鍵合鋁線特性及提高鍵合可靠性方法

黃全全，王 立，柴 駪

（南瑞聯研半導體有限責任公司，江蘇南京211000）

0 引言

長期以來，由于其特殊的工作環(huán)境，對功率器件和電子元器件長期質量可靠性要求越來越高，其鍵合系統(tǒng)的失效是影響功率器件和電子元器件可靠性的重要因素之一［1］。因此，迫切需要分析影響鍵合鋁線及摻雜鋁線的特性，并采取有效措施提高鍵合質量的方法。

1 鍵合鋁線特性與熔斷電流

鍵合鋁線按線徑分為細鋁線和粗鋁線，細鋁線線徑為0.7～4英寸，粗鋁線線徑為5～20英寸。按成分分為純鋁、鋁-硅、鋁-鎂、鋁-銅等，目前，一般在引線中添加50萬分之一的Ni元素，以減少封裝材料對引線的腐蝕。

1.1 鍵合粗鋁線化學組成成分的鋁線的特性

純鋁粗鋁線的綜合特性如表1—2所示。表1為不同線徑的粗鋁線的機械特性。

表1 純粗鋁線機械特性

表2 Al-0.5%Mg粗鋁線機械特性

為了提高鋁線的疲勞強度，一般會在鋁線中添加0.5%的Mg。表2為Al-0.5%Mg鋁線的機械特性。

表3為純Al線以及Al-0.5%Mg線的熱學和電學特性。

從表1—3可知，鍵合粗鋁線中摻雜一些其他的元素。從表3可知，如Al-0.5%Mg，只是改變了鋁線力學方面的性能，對電學和熱學的影響可忽略。從表1、2中得出，加入0.5%Mg后鋁線的延伸率和斷裂載荷大大提升，從而改善了鋁線的抗疲勞性。

1.2 不同線徑鍵合鋁線的熔斷電流計算及分析

公式（1）為對于不同線徑鋁線熔斷電流的計算公式：

表3 純Al線及Al-0.5%Mg線的熱學及電學特性

If:Fusing current(A)Tf:Time to fuse open a wire(sec)

d0:Diameter of wire(mm) I0:Loop Length(mm)

We defined If calculated at t=∞as permissible current.

除了這種公式之外還有一種更為普遍和常見的計算Au/Cu/鋁鍵合線熔斷電流的通用計算公式“Preece equation”，如公式（2）所示：

D=wire diameter in inches I=DC or rms current

For bonding wires in plastic packages

A=30 000 for Gold or Copper with a bond to bond length≤1 mm

A=20 500 for Gold or Copper with a bond to bond length＞1 mm

A=22 000 for Aluminum with a bond to bond length≤1 mm

A=15 200 for Aluminum with a bond to bond length＞1 mm

通過公式（2）得出的不同鍵合材料與鍵合線徑熔斷電流的計算公式，代入公式。A=22 000（L＜1 mm）或者A=15 200（L＞1 mm）計算出幾種比較常見的鋁線線徑的過電流能力的大小。圖1為通過公式（2）粗略計算出的幾種最常見的鋁線線徑的過電流能力圖。

從圖1中可以直觀看出，不同鍵合線徑的鋁線過電流能力的大小。隨著鍵合鋁線線徑的加大，過電流能力逐漸增強。相同線徑下，鍵合線的長度越長，過電流能力越弱。并且根據公式（1）也可以同樣得出，相同線徑下，隨著鍵合鋁線的加長，鍵合鋁線過電流能力逐漸減小。

圖1 不同線徑鍵合鋁線的過電流能力

2 改進鍵合質量，提高可靠性措施

2.1 嚴格控制芯片、鋁線的檢驗和殼體、DBC鍵合強度檢測

從芯片源頭上控制：首先在芯片制造過程中，由于濺射的鈍化膜致密，干法刻蝕時不宜刻蝕干凈，容易存留夾層，因此在半導體工藝生產過程中，應該及時徹底清除光刻膠和窗口鈍化膜。

從鋁線上控制：從材料學的觀點上來看，不同類別的鋁線與其性能特點有一定的對應關系。不同類型的鋁線有不同的焊接方法和條件，因此鋁線材料的性能和組成也是影響鍵合質量的重要因素。

從殼體上控制：殼體供應商在殼體電鍍完畢后，應及時將電鍍液徹底清洗干凈，并且首先從外觀上目檢就要滿足電鍍端子黑亮，殼體買回來后應盡快做驗證，對不合格的殼體應該剔除。

從DBC上控制：DBC來料之后，要及時進行鍵合強度檢測并進行破壞性拉力試驗，對DBC表面進行可靠性評估。

2.2 鍵合工具的清潔與保護

定期對鍵合工具進行超聲清洗處理，可去除焊具表面和其他清洗方法難以達到的夾縫和其他區(qū)域污染物。鍵合劈刀的安裝位置要準確，要達到劈刀口、切刀和導線器的導線口在一條直線上，并且距離合適。鍵合切刀也要定期更換，長期地使用切刀，切刀口會鈍化和磨損，切刀也要定期進行清洗。導線器是最容易損耗的，所以每次鍵合之間要進行檢查，是否導線器有損壞。

為了在鍵合點處形成可靠的連接，鍵合時界面的清潔度十分重要。在一些外國文獻上介紹的國外部分器件，要求鍵合前進行等離子清洗，此方法采用大功率的RF源將氣體轉變?yōu)榈入x子體，高速氣體離子轟擊鍵合區(qū)表面，通過與污染物分子的結合或者使其物理分裂而將污染物濺射除去［2］。在鍵合前，有必要對芯片以及厚膜鍵合區(qū)進行等離子清洗，它能夠大大提高鍵合的可靠性和成品率。鋁線如果有任何微小的缺陷也會給鍵合帶來問題，所以對鍵合鋁線應采取一些清潔保護措施。

2.3 控制鍵合工藝參數，改善工藝窗口

超聲鍵合的最佳鍵合狀態(tài)主要是由壓力、時間和功率3種工藝參數是否匹配決定的［3］。可以通過調整各項工藝參數，測試鍵合強度，同時要對鍵合失效模式進行分析，如此反復試驗，得到最優(yōu)鍵合參數。對焊點的破壞性拉力試驗是鍵合可靠性評估的有效工具。但是為了更好地優(yōu)化工藝參數，有必要在熱老化試驗后將破壞性拉力試驗和焊點的接觸電阻的測試聯合起來，對整體的鍵合系統(tǒng)進行可靠性的評估。