郁振華，虞勇堅(jiān)，萬 力

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫 214035）

銅線鍵合塑封器件破壞性物理分析技術(shù)

郁振華，虞勇堅(jiān)，萬 力

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫 214035）

銅線替代傳統(tǒng)的金線鍵合已經(jīng)成為半導(dǎo)體封裝工藝發(fā)展的必然趨勢，因其材料和制造工藝的特點(diǎn)，其破壞性物理分析方法不同于金線或鋁線鍵合的器件。提出銅絲鍵合塑封器件破壞性物理分析的步驟及判據(jù)參照標(biāo)準(zhǔn)，討論了器件激光開封技術(shù)的工藝步驟和參數(shù)值以及鍵合強(qiáng)度測試判據(jù)和典型斷裂模式，以解決銅線鍵合塑封器件的破壞性物理分析問題。

銅線；鍵合；開封；破壞性物理分析

1 引言

1.1 銅線鍵合的發(fā)展

對于半導(dǎo)體器件封裝工藝來說，引線鍵合是其中一個(gè)重要的工藝步驟，其作用是作為橋梁將內(nèi)部芯片上的引出端連接到外部引腳上。在過去的20年間，金線作為鍵合材料一直占據(jù)著主導(dǎo)地位，近幾年隨著金價(jià)格的飛速上漲，其主導(dǎo)地位也隨之消失。銅線因成本低廉、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，其鍵合技術(shù)的發(fā)展越來越迅速，英飛凌、ST、Atmel等國外半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體器件都在由銅線鍵合代替金線或者鋁線鍵合。

比較表1列出的各種不同鍵合金屬材料的物理特性，銅線鍵合工藝的優(yōu)勢如下：

·有明顯的材料價(jià)格優(yōu)勢；

·銅的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性均優(yōu)于金和鋁；

·機(jī)械性能高，沖彎成型后不宜變形或扭曲。

銅線鍵合工藝的風(fēng)險(xiǎn)如下：

·易氧化，鍵合時(shí)需氮-氫混合氣保護(hù)；

·硬度大，易造成芯片傷害（鋁擠出和硅彈坑）。

1.2 破壞性物理分析

DPA（destructive physical analysis）破壞性物理分析驗(yàn)證電子元器件的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料、制造的質(zhì)量和工藝情況是否滿足預(yù)定用途或有關(guān)規(guī)范的要求，以及是否滿足器件規(guī)定的可靠性和保障性，通過元器件樣品進(jìn)行一系列尋找失效機(jī)理分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的過程，并確定失效是偶然還是成批次的，然后依據(jù)結(jié)論采取改正措施，從而提高器件的可靠性，因此DPA在半導(dǎo)體器件可靠性評價(jià)中有非常重要的作用。

銅線作為一種新型鍵合引線材料，由于本身的特性其生產(chǎn)工藝不同于金線、鋁線鍵合，由此產(chǎn)生的缺陷也不同，鍵合點(diǎn)脫離、芯片焊盤出現(xiàn)硅彈坑，芯片表面易腐蝕等缺陷是銅線鍵合較為常見的失效現(xiàn)象，因此破壞性物理分析在銅線鍵合塑封器件的可靠性檢測過程中是非常重要的[1]。

表1 鍵合金屬材料物理特性對比

銅線鍵合塑封器件破壞性物理分析不同于金線、鋁線鍵合塑封器件，其主要問題有兩點(diǎn)：第一，開封技術(shù)不同，采用常規(guī)的開封方法會(huì)腐蝕銅線，無法進(jìn)行后續(xù)的內(nèi)部目檢和鍵合拉力測試分析；第二，目前暫無標(biāo)準(zhǔn)給出銅線鍵合拉力測試的最小極限值。

2 破壞性物理分析流程

目前國內(nèi)半導(dǎo)體器件的破壞性物理分析流程和方法只在GJB568B-2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》和GJB4027A-2006《軍用電子元器件破壞性物理分析方法》中規(guī)定。前者規(guī)定了陶瓷封裝器件的破壞性物理分析流程和方法；后者規(guī)定了塑封器件，但主要是針對金線和鋁線鍵合工藝的流程和方法。圖1給出了塑封器件DPA分析流程。

銅線鍵合因材料、封裝工藝的不同，其DPA試驗(yàn)也不同于金線鍵合和鋁線鍵合器件，其關(guān)鍵技術(shù)在器件的開封和引線鍵合拉力測試，這也是本文研究的重點(diǎn)。

3 銅線鍵合塑封器件破壞性物理分析技術(shù)

目前國內(nèi)外已有多個(gè)報(bào)道研究過銅線鍵合塑封器件的開封方法，如2015年《太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)》的《塑封銅引線集成電路開封方法》和《激光技術(shù)在塑封器件開封中的應(yīng)用》、電子五所2015年《電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)》的《銅絲鍵合塑封器件開封方法的改進(jìn)研究》等，本文通過研究激光開封的工藝步驟和參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)銅線鍵合塑封器件的開封，確保銅線不被嚴(yán)重腐蝕。

圖1 塑封器件DPA流程圖

3.1 銅線鍵合器件的開封技術(shù)

3.1.1 開封方法

開封在GJB548B-2005或GJB2407A-2006中并不屬于DPA分析流程中的檢測項(xiàng)目，試驗(yàn)本身并不需要測試或檢查，但開封技術(shù)的好壞將直接影響內(nèi)部目檢和鍵合拉力試驗(yàn)的結(jié)果。

塑封器件和陶封器件不同，芯片是被塑封料包圍的，內(nèi)部沒有空腔，因此開封方法和空封的陶瓷封裝半導(dǎo)體器件不同，金線或鋁線鍵合封裝的半導(dǎo)體器件通常采用硝酸和硫酸的混合溶液將芯片外圍的塑封材料腐蝕掉。銅會(huì)和硝酸產(chǎn)生劇烈的反應(yīng)，銅線鍵合的半導(dǎo)體器件在用混合酸腐蝕塑封料時(shí)，鍵合銅絲也會(huì)被酸腐蝕，嚴(yán)重的將出現(xiàn)斷線的現(xiàn)象。一旦鍵合銅絲被腐蝕嚴(yán)重，將影響后面的鍵合拉力測試結(jié)果。

為了保證銅線在開封過程中盡可能不被腐蝕或腐蝕少，特別是在第二鍵合點(diǎn)位置不受到硝酸的腐蝕，目前有兩種開封方法：激光開封方法和等離子刻蝕方法。等離子刻蝕法是通過CF4和O2這兩種氣體生成等離子體后同環(huán)氧樹脂模塑料（EMC）的反應(yīng)將其刻蝕掉，這個(gè)方法可以保證銅線不被腐蝕，但刻蝕時(shí)間非常長，一顆器件需要10～15 h，且控制不好會(huì)刻蝕掉玻璃等鈍化層，不建議采用。以下主要介紹激光開封的方法。

3.1.2 激光開封工藝步驟及參數(shù)

激光開封是通過一定能量的激光器掃描塑封器件表面，將環(huán)氧樹脂模塑料刻蝕掉，激光開封后再將芯片表面殘留的塑封料用酸刻蝕掉。本課題使用Nippo的LP101型激光開封機(jī)，激光波長1064 nm，能量最高達(dá)4.5 W，脈沖輸出頻率1～50 kHz。

（1）開封定位。首先在X射線照片上確認(rèn)芯片、引線框架的位置、芯片大小、芯片表面距離塑封體外表面的厚度等信息，在器件表面畫好激光開封的窗口，窗口區(qū)域應(yīng)至少覆蓋第二鍵合點(diǎn)位置。

（2）激光粗開封。先在大功率的激光能量下對器件快速粗開封，激光參數(shù)設(shè)置為功率80%，頻率5 kHz,偏距40 μm，掃描速度200 mm/s。將設(shè)定好的激光對定位好的窗口區(qū)域進(jìn)行多個(gè)循環(huán)的掃描，待鍵合絲顯漏出來時(shí)，停止掃描。

（3）激光精細(xì)開封。為了避免激光對鍵合絲的損傷,改用小功率的激光能量進(jìn)行精細(xì)開封,激光參數(shù)設(shè)置為功率40%，頻率5kHz,偏距40μm，掃描速度200mm/s。將設(shè)定好的激光再次掃描開封窗口，每次結(jié)束后在X射線儀下觀察此時(shí)塑封料表面離芯片表面的距離，若距離小于0.5 mm，則停止激光掃描。

（4）化學(xué)開封。將激光開封后的器件置于高溫加熱臺(tái)上加熱，溫度控制在120℃左右，用滴酸的方法將硝酸和硫酸的混合酸滴在窗口內(nèi)刻蝕塑封料，待芯片完全暴露出來后停止滴酸。

（5）清潔處理。用去離子水和丙酮沖洗芯片表面，最后用氮?dú)鈽尨蹈善骷?/p>

3.1.3 樣品激光開封

本文開封樣品選用ATMEL的ATMEGA128A型微控制器，封裝形式為TQFP64，外形尺寸為15 mm× 15 mm，厚度為2 mm，內(nèi)部鍵合采用φ20 μm的銅線球焊壓點(diǎn)，芯片尺寸為4.4 mm×4.2 mm。

采用銅線鍵合開封方法：開封窗口尺寸為8 mm× 8 mm（見圖2），激光粗開封4個(gè)循環(huán)掃描，激光精細(xì)開封8個(gè)循環(huán)掃描，再經(jīng)過化學(xué)開封和清洗處理。開封后結(jié)果符合內(nèi)部目檢和鍵合拉力測試要求。

為避免芯片受外力損傷，激光開封過程中還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）樣品厚度小于1 mm的樣品，直接進(jìn)行激光精細(xì)開封；

（2）為減少酸刻蝕的時(shí)間，同時(shí)保證芯片不損傷的前提下，激光開封應(yīng)盡量多刻蝕掉塑封料；

（3）化學(xué)開封時(shí)注意夾取器件，避免鑷子碰傷芯片和鍵合引線。

（4）氮?dú)鈽尩臍鈮翰灰诉^高，通常不超過200 kPa，否則容易吹歪甚至吹斷鍵合引線。

3.1.4 開封樣品的內(nèi)部目檢

每個(gè)樣品選取3根鍵合引線測量直徑，保留數(shù)據(jù)。若目檢無異常，保留器件內(nèi)部整體照片；若發(fā)現(xiàn)異常，保存異常區(qū)域放大照片。

ATMEGA128A樣品開封后的目檢結(jié)果顯示內(nèi)部鍵合引線表面光滑，無腐蝕或斷線（見圖3）；實(shí)測鍵合絲的直徑φ19 μm，見圖4；第二鍵合點(diǎn)引線鍵合點(diǎn)無異常，見圖5；芯片表面無異常，見圖6；引線鍵合點(diǎn)已全部露出，滿足鍵合拉力測試要求。

圖2 ATMEGA128A器件激光開封尺寸圖

圖3 ATMEGA128A器件開封后內(nèi)部圖

圖4 ATMEGA128A器件開封后銅鍵合引線直徑

圖5 ATMEGA128A器件開封后第二鍵合點(diǎn)

圖6 ATMEGA128A器件內(nèi)部芯片表面圖

3.2 鍵合拉力測試

鍵合拉力測試的目的是測量鍵合強(qiáng)度、評估鍵合強(qiáng)度分布或測定鍵合強(qiáng)度是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。鍵合拉力測試方法按照GJB548B-2005方法2011.1（鍵合強(qiáng)度-破壞性鍵合拉力試驗(yàn)）試驗(yàn)條件D，雙鍵合點(diǎn)在引線下通過插入一個(gè)鉤子施加拉力，拉力方向應(yīng)與芯片表面垂直，位置應(yīng)在引線弧度最高點(diǎn)，鉤子底部橫向的長度應(yīng)大于鍵合引線的直徑。最小鍵合力和斷裂模式是鍵合拉力測試的兩個(gè)關(guān)鍵失效判據(jù)。

圖7 器件鍵合拉力示意圖

3.2.1 最小鍵合力

當(dāng)器件的鍵合強(qiáng)度低于最小鍵合力時(shí)，引線鍵合的電性能連接性將會(huì)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致器件管腳開路失效。根據(jù)線徑的不同，其要求的最小鍵合強(qiáng)度也不同。GJB548B-2005方法2011.1中只給出了鋁線和金線的最小鍵合強(qiáng)度，目前尚未有標(biāo)準(zhǔn)給出銅線的最小鍵合強(qiáng)度，英飛凌、ST、TI等國內(nèi)外半導(dǎo)體公司一般使用金線的最小鍵合強(qiáng)度判據(jù)來代替銅線的最小鍵合強(qiáng)度判據(jù)。從銅線、金線和鋁線的材料分析來看，銅線的機(jī)械性能是最優(yōu)的，其抗拉強(qiáng)度也是最強(qiáng)的，因此同樣線徑的引線，銅線的鍵合拉力應(yīng)最大。統(tǒng)計(jì)近兩年國內(nèi)某封裝廠45個(gè)批次累計(jì)135只器件的鍵合拉力測試數(shù)據(jù)，給出了3種材料主要直徑的鍵合強(qiáng)度平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表2。

表2 主要直徑的銅線、金線和鋁線鍵合強(qiáng)度平均值統(tǒng)計(jì)表

3.2.2 斷裂模式

引線在進(jìn)行鍵合拉力測試時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生以下5種斷裂模式：

（1）第一鍵合點(diǎn)的頸縮點(diǎn)位置斷裂；

與果蔬產(chǎn)品部分面臨賣難的情況不同，作為廣東農(nóng)墾的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，農(nóng)場的甘蔗和劍麻已經(jīng)探索出了降低市場風(fēng)險(xiǎn)的出路。農(nóng)場與廣墾糖業(yè)、東方劍麻集團(tuán)有效對接，努力探索組建產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟，與產(chǎn)業(yè)集團(tuán)結(jié)成利益共同體，將農(nóng)場建設(shè)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地。

（2）第一鍵合點(diǎn)與焊盤脫離；

（3）第二鍵合點(diǎn)的頸縮點(diǎn)位置斷裂；

（4）第二鍵合點(diǎn)引線框脫離；

（5）引線中間部位斷裂。

斷裂模式1、斷裂模式3、斷裂模式5屬于正常的斷裂模式，當(dāng)出現(xiàn)斷裂模式2或4時(shí)，相應(yīng)的鍵合力應(yīng)會(huì)比其他正常模式的力小。其原因有可能是鍵合過程中其IMC層沒有生長好，或者芯片焊盤有粘污導(dǎo)致鍵合不好。

銅線鍵合常見的斷裂模式為引線中間部位斷裂。和金線鍵合的斷裂模式相比較，銅線鍵合異常模式更容易出現(xiàn)斷裂模式2，其原因有兩點(diǎn)：（1）銅線易氧化，不容易鍵合；（2）在相同條件的鍵合工藝下，金鋁IMC層比銅鋁IMC層生長更快[5]。因此鍵合拉力測試出現(xiàn)斷裂模式2時(shí)，建議進(jìn)行金相研磨試驗(yàn)，觀察IMC層生長情況。

銅線鍵合拉力測試出現(xiàn)斷裂模式4時(shí)，應(yīng)檢查引線框架是否被酸腐蝕，排除化學(xué)開封時(shí)人為產(chǎn)生的缺陷。

4 其他檢驗(yàn)項(xiàng)目

4.1 外部目檢

利用體視顯微鏡在5～50倍的放大倍率下檢查器件的塑封體和引腳。

確認(rèn)器件標(biāo)識清晰，是否符合器件的基本信息。塑料體是否有破損、裂紋、空洞，引腳是否有毛刺，引腳和塑料體之間是否有分層，引腳和引腳之間是否有異物，引腳鍍層是否有異常。檢測方法可以參考GJB548B-2005中方法2009（外部檢查）[3]。

4.2 X射線檢測

X射線檢測是利用X射線穿透不同材料時(shí)有不同衰減的特性來發(fā)現(xiàn)材料中的缺陷，在X射線照片中不同材料顯示的對比度不同。X射線檢測屬于無損檢測。塑封半導(dǎo)體器件通過X射線檢測可以發(fā)現(xiàn)鍵合引線、芯片、塑封料、引線框架以及粘接材料的缺陷。檢測方法可以參考GJB548B-2005中方法2012（X射線照相）。

4.3 超聲掃描檢測

超聲掃描檢測是利用超聲波對微觀物體進(jìn)行成像的無損檢測。由特定的聲學(xué)組建發(fā)射一定頻率的超聲脈沖，聲波通過器件內(nèi)部不同材料界面時(shí)，將形成反射波和透射波，通過接收探頭并將反射波或透射波轉(zhuǎn)換為視頻信號從圖像上顯示出來，因此也分為反射和透射兩種模式。

超聲掃描檢測可以發(fā)現(xiàn)引線框架、芯片或引線引出端焊板的塑封料分層，塑封體的空洞、裂紋和異物，引線框架與芯片粘接材料之間的分層。檢測方法可以參考GJB548B-2005中方法2030（芯片粘接的超聲檢測）。

4.4 內(nèi)部目檢

內(nèi)部目檢主要是通過光學(xué)顯微鏡在50～500倍的放大倍率下對開封后的器件進(jìn)行內(nèi)部檢查。檢查內(nèi)容主要包括：

（1）芯片是否符合設(shè)計(jì)文件的要求；

（2）鍵合位置和互連關(guān)系、材質(zhì)、線徑以及鍵合完整性，尤其壓點(diǎn)彈坑等是否符合要求；

（3）玻璃鈍化層和金屬化層的缺陷；

（4）芯片有源區(qū)是否受損。

檢測方法和判據(jù)可以參考GJB548B-2005中方法2013（破壞性物理分析的內(nèi)部目檢）。

5 銅線鍵合塑封器件DPA分析情況

按照銅線鍵合塑封器件DPA分析流程和檢驗(yàn)方法，近三個(gè)月累計(jì)完成5批次銅線塑封器件的DPA檢驗(yàn)，按GJB548B-2005的檢驗(yàn)判據(jù)，檢驗(yàn)結(jié)果4批次合格，1批次有異常，見表3。

表3 銅線塑封器件的DPA分析情況統(tǒng)計(jì)

圖8 XC2C256器件X射線圖（鍵合絲彎曲偏離鍵合點(diǎn)位置）

對代表樣品ATMEGA128A型微控制器件進(jìn)行外觀檢查、X射線檢測、超聲掃描檢測均無異常，開封后內(nèi)部鍵合引線表面光滑，無腐蝕和斷線現(xiàn)象，芯片表面無腐蝕現(xiàn)象，鍵合拉力平均值為12 gf，均大于規(guī)定的最小值1.5 gf，斷裂模式均為引線中間位置斷裂。

6 結(jié)束語

DPA分析是塑封器件可靠性評估中非常重要的檢測項(xiàng)目,正確的分析流程和檢驗(yàn)方法可以準(zhǔn)確并快速地發(fā)現(xiàn)器件潛在的缺陷。銅線鍵合DPA分析流程滿足DPA分析的要求，為銅線鍵合塑封器件提供了正確的分析方向。激光開封技術(shù)解決了銅線鍵合塑封器件的開封問題，確保了內(nèi)部目檢和鍵合拉力測試的準(zhǔn)確性。銅線鍵合拉力測試中的典型值和斷裂模式為DPA分析提供了重要的參考依據(jù)。

[1]吳建得,羅宏偉.銅線鍵合的發(fā)展與面臨的挑戰(zhàn) [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2008,26.

[2]宋芳芳,牛付林.塑封電子元器件破壞性物理分析方法[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2004,05.

[3]GJB 4027-2000.軍用電子元器件破壞性物理分析[S].

[4]GJB 548 B-2005.微電子器件試驗(yàn)方法和程序[S].

[5]Luke England,Tom Jiang.Reliability of Cu Wire Bonding to Al Metallization Electronic Components and Technology Conference[C].2007,16104-1613.

作者簡介：

張榮臻（1991—），女，山東濟(jì)寧人，碩士，中國電子科技集團(tuán)第58研究所助理工程師，主要從事集成電路封裝設(shè)計(jì)工作。

Research of DPA Technology for Plastic-Packaged Devices of Copper Wire Bonding

YU Zhenhua,YU Yongjian,WAN Li
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214035,China）

Recently copper is replacing gold in semiconductor packaging.DPA (Destructive Physical Analysis)for copper wire bonding is quite different from that of gold/aluminum wire bonding.The paper presents the DPA flow and failure criteria,process flow and parameter in laser decap,and criteria and typical broken mode.

copper wire;bonding;decapsulation;DPA

TN305.94

A

1681-1070（2017）01-0010-05

郁振華（1981—），男，江蘇無錫人，2004年畢業(yè)于蘇州大學(xué)電子工程系，主要從事半導(dǎo)體集成電路的可靠性檢測工作。

2016-7-28