LACZKÓ
BÉLA
Kandó Kálmán -Villamosipari Műszaki Főiskola Alkatrésztechnológia Tanszék Ü JVÁRI
ANDRÁS
Egyesölt Izzólámpa és Villamossági R . T . Ágazati Félvezető Fejlesztés DÁVID
BÉLA
Telefongyár, Alkátrész Alkalmazástechnikai Laboratórium
Az átmeneti ellenállás változásának mérése — módszer a kötések degradációjának vizsgálatára ETO
A félvezető eszközök nagy részét a l u m í n i u m fémezés sel és arany huzalkötéssel készítik. A z eszközök meg h i b á s o d á s á é r t , a p a r a m é t e r e k leromlásáért gyakran a kötések romlása (degradációja) a felelős. A kötések degradáció] á n a k megfigyelésére k é t alapvető m ó d szer terjedt el a gyakorlatban; az eszközök vizuális (mikroszkópos, p á s z t á z ó elektronmikroszkópos) ana lízise és az eszközparaméterek mérése. A z eszköz p a r a m é t e r e k leromlása ugyan jelzi a kötések meghi b á s o d á s á t , de m á s okokat sem zár k i . Célszerű a h i b á s eszközöket vizuális analízisnek is alávetni (boncolás u t á n ) , ámely a l a p j á n a hibaforrást pontosítani lehet. Maga a vizuális megfigyelés sem ad pontos informáci ót a kötés állapotáról, mivel a kötés alatti t e r ü l e t e n lejátszódó folyamatok okozzák a kötés degradációját. Az e m l í t e t t módszerek egyike sem, sőt azok k o m binációja sem ad á l t a l á b a n elegendő információt a technológusnak a megfelelő kötési p a r a m é t e r e k beállításához, illetve ellenőrzéséhez. A kötések á t m e neti ellenállásváltozásának közvetlen mérése lehet egy olyan módszer, amely ezen h i á n y o s s á g o k a t pótolja. Az á t m e n e t i ellenállás változása közvetlen k ö v e t k e z m é n y e a kötés degradációjának, az intermetallikus fázisok k i a l a k u l á s á n a k , ugyanakkor jól m é r h e t ő , az egyes eszközparaméterektől független mennyiség: A t o v á b b i a k b a n röviden összefoglaljuk a módszer alkalmazásához szükséges kötéskialakulási és degradációs mechanizmussal kapcsolatos legfontosabb ismereteket, majd az á l t a l u n k alkalmazott mérési m ó d s z e r t mutatjuk be. A módszerrel kapott és a p á r huzamosan v é g z e t t P E M analízis eredményeinek é r t é kelése a kötések degradációs m e c h a n i z m u s á r a t o v á b b i információkat szolgáltat.
537.111.4.08:621.315.682:620.16
diffúziós h a t á r r é t e g biztosítja a — részt v e v ő fémek szakítószilárdságának megfelelő erőnél nagyobb — . mechanikai igénybevételekkel szembeni ellenálló képességet. A kötések létrejöttének alapvető feltétele, hogy a kötésben részt vevő fémek deformáló erő h a t á s á r a hidegfolyással egymáson elmozduljanak. Golyós ter mokompressziós kötésnél ez azt jelenti, hogy a kapil láris által a golyóra gyakorolt n y o m ó e r ő egy része tangenciális i r á n y ú nyíróerővé alakul á t . A kapilláris megfelelő kiképzése esetén — ez a gya korlatban jól megvalósul — a golyó deformálódik, az arany megfolyik, ugyanakkor a s ú r l ó d á s követ keztében tangenciális i r á n y ú feszültséget ébreszt a k ö tési terület fémrétegében is. A k i a l a k u l t közös h a t á r felületen az elmozdulás m é r t é k e a golyó érintkezési felületén és a fémréteg érintkezési felületén külön böző, ennek megfelelően a fémréteg oxidrétége fel törik, a friss felületen a t o m k e v e r e d é s következik be [2]. Ez a kapcsolat m é g adhéziós kapcsolatnak t e k i n t h e t ő , ez teremt lehetőséget a diffúziós kapcsolat kialakulására. A kötésben részt vevő, adhéziós kapcsolatba k e r ü l t fémek a kötési hőmérsékleten e g y m á s b a diffundál nak. K i m u t a t t á k azt is, hogy azonos a n y a g ú fémek érintkezésbe hozásánál is a diffúzió létesíti a kötés mechanikailag szilárd, stabil h a t á r r é t e g é t . A méré sek t a n u l s á g a szerint ilyen esetben a diffúziót jellem ző mennyiség a fém öndiffúziós állandója [ 1 ] . Kicsit bonyolultabb a helyzet a szokásos alumí nium vékonyréteg és arany huzal- vagy szalagkötés
1. A termokompressziós kötés kialakulása és degradációja 1.1 A kötés
kialakulása
A termokompressziós (és lényegében az ultrahan gos kötés is) a l a p v e t ő e n a mechanikai deformáció ha t á s á r a j ö n létre. Ez azonban nem elegendő a k é t fém t a r t ó s k a p c s o l a t á n a k kialakulásához, ehhez a k é t fém kölcsönös diffúziója is szükséges [1]. A k i a l a k u l t Beérkezett: 1977. X I I . 2.
72
1. ábra. Az erőviszonyok szemléltetése golyós termokompreszsziós kötésnél
L A C Z K Ó B . — Ú J V Á R I A.—DÁVID B.: MÓDSZER A K Ö T É S E K D E G R A D Á C I Ó J Á N A K V I Z S G Á L A T Á R A
esetén. A u - A l fémpárokon v é g z e t t kísérletek (nem vékonyrétegek) azt m u t a t t á k , hogy az aranyba k é t és félszer mélyebbre diffundál az alumínium, mint az arany az a l u m í n i u m b a [3]. A gyakorlati megfigyelé sek viszont azt m u t a t j á k , hogy a teljes kötési t e r ü l e t pereme az, ahol a diffúziós kapcsolat a kötés során kialakul [4]. T o v á b b i hőkezelés h a t á s á r a i t t mélyen behatol a diffúziós réteg, a keletkezett intermetallikus fázis az A u g ö m b b e . 1.2 A kötés
degradációja
A szokásos aranyhuzalos kötéssel szerelt, alumí nium fémezésű eszközök t a r t ó s üzemeltetése során megfigyelhető az eszköz elektromos p a r a m é t e r e i n e k megváltozása. Ez á l t a l á b a n az eszköz működése szempontjából kedvezőtlen, ezért a p a r a m é t e r e k le romlása jellemzi a folyamatot, a m i é r t nagyrészt a k ö tések leromlása (degradációja) felelős [5]. K i m u t a t t á k [6], hogy a kötések á t m e n e t i ellenállásának nagy m é r t é k ű megnövekedése okozza a p a r a m é t e r e k meg v á l t o z á s á t . A kötésellenállás változása viszont az intermetallikus vegyületek létrejöttével kapcsolatos. Az A u - A l rendszerben ö t intermetallikus fázis j ö h e t l é t r e : A u A l , A u A l , A u A I , A u A l , A u A l [7]. A vizsgálatok szerint [3] 300 °C alatt, az A u A l fázis d o m i n á l , amely t o v á b b i hőkezelés h a t á s á r a á t a l a k u l hat A u A l összetételű v e g y ü l e t t é . A z á t a l a k u l á s során bekövetkező repedések létrejöttét kétfélekép pen m a g y a r á z z á k : 2
2
5
2
4
5
2
4
— a különböző diffúziósebesség m i a t t abban az anyagban ( i t t az a l u m í n i u m ) , amelynek na gyobb a diffúzió állandója, üregek ( v a k a n c á i k ) gyűlnek össze, amelyek az eldiffundáló anyag helyébe v á n d o r o l n a k . Ez a Kirkendall-effektus. A v a k a n c i á k összekapcsolódása üregláncokat, repedéseket hoz létre [3]. Ezek a k ö t é s mecha nikai szilárdságát lerontják, a kötés á t m e n e t i ellenállását megnövelik; — a mechanikus repedések k i a l a k u l á s á n a k oka lehet az is, hogy az egyes vegyületek különböző kristályszerkezetűek és különböző fajlagos t é r fogatúak, sőt a hőtágulási e g y ü t t h a t ó b a n is je lentős különbség lehet [6], A z A u A I egy nagy fajtérfogatú, az A u A l egy kis fajtérfogatú ve gyület. Ciklikus hőigénybevétel esetén az A u A l kialakulása előidézheti a repedések k i a l a k u l á sát. 5
2
4
4
Ezekre az elméletekre a vizsgálatok értékelése kap csán visszatérünk. Lényeges megjegyezni azt, hogy jelentős befolyással bír tapasztalataink szerint a fenn álló viszonyokra n é h á n y olyan tényező, amely a mo dellkísérletek gyakorlati a l k a l m a z á s á t nehezíti. A z egyik az, hogy a valóságban egy v é k o n y r é t e g és egy huzal közti kapcsolatot kell vizsgálni, ez ugyanis je lentős eltérést adhat a t ö m b b e l i diffúziós viszonyok hoz képest. Jelentős a kötés során alkalmazott defor máció h a t á s a , amely^ az eredeti kristályszerkezetet he l y e n k é n t megbontja, r á c s t o r z u l á s o k a t és diszlokációk a t idéz elő, amely diffúziós a n o m á l i á k h o z vezet. Nem utolsó sorban meg kell említeni a rendszerben mindig jelenlevő szilícium szerepét, amely tiszta alumíniumos fémezésben is jelen van.
1.3 A szilícium szerepe A z a l u m í n i u m fémezésű eszközök készítése s o r á n a felvitt és megfelelően k i a l a k í t o t t kontaktusokat, fémhálózatot hőkezeléssel (szinterelés) alakítják k i a j ó ohmikus kontaktus érdekében. A színterelés h ő mérséklete elegendően magas (500 °C) ahhoz, hogy a jól diffundáló szilícium gyakorlatilag t e l í t e t t szilárd oldatot adjon, k b . 1% szilíciumtartalommal [8]. A le hűlés u t á n azonban — a szilárd oldékonyság meredek csökkenése m i a t t — a szilícium nagy része kiválik az a l u m í n i u m szemcsék felületén. Ez a szilícium k i v á lás jelentős m é r t é k ű , kb. 30%-os ellenállásnövekedé séhez vezet, a tiszta alumíniumhoz képest [9]. M á s részt k i m u t a t t á k azt is, hogy a szilícium beépül az A u - A l rendszer egyes intermetallikus k é p z ő d m é n y e i be, azokkal szilárd oldatot, vagy t e r n é r v e g y ü l e t e t alkotva. í g y Philofsky [3] mikroszondás vizsgálatok kal k i m u t a t t a , hogy 6% Si t a r t a l m ú , feltehetőleg A u A l S i összetételű ternér fázis alakulhat k i elegendő mennyiségű (5%) szilícium jelenlétében. 4
A k u t a t ó k k ö z ö t t véleménykülönbség van a szilí cium kötésdegradációra gyakorolt h a t á s á t tekintve. Á l t a l á n o s n a k m o n d h a t ó az a felfogás, mely szerint a kötések leromlásáért nem felelős, h a t á s a gyakorla tilag nem k i m u t a t h a t ó . Egyes tapasztalatok azonban arra utalnak, hogy a szilícium részvétele a rendszer ben katalitikus h a t á s t gyakorol egyes intermetallikus fázisok kialakulására. A kötés á t m e n e t i ellenállásának megváltozása szo ros összefüggésben van a degradáció előrehaladásával. Mivel az intermetallikus vegyületek fajlagos ellenállá sa nagyobb az arany és a l u m í n i u m fajlagos ellenállá s á n á l [6], az arany és alumínium átalakulása ellen állásnövekedést okoz. Nagy m é r t é k ű v é az ellenállás változás akkor válik, amikor megindul az intermetal likus fázis repedése, csökken az érintkezési pontok száma.
2. A kötések átmeneti ellenállásváltozásának mérése A kötések á t m e n e t i ellenállásának mérésére az irodalomból ismert módszer nem állt rendelkezésünk re. A [6] munka szerzői ugyan megemlítek m u n k á j u k ban, hogy a vizsgálatok során ilyen m ó d s z e r t is alkal maztak, azonban a módszert nem ismertetik. A z álta lunk alkalmazott m ó d s z e r t az alábbi főbb szempontok alapján alakítottuk k i : — az á t m e n e t i ellenállás abszolút értéke nem lé nyeges, a v á l t o z á s legyen jól m é r h e t ő é r t é k ; — kerülni kell á bizonytalan t ű k o n t a k t u s o k alkal m a z á s á t , mivel a m é r t ellen állásértékek 10 m í i n á l kisebbek; — célszerű az integrált á r a m k ö r ö k h ö z hasonló s t r u k t ú r á t kialakítani annak érdekében, hogy a modelleszköz fémezési és kötési s z e m p o n t b ó l megfelelő információkat adjon; — célszerű egy modelleszközön t ö b b k ö t é s vizsgá l a t á r a lehetőséget teremteni; — mivel a vizsgálatok során a fémezés ellenállása is v á l t o z h a t , célszerű a mérés során ezen v á l t o z á s t is k ö v e t n i .
73
H Í R A D Á S T E C H N I K A X X I X . É V F . 3. SZ.
2.1 A mérési
módszer
A vizsgálóábra megtervezéséhez elemezni kell a k i v i t t k o n t a k t u s ú eszközöknél fellépő ellenállásvi szonyokat, amint azt a 2. á b r á n l á t h a t j u k . A szilícium t ö m b a k t u á l i s ellenállását az R terje dési ellenállással, a fémezésnél fellépő á t m e n e t i ellen állást az i í kontaktus ellenállással v e t t ü k figyelembe, a fémezés ellenállását — a l u m í n i u m esetén — i ? r l > a kötésnél fellépő ellenállást f? -val, az arany huzal ellenállását J? -val jelöltük. A huzalellenálláshoz csatlakozik az J? hozzávezetés-ellenállás, amit a láb és a csatlakozók adnak. A mérési feladat lényege az, hogy az R ellenállást önállóan, a többi ellenállástól függetlenül m é r n i le hessen. Ez megoldhatatlan feladat, azonban az R ellenállás gyakorlatilag állandó, így AR mérhető. T ö b b kötés és fémcsík ellenállásváltozásának mérése érdekében a 3. á b r á n látható/elrendezést a l a k í t o t t u k k i . Ezen l á t h a t ó , hogy a terjedési ellenállást, m i n t a rendszerben fellépő legnagyobb ellenállást fémcsíkok k a l z á r t u k rövidre. í g y h á r o m p á r h u z a m o s csíkon lehetett mérni, kétféle csíkszélesség esetén (20 fxm és 40 | i m ) . Egy elemen összesen 4 kötés á t m e n e t i ellenállásváltozása h a t á r o z h a t ó meg a helyettesítő k é p n e k megfelelően. A mérés során állandó á r a m o t v e z e t t ü n k á t a vizs g á l t kötésen (pl. az 1. és 3. pontok k ö z ö t t ) és m é r t ü k a kötésen és huzalon éső feszültséget ( p l . 2., illetve az ezzel ekvipotenciális 5. és 3. pontok között). Átkapcsolással t o v á b b i kötések mérése Mehetséges. Az alumíniumcsíkok ellenállásának mérése elvileg azonos m ó d o n t ö r t é n t . (Az 1., 2., 3. index a hosszú a l u m í n i u m csíkokat, a 4., 5. index a rövid csíkokat jelzi.) s
c
e
A
th
h
1H562-LUDM
v
4.
ábra,
A vizsgálóábra egy
felemének
helyettesítő
képe
m
b
m
2.2 A minták
elkészítése
A vizsgálóábrák elkészítéséhez 2 Q. cm-es szilícium szeleteket h a s z n á l t u n k , amelyeken termikus oxidá cióval 5200 Á vastagságú oxidot n ö v e s z t e t t ü n k . A fémcsíkok közepének helyén 10x20 [i.m-es ablakot n y i t o t t u n k , majd a szeletekre 1,5 u.m vastag alumí n i u m réteget gőzöltünk kétféle szelethőmérsékleten, (100 °C és 250 °C) azonos gőzölési sebességgel. í g y finomszemcsés és nagyszemcsés a l u m í n i u m r é t e g e k e t kaptunk. A fémrétegből a szokásos fotoreziszt t e c h n i k á v a l a l a k í t o t t u k k i a 20 és 40 [ím széles csíkokat. Az ele mek egy részét 250 fj,m hosszú, a m á s i k részét 650 [jim hosszú csíkokkal készítettük el. Az ezt k ö v e t ő szín terelés során biztosítottuk a szilícium diffúzióját az a l u m í n i u m b a , amit a 10x20 u.m-es oxidablakok tettek lehetővé. Az elemeket golyósytermokompreszsziós kötéssel k o n t a k t á l t u k a 12 lábú TO—5-ös áll v á n y o n . A m i n t á k a t nem z á r t u k le annak érdekében, hogy a n y i t o t t hőkezelés során a mikroszkópos meg figyelés is lehetséges legyen. /
*
3. Az átmeneti ellenállásváltozás kapcsolata az intermetallikus fázisok kialakulásával A viszgálatok során gyorsított hőkezelést alkal maztunk. A 300 °C-os hőmérséklet az a h a t á r , amely nél még azok az intermetallikus vegyületek keletkéz- . nek, amelyek a n o r m á l üzemi k ö r ü l m é n y e k k ö z ö t t előforduló hőmérsékleten d o m i n á l n a k [3]. A hőkeze lést megszakítva, a m i n t á k a t l e h ű t v e m é r t ü k a k ö t é sek á t m e n e t i ellenállását és a csíkellenállást. 3.1 Az átmeneti ellenállás és csíkellenállás IH562-LUD21 2. ábra. A kivitt kontaktusú eszközöknél fellépő ellenállások
L_i—L_J
LJ
L_i—L_J
LJ
IH562-LUD3I 3. ábra. A vizsgálóábra
74
változása
Az 5. á b r a a kötések á t m e n e t i ellenállásának v á l t o z á s á t mutatja 42 órás, 300 °C-os hőkezelés s o r á n . A grafikonok alapján megállapítható, hogy az á t m e neti ellenállás közelítőleg az idő négyzetgyökével a r á nyosan változik, ami az intermetallikus fázisok n ö v e kedési sebesség—idő függvényével összhangban van. M á r ez is a folyamat diffúziós m e c h a n i z m u s á r a u t a l . A kötések á t m e n e t i ellenállása gyorsabban változik a széles csíkra készített kötéseknél, m i n t a keskeny csíkra készítetteknél. S z e m b e t ű n ő az a t é n y , hogy a finomszemcsés alu m í n i u m r a készített kötések ellenállása — széles csí kok esetén.'— sokkal erőteljesebben növekszik, m i n t a nagyszemcsés fémezésnél. Ennek feltehető oka, hogy a finomszemcsés a l u m í n i u m b a n gyorsabb a diffúzió, m i n t a nagyszemcsés a l u m í n i u m b a n . Hosszú
L A C Z K Ó B . — Ú J V Á R I A.— DÁVID B.: MÓDSZER A K Ö T É S E K D E G R A D Á C I Ő J Á N A K V I Z S G Á L A T Á R A
15
2U
1*2
matban. A csíkszélesség a diffúziós a n y a g á r a m f l u x u s t befolyásolja, ez pedig az intermetallikus fázisok n ö v e kedési sebességét. Amennyiben a szemcseméret kor látozza a diffúziót, a csíkszélesség h a t á s a j e l e n t é k t e lenné válik. Erre utal a csíkellenállás v á l t o z á s a is, amelyet a 6. á b r á n levő grafikonok mutatnak. A r ö v i d ágak ellenállásváltozása a k é t kötés k ö r ü l n ö v e k e d ő intermetallikus fázis ellenállásnövelő h a t á s á n a k köszönhető. A finomszemcsés rövid ágak ellenállás v á l t o z á s a — összhangban a k o r á b b a n mondottak k a l — nagyobb m é r t é k ű mint a többi esetben. A nagy szemcsés fémezés csíkellenállás-változása — rövid csíkok esetén — kis m é r t é k ű , ami ugyancsak egye zést mutat az á t m e n e t i ellen állásmérésnél tapasztal t a k k a l . Hosszú csíkok esetén, a kötés á t m e n e t i ellen állásváltozása és ennek következtében a csíkellenállás relatív v á l t o z á s a is jelentéktelen. 3.2 Az intermetallikus fázisok
IH562-LUDK1
5. ábra. A kötések átmeneti ellenállásának változása
csíkok (650 u.m) esetén nem olyan nagy m é r t é k ű a növekedés, mint rövid csíkok esetén. Ez feltehetőleg a szilícium jelenlétére utal, ugyanis a s z á m í t á s o k szerint a hosszú csíkokban nem j u t h a t o t t el a szilí cium a kötésekig sem a színterelés, sem a 300 °C-os hőkezelés alatt. Nagyszemcsés a l u m í n i u m esetén a széles és kes keny csíkra készített kötések á t m e n e t i ellenállása közel azonosan változik (a kísérletek h i b a h a t á r á n belül). A diffúzió sebességét a szemcsehatár-diffúzió sebessége h a t á r o z z a meg, végső soron ez h a t á r o z z a meg az intermetallikus fázisok növekedési sebességét is. A nagy szemcseméretek m i a t t a szemcsehatár diffúzió sebessége a m e g h a t á r o z ó sebesség a folyaNagyszemcsés
15
rövid esik
24
növekedése
A z intermetallikus fázisok minőségi növekedését a k ö t é s á t m e n e t i ellenállásváltozás mérések nem jel zik és nem is jelezhetik, csak közvetve utalnak r á . A k ö t é s környezetében és a kötés alatt (az arany g ö m b alatt) kialakuló intermetallikus fázisok mennyi sége olyan kicsi, hogy az összetétel k o n k r é t m e g h a t á rozása a legmodernebb analitikai eljárások s z á m á r a is nehézséget jelent. A k o r á b b i irodalmi v i z s g á l a t o k ból és a saját megfigyelésekből pásztázó elektronmik roszkópos (PEM) analízis segítéségével az á l t a l u n k vizsgált m i n t á k n á l bekövetkező intermetallikum k é p ződésre k ö v e t k e z t e t n i lehet. Ezt m u t a t j á k a k ö v e t kező PEM-felvételek, amelyek Csordás Anna k ö z r e működésével készültek a F é m i p a r i K u t a t ó I n t é z e t ben. 4 órás hőkezelés után A 7. á b r a (AT =s 1000) a csipesszel lefeszített g ö m b n y o m á n maradt kontaktus padot mutatja. Az inter metallikus fázis olyan erősen köti az aranyat az alu m í n i u m h o z , hogy az aranyban következik be a hasa dás. A felvételen jól l á t h a t ó k a csúszási nyomok.
42
IH562-LUD6T 6. ábra. A csíkellenállás változása
7. ábra
75
H Í R A D Á S T E C H N I K A x x r x . É V F . 3. sz. /
A 8. á b r a (iVss 1000) egy feltépett g ö m b t a l p á t mu tatja. Ez a g ö m b m a g á v a l v i t t e a kontaktuspad alu m í n i u m á t , amely m á r e n y h é n porózus szerkezetű. Feltehetőleg ez az oka annak, hogy a fémoxid h a t á r felületen csökkent a kemiszorpciós erők h a t á s a . Az a l u m í n i u m szürkés fehér színű (optikai mikrosz k ó p b a n ) , valószínűleg A u A l + A u A I i n t e r m e t a l l í k u m és a l u m í n i u m keveréke. 2
12 órás hőkezelés
után
A 9. á b r a ( A / s 1000) egy felválasztott kötés helyét mutatja, amelyen jól l á t h a t ó , hogy m á r á t a l a k u l t a teljes alumíniummennyiség. A z oxidhoz való k ö t ő dés szinte megszűnt mivel az intermetallikus fázis elérte az oxidot. A z arany csúszási nyoma is megfi gyelhető, i t t az á t a l a k u l á s még nem k ö v e t k e z e t t be teljes m é r t é k b e n .
9. ábra
n
Az egyenetlenség a kötés egyes részein jól l á t h a t ó a 10. á b r a (N ^1000) gömbjén. A g ö m b talpa erősen porózus szerkezetű, a szélén mély árok l á t h a t ó . Az á r o k b a n kialakult intermetallikus fázisban tört el a g ö m b a felválasztás során. 36 órás hőkezelés
után
A 11. á b r a (AT SÍ 1000) a kontaktus t e r ü l e t helyén csipkés, porózus szerkezetű intermetallikus vegyület m a r a d é k o k l á t h a t ó k . A kötés szilárdsága a teljes kötési területen nullára csökkent. Az ilyen jellegű felválás nem általános ugyanis a k ö t é s szélén m é lyebb a g ö m b b e n az intermetallikus fázisok előre h a l a d á s a . E z t mutatja a 12. á b r a ( i V = 1 0 0 0 ) , ahol egy felválasztott gömb talpa l á t h a t ó . A g ö m b szélén mély árok van, az árokban kristályos k é p z ő d m é n y e k láthatók.
'; ábra
L A C Z K Ó B . — Ú J V Á R I A. D Á V I D B.: MÓDSZER A K Ö T É S E K D E G R A D Á C I Ó J Á N A K V I Z S G Á L A T Á R A
15. ábra
13. ábra
52 órás hőkezelés
után
A 13. ábra (N 3Í 3000) a felválási hely szerkezete l á t h a t ó , elsősorban a kötési t e r ü l e t széle. A felvétel jobb s a r k á n l á t h a t ó s ö t é t folt jelzi az a l u m í n i u m h i á n y á t . A sávszerű részig t a r t a kötési terület, ettől balra a kötésen kívüli intermetallikus fázis l á t h a t ó . A k ö t é s alatti területen az intermetallikum finomszemcsés, de r e n d k í v ü l r i t k a , a szemcsék egymással semmiféle kap csolatban nincsenek. Ez az oka annak, hogy a g ö m b felválasztásához erőre nem volt szükség, sőt az m a g á tól felemelkedett. A felválasztott g ö m b t a l p á n a k szer k e z e t é t a 14. á b r á n (iVs;3000) l á t h a t j u k . A g ö m b szélén mély árok húzódik, amelyben h a t á r o z o t t morfológiájú k r i s t á l y o k l á t h a t ó k . Az á r o k b a n levő kris t á l y o k jól l á t h a t ó k a 10 000-szeres n a g y í t á s ú felvé telen, a 15. á b r á n . Az epidot formájú kristályok az
arany felöli oldalon k é p z ő d t e k , az a r a n y b ó l n ő t t e k k i . A felválási helyen nem t a l á l h a t ó k meg, ez arra utal, hogy ez egy ú j , a k o r á b b i i n t e r m e t a l l i k u m o k t ó l eltérő szerkezetű fázis. A kötés felválása ezen a fázishatáron k ö v e t k e z e t t be. Ez a nagyszemcsés h a t á r o z o t t for májú, kristályos fázis A u A l lehet. A felválás az A u A l — A u A l fázishatáron k ö v e t k e z e t t be, mivel az A u A l fajtérfogata lényegesen kisebb m i n t az A u A l fázisé. A repedés az á t a l a k u l á s során b e k ö v e t k e z ő térfogatváltozás m i a t t k ö v e t k e z e t t be. 4
4
5
2
4
5
2
4. Következtetések Az á t m e n e t i ellenállás v á l t o z á s á n a k mérése infor m á c i ó k a t szolgáltat a kötések degradációj á n a k előre h a l a d á s á r a . A v i z s g á l a t o k a t PEM-analízissel kiegé-
77
HÍRADÁSTECHNIKA X X I X . ÉVF. 3. SZ.
szítve m e g á l l a p í t h a t ó , hogy a kötési területen bekö vetkező intermetallikum képződés felelős a kötés felválásért. A z intermetallikumok kialakulása nagy m é r t é k b e n függ a kötés k i a l a k í t á s á n a k körülményei től, az alkalmazott, hőmérséklettől és a deformáció m é r t é k é t ő l . A deformáció h a t á s á r a a kötési t e r ü l e t szélén nagy m é r t é k ű az intermetallikus fázisok aranybeli előrehaladása. Ez eredményezi a d o m i n á n s A u A l fázis k i a l a k u l á s á t a hőkezelés során, ugyanakkor a k ö tés középső z ó n á j á b a n A u A l és A u A l k i a l a k u l á s a feltételezhető. A k ö t é s felválásáért részint a középső z ó n á b a n lecsökkent oxid-alumínium kötőerő, részint az A u A l - b e n kialakuló törés felelős. Ez u t ó b b i jelen ség az A u A l k i a l a k u l á s á v a l m a g y a r á z h a t ó . Az á t m e n e t i ellenállásmérés — a kötési p a r a m é terekre való érzékenység k ö v e t k e z t é b e n — p a r a m é t e r b e h a t á r o l á s i m ó d s z e r t tesz lehetővé. A módszer segítségével m e g h a t á r o z h a t ó a kötési p a r a m é t e r e k degradációra gyakorolt h a t á s a , ebből következően a m e g b í z h a t ó kötési technológia p a r a m é t e r e i is. A módszer nem érzékeny az adott rendszerre, csak a vizsgált p a r a m é t e r i n t e r v a l l u m o t k e l l az adott metallurgiai rendszernek megfelelően m e g v á l a s z t a n i . A módszer megfelelő a l k a l m a z á s a a kötési p a r a m é t e rek g y á r t á s k ö z i ellenőrzésére is lehetőséget teremt. 5
2
2
5
és a kiegészítő PEM-analízis segítéségével m e g h a t á roztuk az á t m e n e t i ellenállásváltozás és az interme tallikus fázisok kialakulása közti kapcsolatot. A gyor s í t o t t vizsgálatok információt s z o l g á l t a t t a k áz inter metallikumok növekedését befolyásoló diffúziós v i szonyokra, valamint a hőkezelés során b e k ö v e t k e z ő metallurgiai változásokra. A módszer érzékenyen jelzi a kötési p a r a m é t e r e k degradációra gyakorolt h a t á s á t , ezért p a r a m é t e r b e h a t á r o l á s r a és g y á r t á s k ö z i ellenőrzésre alkalmassá t e h e t ő . IRODALOM
2
4
f
Összefoglalás Az elvi vizsgálatok a l a p j á n kidolgozott á t m e n e t i ellenállásmérési módszer lehetőséget teremt a kötések degradációjának vizsgálatára. K ö z v e t l e n információ k a t n y ú j t a k ö t é s állapotáról, s ő t a g y á r t á s i techno lógia p a r a m é t e r e i n e k megfelelő beállításáról, roncso lásos analízis nélkül. A kidolgozott vizsgálati módszer
[1] T. S. Ellington: Lead Frame Bondlng. S O L I D S T A T E T E C H N O L O G Y , Oct. 197Sv pp. 59-62. [2] N. Ahmed—J. J. Svitak: Characterization of Gold-Gold Thermocompression Bouding. SOLID S T A T E T E C H N O L O G Y , Nov. 1975. pp. 25-32. [3] E. Philofsky: Intermetallic Formation in Gold-Alumínium Systems. SOLID S T A T E E L E C T R O N I C S , Oct. 1970. pp. 1391-1399. [4] A hőmérséklet és nyomás hatása á 'termokompressziós kötés minőségére. E I V R T belső jelentés. Készítette: Laezkó Béla 1976. [5] B. Selikson: Void Formation Failure Mechanisms in Integrated Circuits. P R O C E E D I N G S of the I E E E , Sept. 1969, pp. 1594-Í598. [6] M. Kashhvabara—S. Hattori: Formation Al-Au Interme tallic Compounds and Resistance Increase for Ultrasonic Al Wire Bonding. R E W I E W of the E L E C T R I C A L COMMUNICATION L A B O R A T O R Y , Sept. 1969. pp. 1001-1013. [7] M. Hansen: Constutition of Binary Alloys. McGraw-Hill Book Co., New York, 1958. [8] / . O. McCaldin—H. Sankur: Diffusivity.and Solubility of Si in the Al Metallization of Integrated Circuits. A P P L I E D P Y Y S I C S L E T T E R S , 15. Dec. 1971. pp. 524-527. [9] G. L . Schnable—R. S. Keen: Alumínium Metallization Advantages and Limitations for Integrated Circuit Appli cations. PROCEEDÍNGS of the I E E E , Sept. 1969. pp. 1570-1580. i
