優(yōu)化關(guān)鍵工藝參數(shù)提升功率器件引線鍵合的可靠性

聶洪林，陳佳榮，任萬(wàn)春，郭林，蔡少峰，李科，陳鳳甫，蒲俊德

（1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川綿陽(yáng)，621000；2.四川立泰電子有限公司，四川遂寧，629019）

0 引言

集成電路技術(shù)的高速發(fā)展對(duì)封裝工藝的可靠性提出了更高要求[1]，引線鍵合工藝是實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部器件與外部管腳之間可靠電氣連接的至關(guān)重要環(huán)節(jié)[2]。超聲引線鍵合是目前的主流鍵合技術(shù)，具備低熱預(yù)算、高經(jīng)濟(jì)性、強(qiáng)適配性等優(yōu)點(diǎn)[3]，占據(jù)了90%以上的應(yīng)用市場(chǎng)。然而有統(tǒng)計(jì)表明，超過(guò)25%的半導(dǎo)體器件的可靠性問(wèn)題是由引線鍵合失效導(dǎo)致[4]。由于功率器件的工作電壓/電流較高，對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化和可靠性提升提出了更高要求[5]。在超聲引線鍵合工藝中，對(duì)引線鍵合可靠性影響最大的關(guān)鍵工藝參數(shù)有超聲功率、鍵合壓力、鍵合時(shí)間等[6-8]。鍵合參數(shù)設(shè)置不合理可能導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度降低、變脆以及接觸電阻變大等問(wèn)題，甚至出現(xiàn)器件開(kāi)路或電性能退化等嚴(yán)重失效[9-10]。因此，研究人員針對(duì)超聲引線鍵合的失效原因和參數(shù)優(yōu)化展開(kāi)了相關(guān)研究，羅玨等[11]研究了第二點(diǎn)鍵合金絲的短尾失效問(wèn)題，并討論其主要影響因素和形成機(jī)理。范俊玲等[12]通過(guò)調(diào)整鍵合壓力與超聲功率參數(shù)，討論了銀基鍵合線楔焊點(diǎn)形貌的影響因素。曹軍等[13]深入研究了熱超聲鍵合工藝的燒球時(shí)間、超聲功率和鍵合壓力等參數(shù)對(duì)金絲鍵合質(zhì)量的影響。然而，目前研究主要針對(duì)金絲或超細(xì)引線的鍵合失效，而較少關(guān)注功率器件的粗鋁線鍵合失效與參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，制約了大電流/電壓條件下的功率器件引線鍵合可靠性提高。

本文擬采用單一變量試驗(yàn)法，設(shè)計(jì)功率器件的超聲引線鍵合工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)，利用拉斷力測(cè)試設(shè)備表征引線鍵合的可靠性，討論鍵合可靠性背后的物理機(jī)制。進(jìn)一步利用正交實(shí)驗(yàn)給出超聲引線鍵合的工藝參數(shù)的最優(yōu)配置，為功率器件的超聲引線鍵合工藝可靠性提高提供技術(shù)支撐。

1 超聲鍵合系統(tǒng)及其原理

功率器件一般采用超聲引線鍵合法[14]。如圖1所示，超聲引線鍵合系統(tǒng)主要由超聲發(fā)生器、安裝環(huán)、變幅桿及鍵合工具等組成。超聲發(fā)生器將工頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹黝l約60 KHz的高頻正弦信號(hào)。再利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將超聲發(fā)生器產(chǎn)生的高頻信號(hào)轉(zhuǎn)變成機(jī)械振動(dòng)，經(jīng)變幅桿調(diào)整使劈刀產(chǎn)生振幅為4～5 μm的前后振動(dòng)[15]。

圖1 超聲鍵合系統(tǒng)示意圖

引線鍵合過(guò)程中，劈刀在鍵合線與界面之間施加一定的鍵合壓力。在超聲能量和壓力的共同作用下，一方面鍵合界面處的氧化膜破碎并露出潔凈界面，另一方面促使鋁線發(fā)生塑性形變使鍵合線與金屬面之間的原子層形成共價(jià)鍵結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了芯片內(nèi)部器件與外部管腳之間的緊密可靠電氣連接。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 材料選用

材料選擇。功率器件選擇溝槽型肖特基功率二極管(型號(hào)：M30T100CT，四川立泰電子有限公司)。芯片表面材質(zhì)為CuAl合金，硅基與芯片之間粘合鋁層厚度約為4～5μm。為滿足功率器件大電流工作要求，鍵合線選擇直徑380μm的粗鋁絲(純度99.99%)，并采用TO-200的封裝形式。鍵合設(shè)備采用全自動(dòng)超聲鍵合機(jī)(型號(hào)：W60，創(chuàng)唯新)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 單參數(shù)變化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在基準(zhǔn)工藝參數(shù)條件基礎(chǔ)上，分別調(diào)整引線鍵合關(guān)鍵工藝參數(shù)，包括超聲功率、超聲時(shí)間以及鍵合壓力。每個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)在基準(zhǔn)上下分別取2個(gè)點(diǎn)，每個(gè)參數(shù)點(diǎn)鍵合150根鋁線，進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)(如表1)。由于第二鍵合點(diǎn)的可靠性遠(yuǎn)優(yōu)于第一鍵合點(diǎn)，因此本研究主要針對(duì)第一鍵合點(diǎn)的鍵合工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

表1 關(guān)鍵鍵合參數(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

如表2所示，采用3因素4水平的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。3因素包括影響鍵合強(qiáng)度的三個(gè)核心工藝參數(shù)：超聲功率、鍵合時(shí)間、鍵合壓力；4水平是在單參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，綜合高功率二極管的應(yīng)用特征和工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定工藝參數(shù)范圍和四個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。每組設(shè)置40個(gè)樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以消除隨機(jī)誤差的影響，采用最大拉斷力(FMBF,Maximum Breaking Force)的平均值表征正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果。進(jìn)一步探究不同參數(shù)對(duì)鍵合質(zhì)量的影響機(jī)制及最優(yōu)參數(shù)配方。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素設(shè)計(jì)

2.3 鍵合質(zhì)量評(píng)估方法

最大拉斷力測(cè)試。鍵合強(qiáng)度是評(píng)估鍵合質(zhì)量好壞的重要技術(shù)指標(biāo)[16],其檢測(cè)方法可分為鍵合拉力測(cè)試(BPT)與剪切力測(cè)試(BST)兩種。本實(shí)驗(yàn)采用拉斷力測(cè)試儀(型號(hào)：XL30)測(cè)試最大拉斷力，以表征引線鍵合強(qiáng)度。所采用儀器和方法符合中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《微電子器件實(shí)驗(yàn)方法和程序(GJB-548B-2005)》和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(MIL-STD-883)。拉斷力測(cè)試過(guò)程如圖2所示，包括拉鉤與鍵合線對(duì)準(zhǔn)、施力后鍵合線的彈/塑性變形、拉斷三個(gè)主要階段。

圖2 最大拉斷力的測(cè)試過(guò)程與典型曲線

物理失效的顯微觀察。測(cè)試后對(duì)產(chǎn)生的物理失效進(jìn)行分析，采用光學(xué)顯微鏡(型號(hào)：AD409)觀察具體失效部位及其形貌。引線鍵合可靠性與拉斷位置有關(guān)，如果出現(xiàn)在拉鉤施力處，則為正常拉斷；若在鍵合點(diǎn)處，則可靠性不合格；而位于頸縮點(diǎn)斷裂，則需要再次測(cè)量確認(rèn)其可靠性。

3 結(jié)果與討論

3.1 基于單參數(shù)實(shí)驗(yàn)的影響機(jī)制分析

3.1.1 超聲功率

利用單參數(shù)變化實(shí)驗(yàn)法，改變超聲引線鍵合工藝的超聲功率(230,240,250,260,270mW)，制備好引線鍵合芯片后，分別測(cè)試其最大拉斷力。如圖3(a)所示，隨著超聲功率增加，最大拉斷力在給定功率范圍內(nèi)呈波動(dòng)式變化。其中在240mW和270mW處，拉斷力分別比基準(zhǔn)條件250mW處大10.58%和11.71%.同時(shí)，240mW與260mW處的標(biāo)準(zhǔn)差分別比基準(zhǔn)條件小10.28%和12.70%.如圖3(b)所示，超聲功率為240mW時(shí)，不僅拉斷力較大、鍵合強(qiáng)度高，而且測(cè)試數(shù)據(jù)收斂、可重復(fù)性好。

圖3 超聲功率的影響：(a)最大拉斷力與標(biāo)準(zhǔn)差，和(b)最大拉斷力的正態(tài)分布規(guī)律

因此，在功率器件的粗鋁線鍵合工藝中，超聲功率將影響鍵合強(qiáng)度和工藝一致性。在基準(zhǔn)條件基礎(chǔ)上，建議將粗鋁絲第一鍵合點(diǎn)的超聲功率控制在240±5mW。

3.1.2 鍵合時(shí)間

如圖4(a)所示，改變超聲鍵合時(shí)間(80,100,120,140,160ms)后，最大拉斷力先減小后增大。其中在80和100ms處，拉斷力分別比基準(zhǔn)條件120ms處大13.39%和10.27%，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差分別比基準(zhǔn)條件小16.13%和16.49%。圖4(b)中，盡管在140ms處的數(shù)據(jù)收斂性最好，但其可靠性僅比基準(zhǔn)條件高4.39%。因此當(dāng)鍵合時(shí)間為80～100ms時(shí)，鍵合強(qiáng)度高，而且測(cè)試數(shù)據(jù)收斂較好。

圖4 鍵合時(shí)間下的影響：(a)最大拉斷力與標(biāo)準(zhǔn)差，和(b)最大拉斷力的正態(tài)分布規(guī)律

因此，在功率器件的粗鋁線鍵合工藝中，鍵合時(shí)間控制對(duì)鍵合可靠性的影響較大。在基準(zhǔn)條件下，將超聲鍵合時(shí)間選取在80～100ms之間較合適。

3.1.3 鍵合壓力

如圖5(a)所示，改變鍵合壓力(3.4,3.6,3.8,4.0,4.2N)，拉斷力在3.6N處達(dá)到最大值7.764N，比基準(zhǔn)條件大15.33%，而且此時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差最小，僅為0.412。從圖5(b)中可以看出，鍵合壓力3.6N時(shí)，可靠性最好、數(shù)據(jù)最收斂。

圖5 不同鍵合壓力下的鍵合強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)差

因此，在功率器件的粗鋁線鍵合工藝中，合理選擇鍵合壓力對(duì)保證鍵合可靠性與工藝一致性至關(guān)重要。在基準(zhǔn)條件下，將超聲鍵合壓力選取在3.6±0.2N較合適。

3.2 基于正交實(shí)驗(yàn)的參數(shù)優(yōu)化

單參數(shù)實(shí)驗(yàn)有利于分析引線鍵合工藝的單一參數(shù)對(duì)可靠性的影響機(jī)制，然而該方法僅關(guān)注工藝參數(shù)的局部改變，引線鍵合參數(shù)的整體優(yōu)化需要采用正交實(shí)驗(yàn)方法。正交實(shí)驗(yàn)廣泛應(yīng)用于多因變量與結(jié)果中耦合關(guān)系的研究，可通過(guò)選取完全實(shí)驗(yàn)中的代表點(diǎn)，既大大減少了繁復(fù)的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，又可分析各因變量的相互關(guān)系，最終得到全局優(yōu)化后的工藝參數(shù)配方。

如圖6所示，引線鍵合可靠性隨著超聲功率的增大呈明顯下降趨勢(shì)，而鍵合壓力和時(shí)間的影響趨勢(shì)并不顯著。其中超聲功率的極差為0.73，分別比鍵合壓力和時(shí)間的極差大1.61和9.43倍。因此，在功率器件的粗鋁絲引線鍵合工藝中，超聲功率對(duì)鍵合可靠性影響最大，鍵合壓力次之，而鍵合時(shí)間的影響并不顯著。

圖6 正交實(shí)驗(yàn)的效應(yīng)曲線：工藝參數(shù)對(duì)最大拉斷力的影響，(a)超聲功率，(b)鍵合壓力和(c)鍵合時(shí)間

正交實(shí)驗(yàn)的鍵合可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7所示。盡管在條件3處（210mW,360N,100ms）的鍵合強(qiáng)度7.575N最大，但其標(biāo)準(zhǔn)差0.510也為最大，說(shuō)明該條件下的數(shù)據(jù)收斂性最差。條件16（270mW,3.8N,60ms）的鍵合強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)差分別比條件3小3.84%和50.39%，可見(jiàn)其數(shù)據(jù)收斂性大大提高，強(qiáng)度則有一定程度降低。而在條件2（210mW,3.4N,80ms）的鍵合強(qiáng)度僅比條件3低1.48%，但其標(biāo)準(zhǔn)差卻改善了32.31%。綜上所述，對(duì)于高功率器件的粗鋁絲鍵合工藝，當(dāng)超聲功率為210mW、鍵合壓力為3.4N和鍵合時(shí)間為80ms時(shí)，為引線鍵合的最優(yōu)工藝參數(shù)，其第一鍵合點(diǎn)的鍵合強(qiáng)度與數(shù)據(jù)收斂性的綜合可靠性較好。

圖7 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 失效機(jī)理分析

引線鍵合過(guò)程主要依靠超聲功率和劈刀壓力，將能量用于去除表面氧化層，同時(shí)通過(guò)超聲產(chǎn)生材料間摩擦而形成可靠的共價(jià)鍵連接。根據(jù)不同材質(zhì)、表面狀態(tài)和引線尺寸優(yōu)選合適的工藝參數(shù)，可保證引線鍵合的可靠性。如圖8(a)所示，當(dāng)引線鍵合工藝可靠性較好時(shí)，拉斷力測(cè)試后鍵合線從拉鉤施力處斷裂，而鍵合點(diǎn)保持可靠的連接狀態(tài)；當(dāng)鍵合施加的能量過(guò)大時(shí)，如超聲功率、時(shí)間和壓力過(guò)大，會(huì)引起鍵合線頸縮點(diǎn)部的過(guò)度塑性變形，鍵合線受損而導(dǎo)致強(qiáng)度和牢固性降低，拉斷力測(cè)試時(shí)鍵合線便從頸縮點(diǎn)處斷裂(如圖8(b)所示)，而且，施加在芯片上壓力過(guò)大還可能引起芯片內(nèi)部器件的損傷；相反地，引線鍵合時(shí)施加的能量過(guò)小(功率小、時(shí)間短、壓力小)，可能導(dǎo)致如圖8(c)所示的失效形貌，鍵合線從鍵合點(diǎn)處整體脫離。這是由于鍵合線的塑性變形不足而導(dǎo)致共價(jià)鍵合不強(qiáng)與鍵合面積太小，而且同時(shí)可能存在芯片表面的氧化層未完全去除的問(wèn)題，從而降低了引線鍵合工藝的可靠性。

圖8 引線鍵合拉斷力測(cè)試后的失效模式：(a)拉鉤處正常拉斷，(b)頸縮點(diǎn)斷裂和(c)鍵合點(diǎn)的整體脫離

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)功率器件的大電流/電壓應(yīng)用需求，對(duì)其超聲引線鍵合的工藝可靠性展開(kāi)研究。采用單一變量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，變化超聲引線鍵合的關(guān)鍵工藝參數(shù)包括超聲功率、鍵合時(shí)間和鍵合壓力，探究引線鍵合工藝參數(shù)與可靠性之間的相互影響機(jī)制和優(yōu)化方向。進(jìn)一步采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，探究最佳鍵合參數(shù)。研究表明，在基準(zhǔn)工藝條件基礎(chǔ)上，分別單獨(dú)對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整：超聲功率210mW、鍵合時(shí)間80ms和鍵合壓力3.4N時(shí)，可得到較高的鍵合可靠性和較好的數(shù)據(jù)收斂性。進(jìn)一步地，通過(guò)對(duì)鍵合失效形貌的顯微圖像觀察，研究了鍵合失效的內(nèi)部機(jī)制，發(fā)現(xiàn)鍵合能量過(guò)大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鍵合線頸縮點(diǎn)斷裂失效；能量太小會(huì)造成表面氧化層去除不足和有效鍵合的強(qiáng)度面積太小等問(wèn)題，導(dǎo)致鍵合點(diǎn)整體脫落。該研究為功率器件的引線鍵合工藝可靠性優(yōu)化指明了方向。