塑封銅絲鍵合器件失效機(jī)理及其可靠性評(píng)價(jià)

何勝宗，薛陽(yáng)，武慧薇，劉麗媛

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192）

0 引言

半導(dǎo)體器件的鍵合引線通常有金絲、鋁絲和銅絲3種[1]。金由于其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，導(dǎo)電性和物理延展性良好而在半導(dǎo)體器件的鍵合工藝中得到了很好的運(yùn)用，并且，由于金絲鍵合的工藝發(fā)展較早，目前已經(jīng)相當(dāng)成熟，因此，時(shí)至今日大多數(shù)半導(dǎo)體器件仍然采用金絲鍵合的生產(chǎn)工藝。然而，近幾年來(lái)，由于金材料的成本價(jià)格不斷地上漲，采用銅絲鍵合的生產(chǎn)工藝不斷地取得了進(jìn)步，銅絲鍵合器件的出貨量和市場(chǎng)占有率在不斷地增長(zhǎng)，銅絲鍵合工藝逐漸地成為了半導(dǎo)體行業(yè)中最具發(fā)展?jié)摿Φ姆庋b技術(shù)[2]。

盡管如此，目前銅絲鍵合器件的成品率和質(zhì)量可靠性水平與金絲鍵合器件相比，仍然存在一定的差距。這是由銅絲材料自身的物理化學(xué)特性及其生產(chǎn)工藝還不夠成熟所導(dǎo)致的。概括起來(lái)，銅絲鍵合還存在以下2個(gè)方面的問(wèn)題[3]：1）銅絲容易被氧化，從而影響鍵合的質(zhì)量；2）銅絲的硬度和屈服強(qiáng)度比金絲的高，鍵合時(shí)需要更高的超聲功率與鍵合壓力，容易損傷芯片。

在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，采用銅絲鍵合的半導(dǎo)體器件經(jīng)常會(huì)由于鍵合不良等原因而失效，銅絲鍵合器件的可靠性備受質(zhì)疑，特別是在家電控制、消費(fèi)電子、電力電子和通信等大批量使用某一型號(hào)器件的行業(yè)，對(duì)鋼絲鍵合器件的可靠性的質(zhì)疑和憂慮更為嚴(yán)重。因此，研究銅絲鍵合器件的失效模式和機(jī)理，并對(duì)其可靠性進(jìn)行有效的評(píng)價(jià)，不僅是器件制造商，而且也是器件的使用方的迫切需求。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于銅絲鍵合的失效機(jī)理以及敏感應(yīng)力的研究相對(duì)較少，缺乏系統(tǒng)性，也沒(méi)有針對(duì)銅絲鍵合器件的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)指南。本文從銅絲的材料特性出發(fā)，介紹并分析了塑封工藝的過(guò)程及其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并結(jié)合具體的失效案例，對(duì)塑封銅絲鍵合器件的主要失效模式與機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)，提出了一種塑封銅絲鍵合器件的可靠性評(píng)價(jià)方法，對(duì)于促進(jìn)銅絲鍵合生產(chǎn)工藝的發(fā)展和銅絲鍵合器件的應(yīng)用普及都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 銅絲的材料特性及其塑封生產(chǎn)工藝

1.1 銅絲的材料特性

與傳統(tǒng)的金絲材料相比，銅絲不僅在成本、導(dǎo)電、導(dǎo)熱，以及機(jī)械性能方面具有優(yōu)勢(shì)[3-4]，而且銅與鋁鍵合界面上形成的金屬間化合物[5]的生長(zhǎng)速率也比金鋁鍵合界面上形成的金屬間化合物的生長(zhǎng)速率更慢，因此，銅鋁健合界面上不易形成類似于金鋁界面間存在的柯肯德?tīng)柨斩?，從而增?qiáng)了鍵合點(diǎn)的力學(xué)和電學(xué)性能，提高了焊點(diǎn)的長(zhǎng)期可靠性。然而，相比之下，銅絲材料更容易被氧化且硬度更高，因而其在鍵合過(guò)程中容易出現(xiàn)鍵合不良現(xiàn)象，例如：鍵合球變形、焊盤(pán)結(jié)合區(qū)斷裂、下層結(jié)構(gòu)彈坑損傷以及鍵合虛鍵合等問(wèn)題，這些都直接影響著銅絲鍵合器件的使用可靠性。表1對(duì)比了金絲和銅絲的一些主要的特性[4]。

表1 Au絲和Cu絲材料特性對(duì)比

1.2 塑封封裝工藝

市面上的半導(dǎo)體器件的封裝形式可以分為氣密性封裝和非氣密性封裝2種。由于密封器件一般用于可靠性要求較高的場(chǎng)合，因此目前市面上采用銅絲鍵合工藝制造的密封器件比較少見(jiàn)。銅絲鍵合工藝主要用于商業(yè)級(jí)塑料封裝器件。一般來(lái)說(shuō)，器件封裝的好壞將直接影響到器件的電性能、散熱性能和機(jī)械性能[6]，對(duì)于保障器件的可靠性具有十分重要的作用。塑料封裝器件典型的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 塑封基本工藝流程

其中影響器件的可靠性的關(guān)鍵工序主要包括以下幾種。

a） 清洗

晶圓在轉(zhuǎn)移和處理的過(guò)程中可能會(huì)引入外部污染和殘留物質(zhì)，從而導(dǎo)致器件封裝完成后出現(xiàn)漏電和腐蝕等失效現(xiàn)象。

b）鍵合工藝

鍵合過(guò)程中可能引起芯片機(jī)械損傷、臟污，以及鍵合過(guò)力、虛焊等異?，F(xiàn)象。銅絲鍵合更易受氧化、臟污和鍵合過(guò)力等的影響，從而使器件在后續(xù)過(guò)程中出現(xiàn)相應(yīng)的失效。

c）注塑成型

塑封料成型過(guò)程中流動(dòng)塑料的沖擊力可能導(dǎo)致鍵合絲斷裂、拉脫和移位等，同時(shí)界面臟污、固化不良等都可能導(dǎo)致器件內(nèi)部界面分層，從而出現(xiàn)相應(yīng)的失效，例如：封裝分層、水汽侵入后焊接過(guò)程中易出現(xiàn)的 “爆米花效應(yīng)”，以及鍵合腐蝕、芯片漏電等失效現(xiàn)象。

2 塑封銅絲鍵合器件的主要的失效機(jī)理

2.1 主要的失效模式和機(jī)理

塑封器件的主要的失效模式為：串阻甚至開(kāi)路、漏電甚至短路、參數(shù)漂移，以及功能失效和不穩(wěn)定失效等[7]。塑封器件的封裝工藝為非氣密性封裝，其主要的缺點(diǎn)是其對(duì)潮氣比較敏感。對(duì)于塑封銅絲鍵合器件而言，由于銅絲易被氧化，并且銅絲鍵合工藝具有不穩(wěn)定性，因而銅絲鍵合器件的失效機(jī)理與普通塑封器件的失效機(jī)理略有不同。

銅絲鍵合相關(guān)的失效模式和機(jī)理主要有：1）鍵合過(guò)力導(dǎo)致鍵合焊盤(pán)下方的介質(zhì)層、金屬化布線等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破裂、損傷，造成彈坑損傷，從而導(dǎo)致器件出現(xiàn)漏電，以及參數(shù)漂移等失效；2）鍵合界面被污染、腐蝕，鍵合力度不夠以及界面分層等導(dǎo)致銅絲鍵合接觸不良，出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象，從而導(dǎo)致開(kāi)路、串阻等不穩(wěn)定連接失效；3）銅絲或者鍵合焊盤(pán)腐蝕導(dǎo)致漏電、參數(shù)漂移等相關(guān)失效。

2.2 典型的失效案例的分析

2.2.1 集成電路鍵合彈坑案例

a）失效現(xiàn)象描述

樣品為某型號(hào)單片機(jī) （MCU：Micro Control U-nit），采用塑封銅絲鍵合工藝封裝，應(yīng)用在空調(diào)遙控器上。產(chǎn)品出廠后出現(xiàn)了批次性故障，表現(xiàn)出遙控死機(jī)、顯示異常等現(xiàn)象，排查定位到該MCU失效。

b）分析過(guò)程及結(jié)論

對(duì)樣品進(jìn)行端口I-V測(cè)試，檢測(cè)部分端口的反向?qū)妷鹤冃。嬖诋惓Ｂ╇娡ǖ?。采用化學(xué)開(kāi)封方法將該MCU開(kāi)封后觀察到，鍵合區(qū)存在明顯的半圓形裂紋損傷，下層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的裂紋。分析認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是鍵合工藝存在缺陷，從而引起了鍵合區(qū)下方介質(zhì)層破裂，進(jìn)而導(dǎo)致了芯片層間漏電，使器件失效。本案例屬于鍵合 “彈坑”損傷引起的漏電失效，如圖2所示。

圖2 鍵合損傷失效案例照片

2.2.2 場(chǎng)效應(yīng)管 （MOS：Mosfet）鍵合虛焊案例

a）失效現(xiàn)象描述

樣品為某型號(hào)MOS，應(yīng)用于戶外顯示屏驅(qū)動(dòng)電路中。安裝使用約半年后顯示屏出現(xiàn)故障，輕壓MOS本體，顯示屏功能時(shí)好時(shí)壞，出現(xiàn)功能不穩(wěn)定的故障現(xiàn)象。

b）分析過(guò)程及結(jié)論

常溫下對(duì)產(chǎn)品的功能進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，電源無(wú)電壓輸出，但該MOS的柵極和漏極均能正常地輸入電壓，說(shuō)明MOS管溝道未開(kāi)啟，柵極存在開(kāi)路或者串阻異常。輕輕按壓MOS，產(chǎn)品的功能恢復(fù)正常。運(yùn)用聲學(xué)掃描顯微鏡對(duì)MOS進(jìn)行檢查，觀察到樣品的內(nèi)部塑封料與芯片界面、引線架界面分層。從失效樣品的剖面上觀察到柵極鍵合點(diǎn)下方鋁層厚度不均勻，且銅-鋁層界面分離，在鍵合點(diǎn)的邊緣也可觀察到明顯的鋁金屬擠出現(xiàn)象，而良品中未觀察到類似的異常現(xiàn)象。

銅絲鍵合點(diǎn)下方的金屬鋁層起到了連接鍵合絲和兩側(cè)電路結(jié)構(gòu)的作用，如果鋁金屬缺失或被擠出，則可能導(dǎo)致連接不良。分析認(rèn)為，鍵合不良會(huì)導(dǎo)致鍵合焊盤(pán)的鋁金屬被擠出，進(jìn)而導(dǎo)致鍵合 “虛焊”，從而使產(chǎn)品出現(xiàn)不穩(wěn)定的開(kāi)路失效，如圖3所示。

圖3 鍵合虛焊失效案例照片

2.2.3 鍵合腐蝕失效案例

a）失效現(xiàn)象描述

樣品為某品牌的集成電壓參考芯片，采用塑封銅絲鍵合工藝封裝。器件使用一段時(shí)間后輸出的參考電壓 （VREF：Voltage Reference）小于規(guī)范值2.5 V，出現(xiàn)參數(shù)漂移現(xiàn)象。

b）分析過(guò)程及結(jié)論

對(duì)失效樣品的外觀以及利用X-RAY對(duì)失效樣品的內(nèi)部進(jìn)行檢查時(shí)均未發(fā)現(xiàn)明顯的異常。端口I-V測(cè)試發(fā)現(xiàn)，部分引腳呈現(xiàn)阻抗增大或開(kāi)路的特性。運(yùn)用聲學(xué)掃描顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)樣品存在明顯的分層。對(duì)樣品進(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)和高溫試驗(yàn)后，樣品I-V特性未見(jiàn)恢復(fù)。采用機(jī)械開(kāi)封的方式對(duì)樣品進(jìn)行開(kāi)封，鍵合點(diǎn)自然脫落，鍵合焊盤(pán)處可見(jiàn)明顯的腐蝕，并伴有由于電化學(xué)遷移而形成的黃色枝晶狀產(chǎn)物。EDS能譜圖表明鍵合點(diǎn)脫落面有硫 （S）、氯 （Cl）等腐蝕性元素。分析認(rèn)為，樣品由于鍵合焊盤(pán)金屬化腐蝕而出現(xiàn)了輸出漂移失效。本案例中產(chǎn)品的失效屬于鍵合界面腐蝕導(dǎo)致的參數(shù)漂移失效，如圖4所示。

圖4 鍵合腐蝕失效案例照片

3 可靠性評(píng)價(jià)方法

結(jié)合銅絲鍵合器件失效的模式和主要機(jī)理，塑料封裝銅絲鍵合器件的可靠性評(píng)價(jià)方法可以分為以下兩個(gè)部分。

a）鍵合工藝質(zhì)量評(píng)價(jià)

鍵合工藝質(zhì)量評(píng)價(jià)檢測(cè)項(xiàng)目包括：1）通過(guò)聲學(xué)掃描顯微鏡檢查塑封料的封裝情況，觀察部件內(nèi)部不同材料之間的界面有無(wú)分層；2）通過(guò)剖面觀察鍵合焊盤(pán)與下層結(jié)構(gòu)的粘接情況來(lái)判斷鍵合質(zhì)量的優(yōu)劣；3）通過(guò)化學(xué)開(kāi)封，觀察芯片表面的損傷情況，并在去除鍵合區(qū)的金屬后觀察鍵合區(qū)是否存在下層結(jié)構(gòu)被損傷的情況。

b）環(huán)境耐久性評(píng)價(jià)

結(jié)合銅絲鍵合的主要失效機(jī)理，對(duì)銅絲鍵合器件進(jìn)行高溫老化、快速溫循和穩(wěn)態(tài)潮熱等環(huán)境耐久性試驗(yàn)。1）高溫老化：暴露由于持續(xù)高溫導(dǎo)致的材料膨脹而引起的鍵合絲開(kāi)路、連接不良，也可以加速銅的氧化，加劇石英砂擠壓損傷芯片等；2）穩(wěn)態(tài)潮熱：使水汽侵入封裝內(nèi)部，引起芯片表面離子漏電，加劇鍵合彈坑損傷引起的漏電等；3）快速溫循：由于材料的熱膨脹系數(shù) （CTE：Coefficient of thermal expansion）不一致導(dǎo)致界面分層、芯片剪切應(yīng)力，引起鍵合拉脫從而暴露銅絲鍵合虛焊等缺陷。環(huán)境耐久性評(píng)價(jià)試驗(yàn)推薦的試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 環(huán)境耐久性評(píng)價(jià)推薦試驗(yàn)條件

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究總結(jié)了銅絲鍵合器件的主要失效模式和失效機(jī)理，并給出了銅絲鍵合器件典型的失效案例，提出了一種鍵合工藝質(zhì)量評(píng)價(jià)與環(huán)境耐久性評(píng)價(jià)相結(jié)合的塑封銅絲健合器件的可靠性評(píng)價(jià)方法，有助于器件生產(chǎn)方發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的缺陷并改進(jìn)生產(chǎn)工藝，制造出更加可靠的銅絲鍵合器件；同時(shí)，也有利于器件使用方開(kāi)展物料選型、物料比對(duì)以及使用防護(hù)等方面的工作。在實(shí)際型號(hào)產(chǎn)品的評(píng)價(jià)中，應(yīng)該結(jié)合產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境，調(diào)整環(huán)境耐久性評(píng)價(jià)試驗(yàn)的應(yīng)力類型和強(qiáng)度。

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