優化關鍵工藝參數提升功率器件引線鍵合的可靠性

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 信息工程學院，四川綿陽，621000；2.四川立泰電子有限公司，四川遂寧，629019）

0 引言

集成電路技術的高速發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芯片內部器件與外部管腳之間可靠電氣連接的至關重要環節[2]。超聲引線鍵合是目前的主流鍵合技術，具備低熱預算、高經濟性、強適配性等優點[3]，占據了90%以上的應用市場。然而有統計表明，超過25%的半導體器件的可靠性問題是由引線鍵合失效導致[4]。由于功率器件的工作電壓/電流較高，對工藝參數的優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鍵工藝參數有超聲功率、鍵合壓力、鍵合時間等[6-8]。鍵合參數設置不合理可能導致鍵合強度降低、變脆以及接觸電阻變大等問題，甚至出現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優化展開了相關研究，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]通過調整鍵合壓力與超聲功率參數，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對金絲鍵合質量的影響。然而，目前研究主要針對金絲或超細引線的鍵合失效，而較少關注功率器件的粗鋁線鍵合失效與參數優化問題，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，設計功率器件的超聲引線鍵合工藝參數實驗，利用拉斷力測試設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的最優配置，為功率器件的超聲引線鍵合工藝可靠性提高提供技術支撐。

1 超聲鍵合系統及其原理

功率器件一般采用超聲引線鍵合法[14]。如圖1所示，超聲引線鍵合系統主要由超聲發生器、安裝環、變幅桿及鍵合工具等組成。超聲發生器將工頻信號轉變為主頻約60 KHz的高頻正弦信號。再利用壓電陶瓷的逆壓電效應，將超聲發生器產生的高頻信號轉變成機械振動，經變幅桿調整使劈刀產生振幅為4～5 μm的前后振動[15]。

圖1 超聲鍵合系統示意圖

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合，從而實現了芯片內部器件與外部管腳之間的緊密可靠電氣連接。

2 實驗設計

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。鍵合設備采用全自動超聲鍵合機(型號：W60，創唯新)。

2.2 實驗設計

2.2.1 單參數變化實驗設計

在基準工藝參數條件基礎上，分別調整引線鍵合關鍵工藝參數，包括超聲功率、超聲時間以及鍵合壓力。每個關鍵工藝參數在基準上下分別取2個點，每個參數點鍵合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進行優化實驗設計。

表1 關鍵鍵合參數的實驗設計

2.2.2 正交實驗設計

如表2所示，采用3因素4水平的正交實驗設計方案。3因素包括影響鍵合強度的三個核心工藝參數：超聲功率、鍵合時間、鍵合壓力；4水平是在單參數實驗結果基礎上，綜合高功率二極管的應用特征和工程經驗，設定工藝參數范圍和四個實驗點。每組設置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果。進一步探究不同參數對鍵合質量的影響機制及最優參數配方。

表2 正交實驗因素設計

2.3 鍵合質量評估方法

最大拉斷力測試。鍵合強度是評估鍵合質量好壞的重要技術指標[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準《微電子器件實驗方法和程序(GJB-548B-2005)》和美國國家標準(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、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。測試后對產生的物理失效進行分析，采用光學顯微鏡(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，如果出現在拉鉤施力處，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 結果與討論

3.1 基于單參數實驗的影響機制分析

3.1.1 超聲功率

利用單參數變化實驗法，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呈波動式變化。其中在240mW和270mW處，拉斷力分別比基準條件250mW處大10.58%和11.71%.同時，240mW與260mW處的標準差分別比基準條件小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，而且測試數據收斂、可重復性好。

圖3 超聲功率的影響：(a)最大拉斷力與標準差，和(b)最大拉斷力的正態分布規律

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。在基準條件基礎上，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，拉斷力分別比基準條件120ms處大13.39%和10.27%，同時標準差分別比基準條件小16.13%和16.49%。圖4(b)中，盡管在140ms處的數據收斂性最好，但其可靠性僅比基準條件高4.39%。因此當鍵合時間為80～100ms時，鍵合強度高，而且測試數據收斂較好。

圖4 鍵合時間下的影響：(a)最大拉斷力與標準差，和(b)最大拉斷力的正態分布規律

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，比基準條件大15.33%，而且此時的標準差最小，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、數據最收斂。

圖5 不同鍵合壓力下的鍵合強度與標準差

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重要。在基準條件下，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優化

單參數實驗有利于分析引線鍵合工藝的單一參數對可靠性的影響機制，然而該方法僅關注工藝參數的局部改變，引線鍵合參數的整體優化需要采用正交實驗方法。正交實驗廣泛應用于多因變量與結果中耦合關系的研究，可通過選取完全實驗中的代表點，既大大減少了繁復的實驗次數，又可分析各因變量的相互關系，最終得到全局優化后的工藝參數配方。

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 正交實驗的效應曲線：工藝參數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據如圖7所示。盡管在條件3處（210mW,360N,100ms）的鍵合強度7.575N最大，但其標準差0.510也為最大，說明該條件下的數據收斂性最差。條件16（270mW,3.8N,60ms）的鍵合強度和標準差分別比條件3小3.84%和50.39%，可見其數據收斂性大大提高，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%，但其標準差卻改善了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，為引線鍵合的最優工藝參數，其第一鍵合點的鍵合強度與數據收斂性的綜合可靠性較好。

圖7 正交實驗結果

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，同時通過超聲產生材料間摩擦而形成可靠的共價鍵連接。根據不同材質、表面狀態和引線尺寸優選合適的工藝參數，可保證引線鍵合的可靠性。如圖8(a)所示，當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；當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 結束語

本文針對功率器件的大電流/電壓應用需求，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計方法，變化超聲引線鍵合的關鍵工藝參數包括超聲功率、鍵合時間和鍵合壓力，探究引線鍵合工藝參數與可靠性之間的相互影響機制和優化方向。進一步采用正交實驗設計方法，探究最佳鍵合參數。研究表明，在基準工藝條件基礎上，分別單獨對關鍵工藝參數進行了優化調整：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據收斂性。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部機制，發現鍵合能量過大時，會出現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化指明了方向。