固體繼電器采用銅絲鍵合的可行性與評(píng)價(jià)研究

Research on the Feasibility and Evaluation of Copper Wire Bonding in Solid Relays

WANG Jue ZHANG Qiu (China Electronics Standardization Institute)

Abstract:With the increasing maturityofcopper wire bonding technology，more and more civilian semiconductordevices arebonded with copper wire.Someequipment manufacturers have to choose copper wire bonding devices，but copper wire bonding devices are prone toreliabilityisues due to materialsand processes.This paper analyzes the feasibilityof copper wirebonding forsolidrelays.Basedontheresearchonforeignevaluationstandards forcopper wirebondingquality，thepaper discusses the evaluation of copper wire bonding in solid relays.

Keywords:copperwire;bonding; feasibility;evaluation

0 引言

固體繼電器從20世紀(jì)70年代發(fā)展至今，由最初簡(jiǎn)單的分立結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展到采用混合集成結(jié)構(gòu)的固體繼電器，混合集成結(jié)構(gòu)固體繼電器結(jié)合了傳統(tǒng)機(jī)械繼電器和固體繼電器的特點(diǎn)，具有小體積、高可靠性、長(zhǎng)壽命、高靈敏度、低控制功率等特點(diǎn)。在固體繼電器小型化、智能化的應(yīng)用需求下，高密度封裝技術(shù)成為固體繼電器技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，目前微電子封裝領(lǐng)域已經(jīng)采用使用銅線鍵合工藝技術(shù)，銅絲相比于金絲價(jià)格低、導(dǎo)熱性好、電導(dǎo)率大，相同直徑可承受更大電流，高剛度、直徑更小，因此近些年民用半導(dǎo)體行業(yè)逐步采用銅絲替代金絲。隨著大功率固體繼電器的研制與使用，行業(yè)逐步也在嘗試采用銅絲作為鍵合材料。

1 固體繼電器采用銅線鍵合的可行性分析

固體繼電器作為一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、電力電子等領(lǐng)域的電子開關(guān)器件，其內(nèi)部鍵合工藝對(duì)器件的可靠性和性能具有重要影響。固體繼電器需要利用金屬絲與芯片、基底、引線框架鍵合實(shí)現(xiàn)芯片與外部的電連接，鍵合工藝是產(chǎn)品裝配過(guò)程中一道關(guān)鍵工藝，鍵合的質(zhì)量直接關(guān)系到產(chǎn)品的性能和可靠性。傳統(tǒng)的鍵合材料多采用金絲或鋁絲和硅鋁絲，金絲具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗氧化性好、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性良好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件，缺點(diǎn)是成本較高；鋁絲和硅鋁絲有電阻率高、導(dǎo)熱性差、機(jī)械強(qiáng)度低、焊點(diǎn)大、成本低等特點(diǎn)，需要較大的焊盤，不適于高密度封裝，在高電流負(fù)載下易發(fā)生電遷移現(xiàn)象。

隨著材料成本的上升和工藝的不斷優(yōu)化，銅絲鍵合作為一種潛在的替代方案，逐漸受到關(guān)注。銅絲因其低成本、高導(dǎo)電率的特點(diǎn)，近年來(lái)在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但銅線鍵合技術(shù)在實(shí)際使用中面臨著多個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，這些難點(diǎn)主要涉及銅線的物理和化學(xué)特性、鍵合過(guò)程中的工藝控制以及設(shè)備精度和穩(wěn)定性等方面，主要難點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）銅線的氧化問(wèn)題：銅線在空氣中容易氧化，形成氧化物層。這些氧化物會(huì)影響銅線的焊接性能和鍵合質(zhì)量，導(dǎo)致焊球形狀和尺寸不一致，增加鍵合難度，并可能損壞鍵合焊盤，因此通常鍵合時(shí)需要利用氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)。

(2）焊接一致性：銅線鍵合過(guò)程中的焊接一致性是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。焊接一致性的問(wèn)題直接影響到芯片與基板之間的連接強(qiáng)度和電氣導(dǎo)通性，進(jìn)而影響電子產(chǎn)品的整體性能和可靠性。

（3）設(shè)備精度和穩(wěn)定性：銅線鍵合設(shè)備的精度和穩(wěn)定性對(duì)焊接一致性有重要影響。設(shè)備精度的高低決定了焊接過(guò)程中各工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性和可控性，而設(shè)備的穩(wěn)定性則關(guān)系到焊接過(guò)程中各參數(shù)的一致性和重復(fù)性。

(4)銅線的硬度：銅線硬度較高，鍵合時(shí)需要更高的超聲功率與鍵合壓力，鍵合過(guò)程中容易對(duì)芯片形成損傷，導(dǎo)致鍵合區(qū)域下方的介質(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。這些問(wèn)題可能在產(chǎn)品檢測(cè)時(shí)難以發(fā)現(xiàn)，但隨著時(shí)間的推移和使用環(huán)境的影響，可能導(dǎo)致開短路或軟擊穿等問(wèn)題。

（5）塑封材料的腐蝕：封裝后的銅線易受到塑封材料中鹵化物的腐蝕，造成不可靠性不合格，焊線形成虛焊。

(6）操作人員的技能和經(jīng)驗(yàn)：熟練的操作人員能夠更準(zhǔn)確地控制焊接過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)和操作步驟，從而提高焊接質(zhì)量和一致性。因此，加強(qiáng)操作人員的培訓(xùn)和技能提升是提高焊接一致性的必要措施。

銅絲鍵合現(xiàn)實(shí)存在的這些難點(diǎn)使固體繼電器在應(yīng)用中面臨諸多挑戰(zhàn)，如氧化問(wèn)題、硬度較高導(dǎo)致的芯片損傷風(fēng)險(xiǎn)等，在生產(chǎn)過(guò)程中可以研究和開發(fā)新的保護(hù)措施和技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化鍵合工藝參數(shù)、提高鍵合設(shè)備精度和穩(wěn)定性、加強(qiáng)操作人員的培訓(xùn)和技能提升等一系列措施，解決銅線鍵合技術(shù)難點(diǎn)，有效降低固體繼電器鍵合點(diǎn)的電阻、提高器件效率，降低固體繼電器產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高繼電器承受的機(jī)械應(yīng)力。

（1）優(yōu)化鍵合工藝參數(shù)：銅絲鍵合的成功實(shí)施依賴于工藝參數(shù)的優(yōu)化，包括鍵合溫度、壓力、超聲波能量等。研究表明，采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)氣體（如：氮?dú)饣驓錃猓┛梢杂行Х乐广~絲氧化，提高鍵合質(zhì)量。此外，通過(guò)優(yōu)化超聲波能量和鍵合壓力，可以減少對(duì)芯片表面的損傷。

（2）提高鍵合界面可靠性：銅絲鍵合的界面可靠性是其在固體繼電器中應(yīng)用的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)表明，銅絲與芯片焊盤之間的金屬間化合物（IMC）

形成速度較快，且IMC層的厚度和均勻性對(duì)鍵合點(diǎn)的長(zhǎng)期可靠性具有重要影響。通過(guò)控制鍵合溫度和時(shí)間，可以優(yōu)化IMC層的形成，提高鍵合點(diǎn)的抗熱疲勞性能。

（3)改進(jìn)鍵合材料：固體繼電器通常工作在高溫、高濕等惡劣環(huán)境中，因此銅絲鍵合的耐環(huán)境性能尤為重要。實(shí)驗(yàn)表明，采用鍍層銅絲（如：鍍鈀銅絲）可以有效提高鍵合點(diǎn)的抗氧化性和耐腐蝕性，從而增強(qiáng)器件的環(huán)境適應(yīng)性。

通過(guò)民用半導(dǎo)體行業(yè)采用銅絲鍵合的已有數(shù)據(jù)和使用經(jīng)驗(yàn)的研究分析，固體繼電器采用銅絲鍵合工藝是可行的。

2 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)銅絲鍵合拉力的試驗(yàn)判據(jù)要求

鍵合拉力試驗(yàn)是評(píng)價(jià)鍵合質(zhì)量的最直接和有效的方法。鍵合拉力試驗(yàn)包括破壞性鍵合拉力和非破壞性鍵合拉力，其中破壞性鍵合拉力是對(duì)鍵合絲施加拉力直至鍵合絲被拉斷或出現(xiàn)其他失效模式（如：鍵合點(diǎn)被拉脫）。

目前，我國(guó)已有的鍵合拉力標(biāo)準(zhǔn)GB/T4937.22—2018《半導(dǎo)體器件機(jī)械和氣候試驗(yàn)方法第22部分：鍵合強(qiáng)度》\\`、GJB 128B—2021《半導(dǎo)體器件試驗(yàn)方法》2和GJB548B—2021《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》3中，尚無(wú)銅絲鍵合拉力試驗(yàn)的判據(jù)。

固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)（JointElectronDeviceEngineeringCouncil，JEDEC)對(duì)銅絲器件的鍵合拉力試驗(yàn)方法和判據(jù)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，如果針對(duì)銅絲制定鍵合拉力判據(jù)，需要考慮到不同類型銅絲材料（純銅或鍍鈀銅絲）的差異、不同鍵合界面的差異、不同鍵合工藝的差異等，試驗(yàn)驗(yàn)證的工作量非常大。經(jīng)行業(yè)內(nèi)長(zhǎng)期對(duì)采用金絲鍵合的判據(jù)作為銅絲鍵合判據(jù)的數(shù)據(jù)跟蹤，未發(fā)生重大的技術(shù)問(wèn)題。因此JEDEC決定采用金絲的鍵合拉力判據(jù)作為銅絲的鍵合拉力判據(jù)

2022年12月JEDEC發(fā)布的JESD47L《基于應(yīng)力試驗(yàn)的集成電路鑒定要求》4中規(guī)定封裝前的銅絲鍵合和金絲鍵合采用相同的鍵合拉力判據(jù)。但考慮到塑封器件開封可能會(huì)對(duì)鍵合絲或鍵合點(diǎn)造成一定的破壞，影響鍵合拉力試驗(yàn)的結(jié)果，因此該標(biāo)準(zhǔn)不要求進(jìn)行開封后的鍵合拉力試驗(yàn)，也未規(guī)定器件開封后的鍵合拉力判據(jù)。

美國(guó)雷神公司在2022年發(fā)布的研究報(bào)告“Evaluation of Copper and Gold Wire Bonds inPEM Devices”（塑封器件金絲和銅絲性能對(duì)比）[5]顯示，該公司將金絲的最小拉力值的2倍作為銅絲的鍵合拉力判據(jù)。

美國(guó)國(guó)防部2019年發(fā)布的MIL-STD-1580C《電子、電磁和機(jī)電元器件破壞性物理分析方法》的第16部分“微電子器件（單片集成電路、混合集成電路、光耦和多芯片模塊）詳細(xì)要求”增加了對(duì)（封裝后）銅絲鍵合器件的破壞性物理分析要求：除另有規(guī)定外，銅絲和銀絲的鍵合拉力應(yīng)滿足金絲的要求。

3典型銅絲鍵合質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分析

目前汽車行業(yè)及部分高可靠領(lǐng)域?qū)︺~絲鍵合質(zhì)量評(píng)價(jià)采用的標(biāo)準(zhǔn)是汽車電子委員會(huì)制定的AEC-Q006《銅絲鍵合器件鑒定要求》規(guī)定了采用銅絲鍵合的汽車級(jí)塑封集成電路和塑封分立器件應(yīng)進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目和應(yīng)力。AEC-Q101《基于失效機(jī)理的汽車用分立器件應(yīng)力試驗(yàn)鑒定要求》明確規(guī)定采用銅絲鍵合的器件鑒定檢驗(yàn)時(shí)，用AEC-Q006規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目取代AEC-Q101規(guī)定的同類試驗(yàn)項(xiàng)目，其他試驗(yàn)項(xiàng)目按AEC-Q101的規(guī)定。美國(guó)導(dǎo)彈防御局推薦使用該標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)銅絲鍵合器件的可靠性，美軍標(biāo)MIL-STD-1580C也規(guī)定依據(jù)AEC-Q006評(píng)價(jià)銅絲鍵合的質(zhì)量。

3.1試驗(yàn)應(yīng)力要求

AEC-Q006規(guī)定的檢驗(yàn)主要包括溫度循環(huán)、強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱、高溫貯存和壽命試驗(yàn)，而且為獲得更加充分的可靠性數(shù)據(jù)，規(guī)定要進(jìn)行2次應(yīng)力試驗(yàn)，或者在與用戶就試驗(yàn)條件、抽樣方案以及印制板的材料達(dá)成一致意見(jiàn)的前提下，可以用板級(jí)試驗(yàn)替代第2次試驗(yàn)；每次試驗(yàn)前進(jìn)行超聲掃描，試驗(yàn)后進(jìn)行電參數(shù)測(cè)試、超聲掃描、鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)、剖面分析等檢測(cè)。以分立器件為例，具體的試驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表1所示。

3.2關(guān)鍵試驗(yàn)項(xiàng)目

3.2.1溫度循環(huán)試驗(yàn)

溫度循環(huán)試驗(yàn)主要評(píng)價(jià)銅絲承受溫度變化帶來(lái)的內(nèi)部剪切應(yīng)力的能力，試驗(yàn)條件為1000次循環(huán)。溫度變化過(guò)程中，鍵合絲不斷受到塑封料的拉扯，造成鍵合絲出現(xiàn)熱疲勞。由于銅絲鍵合的硬度較高，柔韌性比金絲和鋁絲差，因此銅絲鍵合比金絲和鋁絲更容易出現(xiàn)熱疲勞失效，更容易出現(xiàn)分層。

3.2.2強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱/高溫高濕反偏試驗(yàn)

強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱/高溫高濕反偏試驗(yàn)的作用是加速塑封料中氯離子對(duì)銅絲鍵合和焊盤界面生成的金屬間化合物的腐蝕，嚴(yán)重的腐蝕可導(dǎo)致界面處出現(xiàn)裂紋。試驗(yàn)時(shí)施加的偏置電壓為 80% 的額定電壓，試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)時(shí)的偏置電壓越高，金屬間化合物越容易產(chǎn)生退化。強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)的條件為 130^°C ，相對(duì)濕度 85% ， 96h ，高溫高濕反偏試驗(yàn)的條件為 85°C ，相對(duì)濕度 85% ， 1000h 。

3.2.3高溫貯存或高溫柵偏或高溫反偏

高溫可以加速銅/鋁（A1)界面金屬間化合物的生長(zhǎng)，從而產(chǎn)生開路失效，還會(huì)降低第二焊點(diǎn)鍵合的機(jī)械性能。試驗(yàn)在最高貯存溫度下進(jìn)行，時(shí)間為1000h 。

3.2.4間歇工作壽命試驗(yàn)

間歇工作壽命試驗(yàn)通過(guò)電壓、電流、溫度的綜合作用加速器件的老化，考核芯片的可靠性，但在AEC-Q006B的草案中省略了該項(xiàng)試驗(yàn)，認(rèn)為通過(guò)溫度循環(huán)試驗(yàn)可以充分評(píng)價(jià)銅絲承受熱-機(jī)械應(yīng)力的能力，這項(xiàng)試驗(yàn)要求變化需要后續(xù)跟蹤關(guān)注。

3.3試驗(yàn)分析要求

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析是對(duì)采用銅絲鍵合器件質(zhì)量評(píng)價(jià)的重點(diǎn)，AEC-Q006規(guī)定的試驗(yàn)分析項(xiàng)目包括超聲掃描、鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)和剖面分析。

3.3.1超聲掃描

超聲檢測(cè)是非破壞性分析試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)器件內(nèi)部出現(xiàn)的分層、空洞、裂紋等情況。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)前、試驗(yàn)后的超聲掃描圖像進(jìn)行對(duì)比，可以判斷分層等缺陷的發(fā)展情況。AEC-Q006重點(diǎn)關(guān)注銅絲鍵合點(diǎn)附近塑封料的分層情況，并提出了有針對(duì)性的判據(jù)，見(jiàn)表2。由于認(rèn)為器件出現(xiàn)分層并不一定表示器件可靠性存在問(wèn)題，因此AEC-Q006規(guī)定制造商可以就分層情況與用戶進(jìn)行協(xié)商，由用戶決定分層是否可以接受。

3.3.2鍵合強(qiáng)度

鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)可以有效地評(píng)價(jià)鍵合點(diǎn)和鍵合工藝的質(zhì)量，AEC-Q006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：封裝前，確定焊球鍵合點(diǎn)的剪切力與鍵合點(diǎn)面積的關(guān)系，確定鍵合點(diǎn)能夠承受的最大拉力，進(jìn)行焊盤彈坑檢測(cè)；封裝后，對(duì)器件開封在第一鍵合點(diǎn)進(jìn)行鍵合拉力試驗(yàn)和鍵合球剪切試驗(yàn)（適用時(shí)），在第2鍵合點(diǎn)進(jìn)行鍵合拉力試驗(yàn)。

3.3.3剖面分析

剖面分析的目的是評(píng)估鍵合點(diǎn)的質(zhì)量和可靠性，剖面后通過(guò)顯微鏡觀察和掃描電子顯微鏡觀察，檢查鍵合點(diǎn)是否出現(xiàn)裂紋、金屬間化合物生長(zhǎng)等問(wèn)題。

AEC-Q006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，應(yīng)選擇應(yīng)力試驗(yàn)后基于超聲掃描觀察到的最壞情況器件進(jìn)行剖面分析。對(duì)球形焊鍵合進(jìn)行檢查包括：一是檢查鍵合區(qū)形成的金屬間化合物情況；二是檢查裂紋的初始位置和擴(kuò)展情況；三是檢查應(yīng)力試驗(yàn)后的腐蝕情況。對(duì)于楔形焊鍵合進(jìn)行檢查包括：接觸面積、楔形焊鍵合絲的角度、裂紋的初始位置和擴(kuò)展情況、應(yīng)力試驗(yàn)后的腐蝕情況、鍵合區(qū)形成的金屬間化合物的情況等。

3.4試驗(yàn)樣品

AEC-Q006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每項(xiàng)試驗(yàn)的樣品需從3個(gè)非連續(xù)批中各抽取77只樣品，抽樣數(shù)量較大，這是因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)是為器件制造商進(jìn)行銅絲鍵合的汽車級(jí)器件進(jìn)行補(bǔ)充鑒定準(zhǔn)備的。

AEC-Q006標(biāo)準(zhǔn)允許按芯片、封裝工藝和封裝廠3個(gè)主要因素將器件分布不同的技術(shù)族系，同一族系內(nèi)的器件允許用其他已通過(guò)鑒定的器件的數(shù)據(jù)替代該器件的鑒定，從而降低器件的鑒定成本。

4結(jié)語(yǔ)

金絲和鋁絲在鍵合領(lǐng)域已經(jīng)大量使用，積累了大量的數(shù)據(jù)，隨著銅絲鍵合工藝日益成熟，越來(lái)越多的民用半導(dǎo)體器件采用銅絲進(jìn)行鍵合，銅絲替代傳統(tǒng)的金絲鍵合已經(jīng)成為半導(dǎo)體封裝工藝發(fā)展的必然趨勢(shì)。但由于銅絲鍵合的失效機(jī)理與傳統(tǒng)使用的金絲鍵合不同，銅絲鍵合器件的可靠性數(shù)據(jù)尚不充分，因此在銅絲鍵合器件用于高可靠系統(tǒng)時(shí)，如何對(duì)銅絲鍵合器件進(jìn)行科學(xué)考核評(píng)價(jià)方法是目前國(guó)內(nèi)部分用戶正在關(guān)注研究的問(wèn)題。

固體繼電器技術(shù)發(fā)展高度依賴半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，隨著固體繼電器小型化、智能化的發(fā)展，固體繼電器內(nèi)部采用銅絲鍵合工藝實(shí)現(xiàn)互聯(lián)從材料特性、工藝可行性及可靠性等方面綜合考慮都具有顯著的可行性和良好的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)金絲鍵合相比，銅絲鍵合的材料成本可降低 50% 以上，盡管銅絲鍵合工藝的初期設(shè)備投入較高，但隨著工藝的成熟和規(guī)?；a(chǎn)，其綜合成本優(yōu)勢(shì)將更加顯著。未來(lái)的研究應(yīng)聚焦于銅絲表面處理技術(shù)、鍵合工藝的精細(xì)化控制以及長(zhǎng)期可靠性評(píng)估，以推動(dòng)銅絲鍵合在固體繼電器中的廣泛應(yīng)用。

AEC-Q006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的銅絲鍵合考核項(xiàng)目和應(yīng)力針對(duì)銅絲鍵合的失效機(jī)理和失效模式制定，能夠滿足汽車對(duì)器件的應(yīng)用需求，得到了美國(guó)國(guó)防部的認(rèn)可，在當(dāng)前國(guó)內(nèi)尚缺少銅絲鍵合質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，為了科學(xué)有效地對(duì)固體繼電器進(jìn)行考核，可以參考AEC-Q006標(biāo)準(zhǔn)的考核思路，對(duì)采用銅絲鍵合工藝的固體繼電器進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)不失為一種解決問(wèn)題的思路。

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