智能制造 鍵合球脫現(xiàn)象的調(diào)查分析及質(zhì)量管控

摘? 要：隨著消費類電子產(chǎn)品的普及，集成電路封裝產(chǎn)能巨大，這對于封裝代工廠來說，既是契機(jī)，也是挑戰(zhàn)。目前先進(jìn)封裝技術(shù)發(fā)展迅速，但傳統(tǒng)封裝出貨量仍占主要份額，特別是超聲波球壓焊技術(shù)仍占封裝鍵合工藝的主流。本文主要針對球壓焊工藝中出現(xiàn)的球脫現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)查分析，解決封裝不良導(dǎo)致的測試失效及可靠性不良等問題，并從量產(chǎn)角度上提出質(zhì)量管控方法。

關(guān)鍵詞：鍵合;球脫;質(zhì)量管控;封裝工藝

中圖分類號：TH161+.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）08-0172-03

Abstract：With the popularization of consumer electronics，the capacity of IC package is enormous that it is not only a chance but a challenge for package factory. Advanced packaging is developing rapidly so far，but traditional packaging shipments still account for the main share，especially ultrasonic ball bonding remain the mainstream of wire bonding process. This paper mainly investigates and analyses the phenomenon of ball lift in the process of ball pressure welding，solves the problems of test failure and poor reliability caused by poor packaging，and puts forward the quality control method from the angle of mass production.

Keywords：wire bonding;ball lift;quality control;packaging process

0? 引? 言

鍵合（Wire bonding），即用細(xì)金屬絲將芯片上的電極和引線框架內(nèi)引腳相連接的過程。其工藝方法主要有以下三種：（1）超聲鍵合法，利用超聲波使劈刀發(fā)生水平振動，同時施加向下壓力，使劈刀在合力及能量作用下發(fā)生塑性變形，在短時間內(nèi)完成焊接，主要用于Al絲的鍵合，鍵合點兩端都是楔形;（2）熱壓鍵合法，同時施加壓力和熱量，使得金屬絲與焊線接觸面發(fā)生原子擴(kuò)散，產(chǎn)生塑性變形，從而達(dá)到鍵合的目的，主要用于Au絲的鍵合，鍵合一端是球形，一端是楔形;（3）熱聲鍵合法，采用超聲波能量及外加熱源，目的是激活材料的能級，在無須磨蝕表面氧化層的前提下，促進(jìn)兩種金屬的有效連接以及金屬間化合物（IMC）的擴(kuò)散和生長，主要用于Cu絲的鍵合。本文主要探討熱聲鍵合法，針對Cu絲在Al pad焊接上的第一焊點球脫現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)查分析。

所謂第一焊點，通常為芯片上的焊接點，而基板或框架上與焊線的連接點為第二焊點。實現(xiàn)方法為用超聲波能量燒結(jié)成小球后壓焊在第一焊點上，根據(jù)設(shè)備設(shè)定的路線形成線弧，再將金屬線壓焊在第二焊點上，同時拉斷引線，以此完成鍵合動作。[1]

因銅絲成本只有金絲的1/10～1/3，且銅在電導(dǎo)率或熱導(dǎo)率上，均高于金，因此在直徑相同的條件下銅絲可以承載更大電流，使得銅引線不僅能夠應(yīng)用于功率器件中，也能夠應(yīng)用于更小直徑的引線，以適應(yīng)高密度集成電路的封裝要求。故而銅引線鍵合在消費類電子封裝中被廣泛而大量地使用。正因此，封裝代工廠銅線封裝出貨量大，但在測試后，時常出現(xiàn)部分產(chǎn)品開路，此時急需找出原因及對策，確認(rèn)測試通過產(chǎn)品是否存在同等質(zhì)量風(fēng)險，避免給客戶或代工廠帶來重大損失。

對開路產(chǎn)品進(jìn)行失效分析，發(fā)現(xiàn)均為第一焊點出現(xiàn)球脫現(xiàn)象（圖1方框內(nèi)）。

本文主要針對此不良信息，從制程的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)查分析，找到導(dǎo)致球脫的原因，并制定一套質(zhì)量管理方法，將此不良問題風(fēng)險降到最低。

1? 球脫現(xiàn)象調(diào)查分析

第一焊點銅球的鍵合成形，是基于一定的溫度下，銅與鋁墊接觸面發(fā)生反應(yīng)，形成介金屬層（IMC），隨著時間推移，原子間會相互擴(kuò)散、滲透，介金屬層也會相對變厚，鍵合效果就越明顯。而若出現(xiàn)球脫，說明介金屬層生長不良，造成這種情況的因素主要有：鋁墊被沾污、腐蝕或銅球成形不良、環(huán)境溫度達(dá)不到等。鑒于此，特從制程的以下方面進(jìn)行調(diào)查與實驗：

1.1? 等離子體清洗（Plasma）

在焊線前進(jìn)行等離子體清洗，可以去除半導(dǎo)體表面的有機(jī)污染，特別是去除焊線墊上的氧化鋁，以保證良好的焊點連接、引線鍵合，[2]因此，焊接前的等離子體清洗至關(guān)重要。但因其固有特性，清洗效果具有時效性，一般規(guī)定在清洗4h內(nèi)必須上機(jī)安排焊線作業(yè)，如若超時，清洗效果退化，極有可能影響鍵合，發(fā)生球脫。鑒于此，安排兩組實驗進(jìn)行對比驗證。

實驗一：樣品50只，在Plasma清洗后2小時開始焊線作業(yè);

實驗二：樣品50只，在Plasma清洗后8小時開始焊線作業(yè)。

焊線完成后分別抽取樣品進(jìn)行銅球推拉力測量及IMC確認(rèn)，如表1所示。

表1? plasma后不同時間間隔IMC對比

兩組實驗雖然推拉力在規(guī)格范圍內(nèi)，但I(xiàn)MC結(jié)果卻差異明顯，在Plasma后4h內(nèi)焊線（實驗安排在2h），IMC殘金面積比例大于80%，反之在4h后（實驗安排在8h）殘金比例只有60%左右，殘金面積越小，表示銅線與鋁墊接觸所生成的介金屬化合物生成越少，脫球風(fēng)險就越高。

EDX分析發(fā)現(xiàn)脫球的焊墊表面帶有氯元素殘留，有可能是產(chǎn)品長時間在空氣中未加工，空氣中濕氣或異常氯離子對芯片部分位置造成污染或腐蝕，銅球和鋁墊被污染或腐蝕后無法形成IMC，導(dǎo)致脫球失效。

1.3? 壓焊設(shè)備溫度

根據(jù)以上所述原理，銅球跟鋁墊完美結(jié)合的前提是需提供合適的環(huán)境溫度以促進(jìn)介金屬化合物的生成。對于銅鋁結(jié)合，焊接設(shè)備溫度一般設(shè)定在170度以上。為驗證溫度對結(jié)合成效的影響，安排以下三組實驗進(jìn)行對比驗證：

第一組：樣品數(shù)50只，設(shè)備溫度150度;

第二組：樣品數(shù)50只，設(shè)備溫度160度;

第三組：樣品數(shù)50只，設(shè)備溫度170度。

實驗完成進(jìn)行FT測試、MSL3、BHAST可靠性實驗，對比結(jié)果如表4所示。

從結(jié)果看出，樣品FT結(jié)果均pass，但焊線設(shè)備溫度越低，MSL3和BHAST可靠性試驗后測試出現(xiàn)的不良越高。對測試不良品開封發(fā)現(xiàn)脫球現(xiàn)象，進(jìn)行IMC檢查，存在輕微的“貓眼”，如圖2所示，即介金屬層覆蓋表面比例小且不平整。

從實驗看出，若實際生產(chǎn)中，焊線設(shè)備沒有進(jìn)行溫度檢查，或出現(xiàn)溫度漂移現(xiàn)象，存在鍵合脫球風(fēng)險。

1.4? 劈刀口異常

焊線中最重要的工具即為劈刀，劈刀的好壞直接影響焊線的成型及質(zhì)量。劈刀設(shè)計、材料、壽命等，都會成為影響焊線品質(zhì)的重要因素。

劈刀口不光滑，帶毛刺，更容易使基板表面或芯片表面等沾污物或揮發(fā)物附著在劈刀口，引起線弧放線不暢或反弧過小，甚至導(dǎo)致第一焊點的銅球和鋁墊共金不良，發(fā)生球脫現(xiàn)象。劈刀對比見圖3和圖4所示。

為杜絕因劈刀不良造成的焊線不良，改善劈刀設(shè)計，縮短劈刀口長度，避免異物在劈刀口堆積;將劈刀口由原來的磨砂設(shè)計改為拋光處理，避免線弧放線不暢。另外，劈刀使用時間過長，接近劈刀壽命時容易存在質(zhì)量問題。

2? 針對球脫現(xiàn)象的質(zhì)量管控方法

產(chǎn)線在焊線批量生產(chǎn)前，會進(jìn)行首檢確認(rèn)，執(zhí)行銅球推力、焊線拉力、彈坑實驗，但此類首檢樣品數(shù)量少，無法涵蓋或保證大量生產(chǎn)后可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題。因此，只有規(guī)范質(zhì)量管控流程和方法，才能將球脫風(fēng)險降到最低。

2.1? 質(zhì)量確認(rèn)手段

球脫現(xiàn)象存在一定的隱蔽性，不管是首檢或是正常生產(chǎn)，通過一般的SPC管控，QA作業(yè)員有時很難發(fā)現(xiàn)，大部分情況是產(chǎn)品封裝完成，進(jìn)行FT測試或BHAST、MSL3可靠性后，失效才會出現(xiàn)，進(jìn)行開封后發(fā)現(xiàn)脫球不良，而此時產(chǎn)品已加工完成，為避免風(fēng)險品流通到客戶，需要對成品全部進(jìn)行加嚴(yán)測試，比如在一定溫度下，或全部經(jīng)過初步的可靠性實驗篩選后，再進(jìn)行FT，來確認(rèn)產(chǎn)品是否有不良。所以在大量生產(chǎn)過程，即需要增加抽取批次或時段的頻率，特別是IMC及切片檢查。

2.1.1? IMC檢查

IMC檢查即觀察銅球與焊墊交界面的介金屬層面積。若IMC覆蓋面積太?。?lt;80%），說明接觸面無有效擴(kuò)散，存在脫焊的風(fēng)險。因銅與鋁顏色差異較大，通過物理辨識及軟件測量可以得出覆蓋面積比例。[2]

2.1.2? 切片檢查

切片檢查需在產(chǎn)品塑封之后，對需要觀察的銅球周圍沿某一特定方向進(jìn)行研磨，并在高倍率顯微鏡下觀察球形、鋁擠、殘鋁等。

2.2? 質(zhì)量流程管控

球脫質(zhì)量管控方法如圖6所示，分別從人、機(jī)、料、法、環(huán)五方面進(jìn)行描述。

2.2.1? 嚴(yán)格監(jiān)控制程管控表（process mapping）

制程管控表主要記錄各制程開始/完成時間及卡控不同制程間隔時長是否在規(guī)定范圍內(nèi)。

在封裝制程中，以下時間管控尤為重要：（1）壓焊Plasma完成至壓焊開始作業(yè)（<4H）;（2）芯烘烤完成至塑封前清洗（<50H）;（3）塑封清洗完成至塑封開始加工（<4H）。

而對球脫影響最大的節(jié)點在于Plasma后到壓焊作業(yè)時間。制程管控表全程由系統(tǒng)卡關(guān)，流程卡上填寫的時間第一時間錄入系統(tǒng)后，若出現(xiàn)超時現(xiàn)象，系統(tǒng)報警，并及時知會質(zhì)量工程師，對超時批次進(jìn)行分析排查，確認(rèn)是否有質(zhì)量風(fēng)險。

2.2.2? 首檢必須嚴(yán)格執(zhí)行

換劈刀未首檢屬于嚴(yán)重異常，同時，首檢時需對在線所有設(shè)備焊線溫度進(jìn)行確認(rèn)，防止壓焊設(shè)備作業(yè)過程溫度漂移，引起IMC貓眼導(dǎo)致封裝后脫球。

2.2.3? 產(chǎn)品執(zhí)行FT/OS/BHAST流程

即使產(chǎn)品FT通過，也可能存在球脫風(fēng)險，所以在出貨前，抽取產(chǎn)品進(jìn)行OS（開短路測試）及可靠性驗證，以保證產(chǎn)品可靠性過關(guān)，把好最后的防線。

3? 結(jié)? 論

本文主要對球脫現(xiàn)象進(jìn)行原因調(diào)查分析，得出等離子體清洗、鹵族元素殘留、設(shè)備溫度較低、劈刀口異常為關(guān)鍵影響因素，并提出生產(chǎn)過程對其的質(zhì)量管控方法，以降低在大量生產(chǎn)時出現(xiàn)鍵合球脫的風(fēng)險。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周益紅.芯片鎳鈀電極與金線焊接能力的關(guān)系研究 [D].蘇州：蘇州大學(xué)，2012.

[2] 楊千棟.銀合金鍵合線IMC的實驗檢查方法研究 [J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2018，47（5）：5-8+44.

[3] 朱正宇，胡巧聲.半導(dǎo)體封裝超聲波壓焊的工藝參數(shù)優(yōu)化 [J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2006，36（3）：55-60.

[4] 劉興杰，張斌海.銅線鍵合Cu/Au界面金屬間化合物微結(jié)構(gòu)研究 [J].半導(dǎo)體技術(shù)，2011，36（11）：880-884

[5] 王勝剛.Ag-Au-Pd合金鍵合線的電遷移性能研究 [D].上海：上海交通大學(xué)，2014.

作者簡介：梁賽嫦（1989.09-），女，漢族，廣東江門人，功率半導(dǎo)體產(chǎn)品開發(fā)工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：封裝工藝研究、封裝產(chǎn)品導(dǎo)入、封裝制程失效分析。