Citação

Índice

Análise de falhas em ligações por fio: compostos intermetálicos, corrosão e fadiga em diversos sistemas metálicos.

Considere um chip semicondutor que passa nos testes de fábrica com louvor. Ele é usado no sistema de gerenciamento de bateria de um carro elétrico, funcionando perfeitamente por um período considerável. No entanto, erros ocasionais começam a se manifestar, levando a uma falha total do sistema. O problema? Não está no intrincado projeto do semicondutor, mas sim em algumas conexões de fios que falharam devido à degradação.
 
Falhas na ligação de fios Pode ser de natureza insidiosa. Às vezes, a falha pode não ser detectada durante a fase inicial de testes, mas pode ocorrer de forma catastrófica, com recalls em massa, especialmente em setores onde a falha está relacionada à segurança, como o indústria automotiva, exploração espacial e equipamentos médicos. Compreender as causas principais dessas falhas não é apenas um exercício acadêmico; é uma disciplina crucial para garantir a longevidade e a confiabilidade do produto.
 
Este artigo parte dos conceitos básicos e apresenta uma abordagem sistemática para compreender, analisar e prevenir... falha típica de ligação de fios modos e mecanismos.

Compostos Intermetálicos (CIMs)

Compostos intermetálicos referem-se ao material cristalino produzido na interface de dois metais diferentes durante a etapa de ligação e posteriormente exposto ao calor. Compostos intermetálicos criados por dois metais diferentes, como Au-Al e Cu-Al, Os materiais utilizados na ligação de fios têm um efeito substancial na confiabilidade. O ouro e o alumínio aumentam a resistência das ligações de fios formadas com esses materiais. material do substrato. No entanto, a temperatura e outros parâmetros podem criar um composto intermetálico além da faixa permitida, causando uma diminuição no desempenho, especialmente quando a temperatura é alta.

3 Mecanismos de Falha Chave do IMC

Fragilização e Fratura

Os IMCs AuAl₂, Au₅Al₂ e Au₄Al exibem características naturais de dureza e fragilidade. Eles não possuem propriedades de ductilidade e não conseguem suportar as tensões geradas pela diferença nos coeficientes de expansão dos materiais, e assim microfissuras começam a se formar na área da interface do IMC devido a essas características frágeis. [1]

Kirkendall Voiding

Esta é uma situação mais sutil e potencialmente mais perigosa. Devido a uma diferença substancial nas taxas de difusão dos dois metais (por exemplo, o ouro tem uma taxa de difusão maior no alumínio do que o alumínio), ocorre um acúmulo de lacunas na superfície do metal que difunde mais rapidamente. As lacunas se desenvolvem em vazios dentro da interface de ligação, conforme descrito abaixo.
 
O aumento da resistência gerado por uma redução na área de contato pode levar diretamente a um circuito aberto com pouca evidência de outras degradações funcionais, porque o próprio caminho tem uma resistência tão elevada devido a esses vazios.[2]

O "“Peste Púrpura”Revisitado

A expressão “praga púrpura” refere-se especificamente à cor púrpura do composto AuAl₂. Embora seja uma cor notavelmente distinta, o problema do composto reside, na verdade, em sua fragilidade e na sua relação com os vazios de Kirkendall. Permanece um caso clássico de estudo de incompatibilidade de materiais.

Fatores que aceleram o crescimento do IMC:

O crescimento de compostos intermetálicos (CIMs) é um processo controlado por difusão e depende principalmente da temperatura e do tempo, de acordo com a equação de Arrhenius. Os fatores mais importantes que influenciam o processo de crescimento são:
  • Temperatura: Este é o fator mais importante de todos. Qualquer temperatura ligeiramente acima da especificação de projeto pode causar um aumento exponencial no crescimento de compostos intermetálicos (CIMs).
  • Tempo: Exposição prolongada a condições de alta temperatura, embora estas possam ser moderadas.
  • Densidade atual: Correntes elevadas podem desencadear a eletromigração, que contribui significativamente para a difusão de átomos e a formação de vazios.

Corrosão

A corrosão é a destruição gradual do metal devido à reação química do meio circundante com o metal. A corrosão causada pela ligação de fios pode levar à perda de resistência na interface de ligação, aumento da resistência elétrica e circuitos abertos. Alguns dos fatores que influenciam a corrosão incluem:
 
  • Condições ambientais: Temperatura, umidade e presença de gases corrosivos (H₂S, SO₂, Cl₂).
  • Contaminantes: Resíduos iônicos de processos de fabricação, como cloretos e brometos.
  • Polarização elétrica: A tensão aplicada pode induzir migração eletroquímica e reações de corrosão.
  • Propriedades do material: As qualidades inerentes de resistência à corrosão dos materiais dos fios e das almofadas utilizados.

Tipos de corrosão em ligações de fios

Compreender os tipos de corrosão é fundamental para os engenheiros de embalagens de semicondutores no que diz respeito à análise de falhas e ao projeto para confiabilidade (DFR).
Esta tabela apresenta os seis mecanismos de corrosão mais significativos na ligação de fios, com suas respectivas causas e efeitos:
Seis mecanismos de corrosão principais relevantes para a ligação de fios

Corrosão galvânica (eletroquímica):

  • Causa: Isso ocorre quando dois metais diferentes, como alumínio e ouro, entram em contato na presença de uma solução eletrolítica, como umidade com contaminação iônica. O metal com menor nobreza sofrerá corrosão.
  • Modo de falha da ligação por fio: Em um fio de ouro conectado a uma área de contato de alumínio, a área de contato de alumínio sofre corrosão sacrificial, criando uma camada de óxido não condutora. Isso leva a um aumento no valor da resistência, com consequente falha na conexão. Este é um problema significativo em conexões de alumínio com fios de ouro.

Corrosão por pite:

  • Causa: Um ataque localizado que é desencadeado por uma perda parcial da película de óxido na superfície de um metal, geralmente causada por íons cloreto.
  • Modo de falha da ligação por fio: As ligações de fios de cobre podem falhar devido ao potencial de um único tipo de contaminante de cloreto criar uma cavidade no fio, gerando um ponto de concentração de tensão a partir do qual uma fissura pode se iniciar, levando eventualmente à ruptura do fio com os ciclos de temperatura.

Corrosão por frestas:

  • Causa: Um tipo de ataque localizado em uma região protegida e estagnada, como embaixo de uma partícula de contaminação ou na região com baixa aderência entre o fio e o substrato. composto de desmoldagem.
  • Modo de falha da ligação por fio: O aprisionamento de umidade nessas microfissuras leva a um ambiente ácido e corrosivo. Isso ocorre porque a acidez produzida causa corrosão na interface da ligação do fio; assim, a falha pode ocorrer devido a uma área frágil na base do fio, que é invisível durante a inspeção.

Corrosão intergranular (CIG):

  • Causa: Corrosão preferencial ao longo dos contornos de grão em um metal, frequentemente causada pela reatividade introduzida pela segregação de impurezas.
  • Modo de falha da ligação por fio: Isso é uma possibilidade para pads de ligação de alumínio se a técnica de metalização não estiver totalmente otimizada. O próprio pad de ligação pode se degradar devido à corrosão intergranular (CIG), levando ao descolamento da ligação e crateras na almofada.

Trincas por corrosão sob tensão (SCC):

  • Causa: O efeito de forças de tração, aliado a um ambiente corrosivo, faz com que fissuras frágeis em um material se propaguem.
  • Modo de falha da ligação por fio: A corrosão sob tensão (SCC, na sigla em inglês) pode ser uma preocupação, embora remota, em ligações de fios pré-tensionados, especialmente em encapsulamentos com altas tensões residuais devido ao material e processo de encapsulamento. Em um ambiente corrosivo, um fio pode falhar repentinamente por um modo de falha frágil, precedido apenas por um leve alongamento.

Corrosão uniforme:

  • Causa: Um ataque químico generalizado, como a oxidação, distribuído uniformemente por toda a superfície de um metal.
  • Modo de falha da ligação por fio: Isso pode ser observado em fios de alumínio na forma de um crescimento gradual de óxido de alumínio, o que leva a um aumento na resistência elétrica dos fios. E em fios de cobre, na forma de uma camada de óxido de cobre, que também pode degradar a condutividade e a capacidade de ligação.

Tipos de materiais e Suas características de corrosão em ligações de fios

A corrosão das ligações de fios é causada por fatores ambientais como umidade, temperatura e a presença de contaminantes como enxofre e cloro.
Entre os metais, o desempenho será diferente em um ambiente corrosivo; portanto, a escolha de um metal em detrimento de outro é um fator importante a ser levado em consideração.
 
  • Ouro (Au)Isso pode ocorrer em conjunto com outros metais de alumínio que podem ser instáveis. Isso porque esses metais acabarão corroendo a interface de ligação sempre que entrarem em contato com a umidade.
  • Alumínio (Al): Este material é propenso à corrosão galvânica na presença de umidade e outros metais. As camadas de óxido podem reduzir a resistência da ligação entre o alumínio e o metal. Essas camadas superficiais de óxido também afetam o desempenho elétrico durante a ligação.
  • Cobre (Cu)O cobre possui propriedades de óxido e pode ser propenso à formação de sulfetos em condições extremas com umidade e enxofre na atmosfera. Mesmo que o óxido de cobre se forme, os sulfetos podem ser outras causas de falha na ligação, especialmente na presença de umidade. O óxido de cobre representa um problema em relação à confiabilidade da própria interface de ligação.
  • Prata (Ag): A prata é propensa a sofrer oxidação devido à formação de compostos de enxofre, resultando em uma camada de sulfeto de prata, o que leva a um aumento no valor da resistência da ligação. Como a oxidação pode ser rápida se a concentração de compostos de enxofre for alta, é necessário estabelecer restrições nos ambientes de teste.

 

MaterialPrincipais vantagensPrincipais desafiosFatores de confiabilidade
AlumínioColagem fácil e econômicaCompostos intermetálicos com Au, corrosão moderada.Corrosão leve, fadiga
OuroDúctil e resistente à corrosãoCompostos intermetálicos caros com alumínio.Excelente resistência à fadiga, baixa corrosão.
CobreAlta condutividade, baixo custoPropenso à corrosão, dificuldade de adesãoAlto risco de corrosão, endurecimento
PrataBoa condutividade, confiabilidade promissoraDados limitados, manchandoCorrosão moderada, fadiga menos comprovada.

Fadiga Mecânica e Térmica

As falhas por fadiga ocorrem devido a tensões cíclicas, que estão muito abaixo da resistência à tração máxima do material, mas ainda assim conseguem iniciar e propagar fissuras em seu interior.
 

Rachadura no calcanhar

Este é um exemplo clássico de falha por fadiga. A região do calcanhar de uma ligação de fio, que é onde o fio encontra a esfera ou cunha, é um concentrador de tensão natural.
  • Causa raiz: O movimento relativo é induzido pela diferença nos coeficientes de expansão térmica entre o chip de silício, o fio de ligação e o substrato, devido ao processo de ciclos térmicos. Esse movimento periódico causa tensões de flexão cíclicas que atuam na extremidade do fio, levando, em última instância, à formação de microfissuras e a um modo de falha típico na região da extremidade do fio.

Quebra do pescoço (Bolas de ligação):

Assim como ocorre com as fissuras no calcanhar, uma localização secundária com tendência à fadiga cíclica é a área onde o fio deixa a ligação esférica, frequentemente chamada de "pescoço".
 

Cratera:

Este é um modo de falha de grande importância, pois a área de contato e o silício serão afetados negativamente. Isso ocorre devido à energia ultrassônica excessiva ou à força de ligação, que pode fazer com que o processo de ligação remova parte do material de silício do substrato. O modo de falha pode ser imediato ou latente.

Análise de falhas em ligações de fios

Para uma análise sistemática de falhas, é necessária uma abordagem estruturada. O fluxograma abaixo define o procedimento:
Fluxograma de análise de falhas de ligação de fios

Análise Não Destrutiva (NDA):

  • Teste elétrico: Isso ajuda a determinar o tipo de falha (circuito aberto, alta resistência, curto-circuito) e a isolar a rede/conexão defeituosa.
  • Raio X Imagens: Defeitos internos como desgaste do fio, rupturas de fio, curtos-circuitos e irregularidades na esfera/cunha podem ser detectados sem abrir a embalagem.
  • Microscopia acústica de varredura em modo C (C-SAM): Este método utiliza inspeção ultrassônica para procurar delaminação interfacial, evidências de rachaduras internas e vazios dentro da embalagem, especialmente nas interfaces que envolvem o composto de moldagem e o chip ou a estrutura de ligação.

Análise Física Destrutiva (DPA):

  • Desencapsulamento: Um processo de remoção do composto de moldagem utilizando produtos químicos/plasma para visualizar o chip e as ligações dos fios.
  • Microscopia Óptica: Primeiro inspecção visual O objetivo é localizar a área da falha e determinar suas características, como descoloração, descolamento da ligação e ruptura de fios.
  • Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV): Fornece imagens detalhadas e de alta ampliação do local da falha, o que é um critério importante para o estudo da falha de materiais dúcteis versus frágeis, bem como caminhos de vazios microscópicos. [3]
  • Espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDS): Utilizado simultaneamente com MEV para análise da composição elementar em uma área selecionada. É uma ferramenta fundamental para verificar a existência de componentes intermetálicos (relação Au-Al), produtos de corrosão (oxigênio com alumínio, enxofre com prata) e contaminantes iônicos (cloro e potássio).

Técnicas de mitigação da corrosão em ligações de fios

Existem alguns métodos disponíveis para melhorar a confiabilidade das ligações por fio:

Seleção e combinação de materiais:

  • Utilizar métodos de ligação que não sejam a ligação por fio Au-Al em aplicações de alta confiabilidade., aplicações de alta temperatura. Isso pode incluir a ligação alumínio-alumínio e o uso de fio de cobre revestido com paládio em vez de fio de cobre nu, devido à sua melhor proteção contra a oxidação e corrosão do alumínio.
  • Utilize compostos antifúngicos com baixa contaminação iônica e baixa taxa de absorção de umidade.

Otimização de processos:

  • Criar uma janela de processo robusta em relação às forças de ligação, energia, duração e temperatura, de modo que uma ligação forte possa ser formada sem danificar o wafer e com crescimento inicial mínimo do composto intermetálico.
  • Garantir um controle rigoroso do ambiente de fabricação contra contaminação iônica e exposição à umidade.

Barreiras de proteção:

  • Utilização revestimentos de proteção nas almofadas de ligação, por exemplo, Níquel eletrolítico/Paládio sem eletrólise/Immersion Gold, que oferece uma superfície nivelada, resistente à corrosão e com boa capacidade de adesão.
  • Assegure um processo de encapsulamento robusto com uma vedação hermética ou quase hermética contra umidade e contaminantes.

Design para Confiabilidade (DfR):

  • Otimize o formato dos laços de arame para reduzir a tensão na ligação do calcanhar.
  • Deve satisfazer as regras de projeto da área de contato para garantir uma base sólida para a ligação.

Conclusão

Os modos de falha na ligação de fios, nomeadamente o crescimento intermetálico, a corrosão e as falhas por fadiga, frequentemente ocorrem simultaneamente. Uma falha com um pequeno crescimento do composto intermetálico pode progredir com a corrosão e, em última instância, resultar numa falha por fadiga.
 
Hoje, na competitiva indústria de semicondutores, a necessidade de uma transição de um modo reativo de análise de falhas para uma abordagem proativa de "confiabilidade por projeto" é fundamental.
 
Compreender os mecanismos de falha auxilia na tomada de decisões em nível de projeto relacionadas a materiais e ao projeto de ligações por fio, bem antes da implementação. Para uma compreensão básica sobre tipos de ligações por fio, materiais e processos relacionados, consulte o artigo fundamental:

Ligação por Fio: O Guia Definitivo para Processos, Materiais e Escolhas de Projeto

Perguntas frequentes sobre falhas em ligações de fios

A reatividade do cobre com compostos de oxigênio e enxofre facilita a corrosão. As ligações de cobre são particularmente suscetíveis à corrosão, especialmente quando entram em contato com fatores ambientais como umidade e sujeira. A corrosão galvânica pode ocorrer se houver a adição de metais diferentes.

O ouro e o cobre são materiais comumente usados para conexões de fios em aplicações de alta potência e alta frequência, devido à sua boa condutividade. A prata também tem uso limitado como material de conexão em alta frequência ou alta potência, devido à sua tendência a sofrer oxidação. No entanto, a escolha dos materiais deve ser feita com base no custo, na condutividade e na estabilidade em diferentes condições ambientais.

As falhas na ligação dos fios representam um risco, particularmente no caso de corrosão e fadiga em sistemas de gerenciamento de baterias, o que pode causar curtos-circuitos ou superaquecimento em veículos elétricos, contribuindo para a ansiedade de autonomia e problemas de segurança que foram agravados pela transição para o transporte renovável em escala global. 

O aquecimento e o resfriamento dos materiais fazem com que eles se expandam e contraiam, criando tensões mecânicas na interface de colagem. Podem ocorrer fissuras por fadiga, rupturas na base da colagem ou descolamento devido aos ciclos térmicos, comprometendo a integridade mecânica da ligação.

Referências:
[1] Harman, G. (2010). Ligação por fio em microeletrônica (3ª ed.). McGraw-Hill Professional.
[2] Su, B., Qu, J. e Pecht, M. (2019). Ligação de fios de cobre. Springer.
[3] Lai, Z. e Mei, Y. (2018). Tecnologia Avançada de Interconexão por Fio. Springer.

Obter um orçamento

Blogues relacionados