌特征的原因有：(1)超声能量作用使键合丝发生软化，同时提供的键合压力使键合丝产生变形，而键合界面边缘区域的键合丝发生了最为严重的挤压变形，储存变形能最多，因此键合界面边缘位置首先实现结合[52]。(2)键合中心首先与焊盘接触，导致该处应力最集中，不易发生塑性流动，在键合丝和焊盘表面形成的氧化物难以去除，阻碍了中心区域的结合[53]。键合界面的脊皱区提供了界面键合的强度，该区域越大表明界面的有效连接面积越大，通常键合强度也越高。分析界面微结构与键合强度的关系，可以反映界面键合接头的可靠性，对于提升引线键合质量具有很大的实际意义。图1.3键合界面接头形貌[48]1.3.2界面化合物演变行为由于Al作为焊盘材料表现出来的优异性能和工艺成熟等优点，如：良好的导电、导热性、与Si基板有良好的粘附性、键合强度高、便于沉积和光刻等[54]，因此应用较广泛。除此之外，Au表现出化学性质稳定、Cu具有优异的导电性能和抗电迁移能力，因此在高密度封装制造和高频器件引线互连系统也会采用这两种材料作为焊盘[55-56]。键合丝在键合过程或服役过程中会形成金属间化合物(IMC)，适量的IMC能保证键合界面的接合强度。但从IMC物理性能来讲，它是一种脆硬相，导电性和机械性能差，过量的IMC会削弱界面的键合强度和导电性能，影响电子器件的使用性能和寿命，因此关于界面化合物的演变行为引起了广泛的关注。根?


本文编号：3404633