聶洪林，陳佳榮，任萬春，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，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)展對封裝工藝的可靠性提出了更高要求[1]，引線鍵合工藝是實現(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)濟性、強適配性等優(yōu)點[3]，占據(jù)了90%以上的應(yīng)用市場。然而有統(tǒng)計表明，超過25%的半導(dǎo)體器件的可靠性問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、鍵合時間等[6-8]。鍵合參數(shù)設(shè)置不合理可能導(dǎo)致鍵合強度降低、變脆以及接觸電阻變大等問題，甚至出現(xiàn)器件開路或電性能退化等嚴重失效[9-10]。因此，研究人員針對超聲引線鍵合的失效原因和參數(shù)優(yōu)化展開了相關(guān)研究，羅玨等[11]研究了第二點鍵合金絲的短尾失效問題，并討論其主要影響因素和形成機理。范俊玲等[12]通過調(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間、超聲功率和鍵合壓力等參數(shù)對金絲鍵合質(zhì)量的影響。然而，目前研究主要針對金絲或超細引線的鍵合失效，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法，設(shè)計功率器件的超聲引線鍵合工藝參數(shù)實驗，利用拉斷力測試設(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制。進一步利用正交實驗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)生器將工頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹黝l約60 KHz的高頻正弦信號。再利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將超聲發(fā)生器產(chǎn)生的高頻信號轉(zhuǎn)變成機械振動，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[15]。

圖1 超聲鍵合系統(tǒng)示意圖

引線鍵合過程中，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鍵結(jié)合，從而實現(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 實驗設(shè)計

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：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)備采用全自動超聲鍵合機(型號：W60，創(chuàng)唯新)。

2.2 實驗設(shè)計

2.2.1 單參數(shù)變化實驗設(shè)計

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、超聲時間以及鍵合壓力。每個關(guān)鍵工藝參數(shù)在基準(zhǔn)上下分別取2個點，每個參數(shù)點鍵合150根鋁線，進行可靠性實驗(如表1)。由于第二鍵合點的可靠性遠優(yōu)于第一鍵合點，因此本研究主要針對第一鍵合點的鍵合工藝參數(shù)進行優(yōu)化實驗設(shè)計。

表1 關(guān)鍵鍵合參數(shù)的實驗設(shè)計

2.2.2 正交實驗設(shè)計

如表2所示，采用3因素4水平的正交實驗設(shè)計方案。3因素包括影響鍵合強度的三個核心工藝參數(shù)：超聲功率、鍵合時間、鍵合壓力；4水平是在單參數(shù)實驗結(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，設(shè)定工藝參數(shù)范圍和四個實驗點。每組設(shè)置40個樣本進行實驗以消除隨機誤差的影響，采用最大拉斷力(FMBF,Maximum Breaking Force)的平均值表征正交實驗結(jié)果。進一步探究不同參數(shù)對鍵合質(zhì)量的影響機制及最優(yōu)參數(shù)配方。

表2 正交實驗因素設(shè)計

2.3 鍵合質(zhì)量評估方法

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

圖2 最大拉斷力的測試過程與典型曲線

物理失效的顯微觀察。測試后對產(chǎn)生的物理失效進行分析，采用光學(xué)顯微鏡(型號：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；若在鍵合點處，則可靠性不合格；而位于頸縮點斷裂，則需要再次測量確認其可靠性。

3 結(jié)果與討論

3.1 基于單參數(shù)實驗的影響機制分析

3.1.1 超聲功率

利用單參數(shù)變化實驗法，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，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，不僅拉斷力較大、鍵合強度高，而且測試數(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的超聲功率控制在240±5mW。

3.1.2 鍵合時間

如圖4(a)所示，改變超聲鍵合時間(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)鍵合時間為80～100ms時，鍵合強度高，而且測試數(shù)據(jù)收斂較好。

圖4 鍵合時間下的影響：(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，鍵合時間控制對鍵合可靠性的影響較大。在基準(zhǔn)條件下，將超聲鍵合時間選取在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處達到最大值7.764N，比基準(zhǔn)條件大15.33%，而且此時的標(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，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 基于正交實驗的參數(shù)優(yōu)化

單參數(shù)實驗有利于分析引線鍵合工藝的單一參數(shù)對可靠性的影響機制，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)化需要采用正交實驗方法。正交實驗廣泛應(yīng)用于多因變量與結(jié)果中耦合關(guān)系的研究，可通過選取完全實驗中的代表點，既大大減少了繁復(fù)的實驗次數(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，而鍵合壓力和時間的影響趨勢并不顯著。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，超聲功率對鍵合可靠性影響最大，鍵合壓力次之，而鍵合時間的影響并不顯著。

圖6 正交實驗的效應(yīng)曲線：工藝參數(shù)對最大拉斷力的影響，(a)超聲功率，(b)鍵合壓力和(c)鍵合時間

正交實驗的鍵合可靠性測試數(shù)據(jù)如圖7所示。盡管在條件3處（210mW,360N,100ms）的鍵合強度7.575N最大，但其標(biāo)準(zhǔn)差0.510也為最大，說明該條件下的數(shù)據(jù)收斂性最差。條件16（270mW,3.8N,60ms）的鍵合強度和標(biāo)準(zhǔn)差分別比條件3小3.84%和50.39%，可見其數(shù)據(jù)收斂性大大提高，強度則有一定程度降低。而在條件2（210mW,3.4N,80ms）的鍵合強度僅比條件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和鍵合時間為80ms時，為引線鍵合的最優(yōu)工藝參數(shù)，其第一鍵合點的鍵合強度與數(shù)據(jù)收斂性的綜合可靠性較好。

圖7 正交實驗結(jié)果

3.3 失效機理分析

引線鍵合過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，同時通過超聲產(chǎn)生材料間摩擦而形成可靠的共價鍵連接。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，拉斷力測試后鍵合線從拉鉤施力處斷裂，而鍵合點保持可靠的連接狀態(tài)；當(dāng)鍵合施加的能量過大時，如超聲功率、時間和壓力過大，會引起鍵合線頸縮點部的過度塑性變形，鍵合線受損而導(dǎo)致強度和牢固性降低，拉斷力測試時鍵合線便從頸縮點處斷裂(如圖8(b)所示)，而且，施加在芯片上壓力過大還可能引起芯片內(nèi)部器件的損傷；相反地，引線鍵合時施加的能量過小(功率小、時間短、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)致共價鍵合不強與鍵合面積太小，而且同時可能存在芯片表面的氧化層未完全去除的問題，從而降低了引線鍵合工藝的可靠性。

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

4 結(jié)束語

本文針對功率器件的大電流/電壓應(yīng)用需求，對其超聲引線鍵合的工藝可靠性展開研究。采用單一變量實驗設(shè)計方法，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制和優(yōu)化方向。進一步采用正交實驗設(shè)計方法，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，分別單獨對關(guān)鍵工藝參數(shù)進行了優(yōu)化調(diào)整：超聲功率210mW、鍵合時間80ms和鍵合壓力3.4N時，可得到較高的鍵合可靠性和較好的數(shù)據(jù)收斂性。進一步地，通過對鍵合失效形貌的顯微圖像觀察，研究了鍵合失效的內(nèi)部機制，發(fā)現(xiàn)鍵合能量過大時，會出現(xiàn)鍵合線頸縮點斷裂失效；能量太小會造成表面氧化層去除不足和有效鍵合的強度面積太小等問題，導(dǎo)致鍵合點整體脫落。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。