Characterisation of thermal diffusion of copper ions in silver

Abstract

To offer the number of signals required in modern day semiconductor devices, lead frames connect the central die inside a chip package to the outside. A widely used material for lead frames of semiconductor devices is copper. A drawback of copper is, that copper can oxidize during die attachment and wire Bonding processes. In this work, the use of a thin silver layer to prevent copper oxidation and enhance soldering properties was examined. This work focuses on samples where silver layers with different thicknesses were applied to the lead frames. The samples were then heat treated at different temperatures, under vacuum as well as atmospheric pressure. Depth profiles of the untreated and treated samples were recorded with ToF-SIMS, to study the diffusion of copper into the silver layer and silver into the copper layer. To study the diffusion to the surface of the silver layer, first arrival measurements of the described samples were carried out. It was shown that silver is a good barrier that prevents copper oxidation and migration to the surface. Even at 500 °C, no rise of the copper signal on the Surface of the samples was detected. Additionally, the diffusion of copper into the silver layer and silver into the copper layer is limited to the region near the interface. For all measured samples, no delamination occurred.

Um die in modernen Halbleiterbauelementen erforderliche Anzahl von Signalen bereitzustellen, verbinden Lead-Frames den zentralen Chip im Inneren eines Chipgehäuses mit der Außenwelt. Ein häufig verwendetes Material für Lead-Frames von Halbleitergeräten ist Kupfer. Ein Nachteil von Kupfer ist, dass es bei der Befestigung von Chips und beim Drahtbondverfahren oxidieren kann. In dieser Arbeit wurde die Verwendung einer dünnen Silberschicht untersucht, um die Oxidation von Kupfer zu verhindern und die Löteigenschaften zu verbessern. Diese Arbeit konzentriert sich auf Proben, bei denen Silberschichten mit unterschiedlichen Dicken auf die Lead Frames aufgebracht wurden. Die Proben wurden dann bei unterschiedlichen Temperaturen sowohl unter Vakuum als auch unter Atmosphärendruck wärmebehandelt. Tiefenprofile der unbehandelten und behandelten Proben wurden mit ToF-SIMS aufgenommen, um die Diffusion von Kupfer in die Silberschicht und von Silber in die Kupferschicht zu untersuchen. Um die Diffusion zur Oberfläche der Silberschicht zu untersuchen, wurden First Arrival Messungen der beschriebenen Proben durchgeführt. Es zeigte sich, dass Silber eine gute Barriere darstellt, die die Oxidation von Kupfer und die Migration an die Oberfläche verhindert. Selbst bei 500 °C wurde kein Anstieg des Kupfersignals an der Oberfläche der Proben festgestellt. Außerdem ist die Diffusion von Kupfer in die Silberschicht und von Silber in die Kupferschicht auf den Bereich nahe der Grenzfläche beschränkt. Bei allen gemessenen Proben kam es zu keiner Delamination.