引線鍵合中焊盤裂紋的產(chǎn)生原因及改善方法

馬勉之，楊智群，張德濤

（華天科技（西安）有限公司，西安 710018）

1 引言

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，市場對集成電路的功能和可靠性要求越來越高，但芯片焊盤受各方面因素影響，其抗沖擊能力有一定差異，在鍵合過程中產(chǎn)生焊盤裂紋成為封裝過程中亟待解決的難題。鍵合過程中設(shè)備輸出能量過大會使芯片焊盤的鍵合區(qū)出現(xiàn)裂紋或破損，造成產(chǎn)品失效。在實際生產(chǎn)過程中，引發(fā)焊盤裂紋的原因有很多，如芯片蝕刻異常、探針印不良、壓焊設(shè)備異常、加工參數(shù)設(shè)置不當(dāng)?shù)萚1]。這些因素均會造成焊盤裂紋，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。本文從芯片焊盤結(jié)構(gòu)、引線鍵合參數(shù)、鍵合作業(yè)模式等方面進(jìn)行分析，總結(jié)改善焊盤裂紋的方法。優(yōu)化后的方案既可以提升封裝可靠性，降低生產(chǎn)成本，同時也能增強(qiáng)制程穩(wěn)定性，規(guī)避發(fā)生焊盤裂紋的潛在風(fēng)險，尤其對敏感芯片的封裝技術(shù)具有一定的指導(dǎo)意義。

2 焊盤裂紋的影響因素

2.1 焊盤結(jié)構(gòu)

封裝過程中，不同的晶圓制程工藝、焊盤結(jié)構(gòu)以及焊盤下是否有電路等因素對焊盤裂紋的產(chǎn)生有著不同程度的影響。壓焊所用線材與焊盤的匹配性也會影響焊盤裂紋的產(chǎn)生。在研究改善焊盤裂紋前，需深入了解具體產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)信息。

晶圓制程信息主要通過介質(zhì)層（Metal）與連接通道（IMD）之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系來判定，Al 制程常見的焊盤結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，焊盤同下層的介質(zhì)層通過不同材質(zhì)的連接通道進(jìn)行連接導(dǎo)通。連接通道出現(xiàn)焊盤裂紋會導(dǎo)致產(chǎn)品不能導(dǎo)通，進(jìn)而造成產(chǎn)品功能失效。Cu 制程常見的焊盤結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，焊盤下方有一層較厚的頂層介質(zhì)層（Top metal），該結(jié)構(gòu)中的頂層介質(zhì)層、連接通道和介質(zhì)層的材質(zhì)相同。頂層介質(zhì)層具有較強(qiáng)的抗沖擊作用，可以有效降低引線鍵合過程中出現(xiàn)焊盤裂紋的風(fēng)險。

圖1 常見的焊盤結(jié)構(gòu)

2.2 引線鍵合

2.2.1 第一焊點(diǎn)鍵合

采用放電棒在高壓下放電，放電瞬間的高溫?zé)劬€材形成自由空氣球（FAB），F(xiàn)AB 受到超聲波振動、壓力、時間、溫度四個要素同時作用，形成第一焊點(diǎn)鍵合。通過控制線夾的開合塑造線弧的形狀，并利用劈刀將線材壓焊在基板上，形成第二焊點(diǎn)的魚尾鍵合。以上過程反復(fù)進(jìn)行，最終完成連續(xù)的壓焊鍵合作業(yè)[3]。圖2 為壓焊鍵合作業(yè)示意圖。

圖2 壓焊鍵合作業(yè)示意圖

第一焊點(diǎn)鍵合的具體過程如圖3 所示，劈刀在固定的位置（Z position）以一定的速度下降到恒定速度設(shè)定點(diǎn)的位置（Tip），隨后按照恒定速度勻速向下運(yùn)動直到第一焊點(diǎn)接觸到焊盤表面。經(jīng)過預(yù)輸出（USG prebleed）階段后，劈刀會輸出超聲波振動并施加壓力使第一焊點(diǎn)與焊盤形成電氣連接，從而完成第一焊點(diǎn)的鍵合。在第一焊點(diǎn)與焊盤形成電氣連接的階段（Bond time），劈刀的主要工作模式為力模式和摩擦模式，劈刀會進(jìn)行分段輸出，不同階段劈刀的鍵合作業(yè)模式不同[4]。

圖3 第一焊點(diǎn)鍵合的具體過程

2.2.2 混合氣體對FAB 成形的影響

混合氣體在鍵合作業(yè)過程中的主要作用是保護(hù)FAB 在成形時不被氧化?；旌蠚怏w的流量大小對FAB的球徑、球形及放電間隙的設(shè)定均有影響。

在可控的工藝條件下，混合氣體的流量過小或過大都會造成FAB 畸形。較小的氣體流量易造成氧化球，氣體流量較小時FAB 成形情況（氣體流量為0.2 L/min）如圖4 所示。較大的氣體流量易造成尖角球，氣體流量較大時FAB 成形情況（氣體流量為0.6 L/min）如圖5 所示。當(dāng)放電間隙為762 μm 和1 270 μm 時，使用直徑為17.78 μm 和30.48 μm 的銅線進(jìn)行FAB 成形試驗，F(xiàn)AB 成形與氣體流量的關(guān)系如圖6 所示[5]。從圖6 可以看出，當(dāng)混合氣體流量小于0.3 L/min 時，不同直徑的銅線形成了畸形的FAB；當(dāng)混合氣體流量大于0.8 L/min 時，不同直徑的銅線同樣形成了畸形的FAB。為了避免產(chǎn)生畸形的FAB，應(yīng)當(dāng)將氣體流量設(shè)置為0.3～0.8 L/min。

圖4 氣體流量為0.2 L/min 時FAB 成形情況

圖5 氣體流量為0.6 L/min 時FAB 成形情況

圖6 FAB 成形與氣體流量的關(guān)系

2.2.3 線材特性對比

金線的硬度最低，其可靠性最高，使用金線進(jìn)行鍵合產(chǎn)生焊盤裂紋的風(fēng)險最低。銅線的硬度較高，經(jīng)過打線鍵合后，焊盤容易產(chǎn)生裂紋。鍍鈀銅線的硬度最高，其導(dǎo)致焊盤發(fā)生裂紋的風(fēng)險最高。為了獲得高度相同的第一焊點(diǎn)，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%的銅線進(jìn)行鍵合所需的應(yīng)力比使用金線進(jìn)行鍵合所需的應(yīng)力高20%～25%，而過大的應(yīng)力容易導(dǎo)致鋁層被擠出、焊盤剝離及焊盤產(chǎn)生裂紋[6]。采用相同的鍵合參數(shù)進(jìn)行鍵合時，使用鍍鈀銅線作為連接線的FAB 的硬度高于使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%的銅線作為連接線的FAB 的硬度。

2.2.4 鍵合參數(shù)的設(shè)置

通過超聲波振動及壓力共同作用完成第一焊點(diǎn)鍵合，在鍵合過程中產(chǎn)生的過大應(yīng)力容易導(dǎo)致焊盤發(fā)生裂紋，因此，鍵合參數(shù)的設(shè)置是影響焊盤裂紋產(chǎn)生的重要因素。根據(jù)分布位置的不同，可將裂紋分為第一焊點(diǎn)中心位置的裂紋和第一焊點(diǎn)邊緣位置的裂紋，如圖7 所示。針對第一焊點(diǎn)中心位置的裂紋，可以選擇減少預(yù)輸出階段的超聲波振動頻率及增加Bond time 階段的初始壓力，以降低第一焊點(diǎn)成形時對焊盤中心位置的應(yīng)力。對于第一焊點(diǎn)邊緣位置的裂紋，則可以選擇減少Bond time 階段的超聲波振動頻率及增加鍵合時間，以保證第一焊點(diǎn)有足夠的鍵合強(qiáng)度[7]。減少焊盤裂紋的方案如圖8 所示。

圖7 分布在第一焊點(diǎn)不同位置的裂紋

圖8 減少焊盤裂紋的方案

2.3 殘留鋁層的厚度及表面平整度

鍵合后的第一焊點(diǎn)底部殘留鋁層的厚度以及底部表面平整度對焊盤裂紋的產(chǎn)生有重要影響。殘留鋁層越厚，其對焊盤介質(zhì)層的緩沖作用越大，焊盤發(fā)生裂紋的風(fēng)險越小。鍵合后的第一焊點(diǎn)底部表面平整度越高，則設(shè)備輸出的應(yīng)力可以更均勻地分布在焊盤上，焊盤產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險越小[8]。圖9（a）為Al 制程第一焊點(diǎn)實物切片圖，由于Al 制程第一焊點(diǎn)缺乏保護(hù)層，其受到鍵合壓力時易產(chǎn)生焊盤裂紋；圖9（b）為Cu制程第一焊點(diǎn)實物切片圖，由于Cu 制程第一焊點(diǎn)存在保護(hù)層，其受到鍵合壓力時產(chǎn)生焊盤裂紋的風(fēng)險較小。

圖9 不同制程第一焊點(diǎn)實物切片圖

2.4 鍵合作業(yè)模式

劈刀輸出的超聲波振動作用于焊盤產(chǎn)生了應(yīng)力，過大的應(yīng)力會造成焊盤變形并可能導(dǎo)致焊盤裂紋的發(fā)生。針對存在焊盤裂紋風(fēng)險的產(chǎn)品，減少超聲波振動頻率可以有效地減少焊盤受到的應(yīng)力，但是超聲波振動頻率過小會導(dǎo)致第一焊點(diǎn)存在脫球風(fēng)險。因此，選用適當(dāng)?shù)逆I合作業(yè)模式對改善焊盤裂紋有重要作用。在Bond time 階段時，劈刀的鍵合作業(yè)模式主要為力模式和摩擦模式。力模式是劈刀在第一焊點(diǎn)鍵合的過程中在固定位置輸出壓力和超聲波振動進(jìn)行鍵合；摩擦模式是劈刀在第一焊點(diǎn)鍵合的過程中存在微小位移（線形或者圓弧形移動），同時輸出壓力和超聲波振動進(jìn)行鍵合。常見的劈刀鍵合作業(yè)模式如下：

1）力模式+力模式+力模式（FFF 模式），即三段力模式；

2）力模式+摩擦模式+力模式（FSF 模式）；

3）摩擦模式+力模式+力模式（SFF 模式）；

4）力模式+摩擦模式+力模式+力模式（FSFF模式）。

將不同的鍵合作業(yè)模式進(jìn)行對比，可以看出，相較于三段力模式，其他三種鍵合作業(yè)模式都包含摩擦模式。摩擦模式下的劈刀對焊盤產(chǎn)生的應(yīng)力較大，在此基礎(chǔ)上疊加了超聲波振動產(chǎn)生的應(yīng)力，過大的應(yīng)力可能會導(dǎo)致焊盤裂紋的產(chǎn)生。采用三段力模式進(jìn)行鍵合可以避免摩擦應(yīng)力帶來的影響，有效降低發(fā)生焊盤裂紋的風(fēng)險。因此，選擇三段力模式作為最佳的鍵合作業(yè)模式。

3 焊盤裂紋的優(yōu)化方案

本文從焊盤結(jié)構(gòu)、引線鍵合、鍵合作業(yè)模式等方面入手，對焊盤裂紋的成因進(jìn)行分析，提出了可以有效降低焊盤裂紋發(fā)生的方案。

對型號為CWR-0506Q 的產(chǎn)品進(jìn)行功能測試，測試結(jié)果表明，5%的產(chǎn)品在開短路測試中出現(xiàn)失效現(xiàn)象，引發(fā)失效的原因是產(chǎn)品存在焊盤裂紋。失效產(chǎn)品的第一焊點(diǎn)邊緣位置的殘留鋁層厚度約為400 nm，中心位置的殘留鋁層厚度約為200 nm，這說明第一焊點(diǎn)底部表面平整度不佳。采用FFF 模式進(jìn)行鍵合，觀察鍵合后第一焊點(diǎn)的實物切片圖，發(fā)現(xiàn)殘留鋁層的厚度約為500 nm，且第一焊點(diǎn)底部表面平整度良好。產(chǎn)品不良率由5.0%下降至1.2%，失效產(chǎn)品的數(shù)量明顯減少。觀察鍵合后的焊盤外觀，焊盤沒有發(fā)生裂紋。該鍵合作業(yè)模式有效地解決了焊盤裂紋的問題。采用不同鍵合作業(yè)模式的產(chǎn)品測試結(jié)果如表1 所示。

4 結(jié)論

本研究從焊盤結(jié)構(gòu)、引線鍵合及鍵合作業(yè)模式等角度分析了焊盤裂紋產(chǎn)生的原因，并提出了優(yōu)化方案，規(guī)避發(fā)生焊盤裂紋的風(fēng)險，為實際生產(chǎn)中解決焊盤裂紋問題提供參考。隨著芯片制造工藝的變化和市場對芯片可靠性的要求不斷提高，焊盤裂紋的預(yù)防和改善方法也需要不斷升級更新，后續(xù)課題組將進(jìn)一步研究材料特性、封裝設(shè)計與焊盤裂紋的關(guān)聯(lián)性，提供更加有效的方案以降低鍵合過程中發(fā)生焊盤裂紋的風(fēng)險。