對使用銅絲鍵合的功率MOSFET進行失效分析

Arthur Chiang David Le

開封問題

進行失效分析要先打開零件，看是什么原因引起器件失效，主要問題就出在開封方法上。傳統的酸刻蝕開封方法并不適用于銅絲鍵合的產品，因為硝酸的煙氣會導致銅絲的快速刻蝕，即如圖1和圖2所示。

保持銅絲及鍵合的完整是不可或缺的。我們嘗試使用激光開封，去掉部分模塑料，再用酸刻蝕，露出晶片表面。發現這樣對銅絲和鍵合造成的破壞最小。

使用這種方法開封的器件見圖3。圖中顯示，銅絲和鍵合均完好無損，但有時化學處理可能正好洗掉失效的根源，所以，如果可能應以離子束代替酸刻蝕。

銅絲鍵合和金屬層的殘留鋁

完整露出銅線后還需要對銅絲鍵合進行研究，以便確定鍵合下金屬層的厚度。銅絲鍵合下面鋁層的最小厚度是影響銅絲鍵合產品的長期可靠性的關鍵因素。要詳細分析銅絲鍵合工藝的去況，聚離子束（FIB）是必不可少的失效分析工具。

我們開發了先平行拋光再用聚離子束橫切分析的方法，設計出一種不使用酸藥劑的失效分析工藝。圖5顯示，對模塑料進行平行拋光，露出了晶片表面。因為在原來的器件中晶片放的高低不是很平整，所以左上角已露出，但有一層薄薄的模塑料還覆蓋著晶片的右下角。

圖5對模塑料進行平行拋光。晶片（die）的高低相對于框架不是很平整，使得晶片的左上角先露了出來。

圖6和圖7顯示的是銅絲鍵合的聚離子束橫切面的照片，照片顯示殘留鋁的最薄厚度是0.125um。這種鍵合是必須避免的，但如果沒有很好的分析技術，就很難察覺。

采用化學刻蝕的辦法，能夠更快地測量出銅絲鍵合下面鋁層的厚度，只把銅絲和鍵合腐蝕掉，同時完整無損地保留下面的鋁層，就可以進行聚離子束的橫切面分析。這種方法的優點是能看到整個晶片表面的所有銅絲鍵合，這樣就可以選擇合適的鍵合進行分析。

圖8顯示的是用酸刻蝕后的晶片表面。圖9顯示的是涵蓋一個鍵合區域的聚離子束橫切面。注意，從這幅圖上可以清楚地看到最上面鋁金屬層，鍵合造成周圍溢出了一些鋁，這表明最上面的金屬表面未曾受損。

采用傳統的機械研磨的方式暴露出引線鍵合的橫切面，在銅鍵合和鍵合下面金屬的交界處，經常會發生銅膠著于表面的情況。先研磨，再用聚離子束進行精細拋光，就可以解決這個問題，如圖10和圖11所示。

案例研究一

首先，我們研究一組用銅絲鍵合的MOSFET，經過1000次的溫度循環后，呈現高阻失效狀態。要找到失效原因，需要對銅線兩端進行仔細的檢查。首先，我們先用激光開封，把釘架上銅鍵合露出來，這是因為傳統的酸開封很容易損壞這些鍵合的緣故。

圖12和圖13顯示的是激光開封后露出來的釘架上銅鍵合。電子顯微鏡檢查發現，在MOSFET的釘架上的鍵合上有裂縫，這可能是導致不正常的高阻值的主要原因。

接下來，我們先用機械研磨的方式至銅絲鍵合的中間位置成一橫切面，檢查銅絲鍵合和晶片金屬交界面，然后再進行聚離子束精細拋光，去掉研磨表面或有膠著的部分，電子顯微鏡顯示了銅絲和晶片金屬層之間的交界面。

檢查完銅絲鍵合和釘架鍵合，我們認為高阻值失效是由釘架銅鍵合中的裂縫引起的。

在Vishay高可靠性銅絲鍵合工藝的開發和優化過程中，失效分析對確定鍵合工藝參數發揮了重要作用。失效分析技術對幫助我們確定銅絲鍵合下面殘留鋁的厚度，并據此得出最理想的鍵合參數。表1顯示的是實驗結果，在實驗中對銅絲鍵合參數進行了調整，覆蓋到一組正常值周圍的一些參數值。

注意，這些參數的絕對值因鍵合機種而異，數值大小只是具有相對意義。

我們使用30℃、濃度63%的硝酸，去掉銅絲鍵合，沒有破壞下面的鋁層。然后用聚離子束（FIB）橫切面技術分析，查明在銅絲鍵合下面最薄的剩余鋁層。

圖16顯示，在Leg A1上，銅鍵合下面剩余鋁的厚度大約是2.06 um。圖17顯示，在Leg A4上，銅鍵合下面剩余鋁的厚度大約是3.97um。我們用剩余鋁的最薄厚度作為過鍵合的安全裕量的指示器，發現減少基本功率能夠大幅降低銅絲過鍵合的風險。我們認為，一組優化的鍵合參數應當提供良好的鍵合完整性，而且不會產生過鍵合。