鋁帶超聲鍵合界面損傷機理分析與優化設計
周傑
（深圳賽意法微電子有限公司）
摘要：
鋁帶超聲鍵合過程中需要極大的鍵合能量和鍵合力作用在晶元表面，易造成晶元焊點界面損傷，從而引起產品質量與可靠性問題。詳細分析了鋁帶超聲鍵合工藝中造成晶元界面損傷的主要因素與作用機理，並通過鍵合參數的試驗設計（Design of experiment，DOE）來解決晶元焊點界面損傷問題，從而提升最終產品良率。
0 引言
近年 來 ， 隨 著 大 功 率 和 超 大 功 率 芯 片 器 件 在電動自行車、油電混動車、純電動車以及高鐵的廣泛應用，傳統晶元封裝中的銅線、金線或鋁線鍵合已不能滿足瞬態大電流的應用要求。同時，在許多應用場景需要的更小外型的功率分立器件，如目前日漸發展成熟的功率無引線扁平四邊封裝（Power Quad Flat No-lead Package，PQFN），在滿足大電流大功率的同時要求封裝尺寸更小，因此，亟需引入鋁帶來代替傳統鍵合線[1-3]。
本文通過分析鋁帶超聲鍵合工藝中造成晶元界面損傷的主要因素與作用機理，採用鍵合參數的試驗設計（Design of Experiment，DOE）來解決晶元焊點界面損傷問題，從而提升鍵合產品良率。
1 鋁線與鋁帶超聲鍵合工藝對比
引線鍵合（Wire Bonding，WB）是一種靈活性高、成本低、應用廣泛的晶元封裝互連技術。通過引線鍵合實現晶元和外部引腳的電連接，是傳統功率半導體器件封裝的必要工藝之一。目前引線鍵合技術主要包括熱壓鍵合、超聲鍵合與熱壓超聲鍵合，其中超聲鍵合是通過超聲波發生器產生高頻驅動電壓、電流經換能器轉變為超聲振動實現引線鍵合的方法，常用於鋁線/鋁帶連接大功率晶體管、中小型集成電路晶元的功率器件。
鋁帶在成分上與傳統的鋁線相同，不過相比於鋁線，鋁帶的主要優勢包括：1）在滿足相同負載的條件下，鋁帶佔用的空間比鋁線小,尤其在縱向靈活性上具有顯著優勢；2）鋁帶生產效率更高。
以15 mil（1 mil=25.4 μm）鋁線和80 mil×10 mil鋁帶為例，相應的典型焊點接觸面積比較見表1。3根15 mil鋁線同時鍵合到一個引腳上，不僅要考慮焊點面積，焊點之間還需足夠空隙來避免相互之間影響，因此在實際應用中需要的鍵合面積比鋁帶要大得多。而鋁帶在需要更少鍵合面積的前提上，單根80 mil×10 mil的鋁帶相當於4.5根的15 mil鋁線，在理論上導電效率優於3根15 mil鋁線。
鋁帶界面幾何形狀的改變雖然降低了鍵合的強度和橫向靈活性，但獲得了更優異的縱向靈活性，更有利於薄型小封裝器件[4]。然而，鋁帶超聲鍵合在解決鋁線鍵合的短板的同時也帶來一定的鍵合質量和可靠性挑戰。鋁帶界面和鋁線界面幾何形狀的差異決定了鋁帶超聲鍵合的方法不能完全取代鋁線鍵合。鋁帶超聲鍵合用的劈刀為了保證超聲能量的傳質，往往在底部設計出網狀的凹凸，使劈刀契合鋁帶避免鍵合時鋁帶和劈刀之間相互位移造成鍵合能量損失，從而提高鍵合質量，即便如此，與鋁帶的契合度還是沒有鋁線鍵合高。
由於選用鋁線鍵合是為了代替多根鋁線，單根鋁帶的焊點面積勢必也比單根鋁線要大，需要更高的鍵合能量才能達到超聲鍵合的目的。因此，在超聲鍵合過程中，鋁帶超聲鍵合更容易在晶元和鋁帶的鍵合界面造成損傷。
2 鋁帶超聲鍵合中晶元界面損傷因素分析
如圖1所示，鋁帶超聲鍵合的基本原理和鋁線鍵合相一致。不過與鋁線鍵合不同的地方在於，鋁帶超聲鍵合中劈刀與鋁帶的契合方式不同，這種契合方式在超聲波能量的傳遞方面效率比鋁線劈刀更低，因此在制定鋁帶超聲鍵合的工藝要求時不能簡單地複製鋁線鍵合工藝。
2.1 劈刀及輔助工具
鋁帶與鍵合所用劈刀材質均為碳化鎢鋼。由於鋁帶與鋁線幾何形狀的差異，鋁帶超聲鍵合的劈刀為矩形，與鋁線鍵合的V形劈刀不同。矩形劈刀需要更大的能量才能完成鍵合，從而給晶元表面帶來較大的損傷隱患。
為了保證矩形劈刀對鋁帶的契合，劈刀端面設計有華夫餅狀的突起組成，配合導線管、切線刀等完成超聲鍵合過程，如圖2所示。在鍵合過程中劈刀首先隨著鍵合頭的壓力作用和微量超聲能量嵌入鋁帶中，隨著鍵合的進行，超聲波能量通過劈刀傳遞到鍵合界面完成鍵合。
如圖3所示，切線的質量也可能對鍵合的結果造成影響。在實際生產過程中，切線不完全將造成晶元損傷。同時，由於切線不完全將造成線尾處的突起，這種帶有突起的鋁帶用於鍵合時容易產生應力集中從而對晶元造成損傷。
2.2 壓合狀態
鋁帶超聲鍵合所需的能量更大，因而對壓合質量也有更高的要求。除了在傳統的TO（Transistor Outline，晶體管外型）設計上的應用，在PQFN、SOP（Small Out-line Package，小外型封裝）上使用的框架具有更高密度、更高精度的特點，對壓合的敏感度更高。因此，壓合對鋁帶超聲鍵合質量非常關鍵。
壓合時基島底部的墊片和壓爪配合固定住鍵合面，如圖4所示。壓合不良時，隨著超聲能量作用於鍵合面，鍵合底材可能因為彈性應變等原因產生震動。一方面會造成超聲能量的損失，另一方面會使晶元承受額外的縱向衝擊，導致晶元損傷。
2.3 鍍層厚度
鋁線鍵合時，晶元上鍵合區域鋁層厚度一般為3~4 μm。而在鋁帶超聲鍵合時，由於更大的能量衝擊，一般要求鍍層厚度提高至4.5 μm以上。鋁材質本身具有很好的延展形，能很好地緩衝對晶元的衝擊。
2.4 鋁帶性能
鋁帶的材質組成與鋁線相同，採用純度為99.99%的鋁元素摻雜少量鎂、硅等微量元素。在滿足基本的拉伸強度、焊點外觀尺寸要求下，應盡量減少鋁帶的硬度。鋁帶一般通過採用不同的退火條件來實現不同的硬度要求。
2.5 主要工藝參數
鋁帶超聲鍵合的主要工藝參數與作用見表2。
鋁帶 超 聲 鍵 合 的 基 本 鍵 合 原 理 與 鋁 線 鍵 合 相同。但是由於劈刀設計的差異，導致鍵合壓力對鍵合質量的影響程度完全不同。在鋁帶超聲鍵合過程中，適當增加鍵合壓力可以顯著提高鍵合的質量，這是由於劈刀端頭需要先嵌進鋁帶中才能有效完成能量傳遞，如圖5所示。
3 鋁帶超聲鍵合參數優化
3.1 產線生產數據分析
以某條生產線為例，連續3個月的鋁帶超聲鍵合測試成品率如圖6所示。鋁帶產品WB的成品率基本在99.5%左右，而其他鋁線產品的成品率為99.75%。兩者相比，鋁帶產品WB的成品率低了將近0.25%。由圖7可知，鋁帶產品的測試成品率基本在97.5%左右，而其他鋁線產品的測試成品率為98.3%。兩者相比，鋁帶產品測試成品率低了將近0.8%，主要因為鋁帶焊點異常以及晶元焊點界面損傷等，如圖8所示。
基於上述產線結果，本文通過試驗設計研究鍵合參數對鍵合質量的影響。
3.2 試驗結果分析
所用晶元厚度為280±20 μm，鋁帶超聲鍵合區域金屬層的成分為Al，厚度5.0±0.2 μm。鋁帶尺寸為80 mil×10 mil，性能指標見表3。採用倒置光學顯微鏡進行顯微觀察，採用推拉力測試儀來檢測鍵合焊點的力學性能。
通過對生產的實際情況進行監控和數據收集，確認物料與機器狀態等都處於最優狀態。因此，主要研究鍵合參數優化。鋁線/鋁帶超聲鍵合過程及相應鍵合參數的作用過程如圖9所示。
對於鍵合質量至關重要的參數是鍵合壓力和鍵合能量。因此我們選擇鍵合的四個關鍵參數作為輸入因子：起步壓力（SF），最終壓力 （EF），起步能量（SP）和最終能量（EP）。通過對已有參數範圍進行適當放大，可以得到表4所示的參照參數範圍。
為了充分評估優化所得參數是否合理，需要選擇適合的響應。引線鍵合的質量通過焊點外觀（焊點狀況）、拉斷測試（Pull Test）、推力測試（Shear Test）、是否有鍵合界面損傷來判斷。因此，試驗設計的輸出響應選擇見表5。
試驗設計有4個輸入因子，通過ECHIP生成25組參數組，並依次安排試驗與數據收集
25組試驗結果的相關性分析如圖10所示。其中最終能量（EP）對輸出響應的影響是最大的。
基於圖11所示的響應曲線分析，最終生成最優參數組見表6。
3.3 試驗參數優化
為驗證通過參數優化取得的參數組是否合理，安排了驗證生產，結果見表7。
在對驗證生產中的參數和短期問題樣品進行鍵合界面分析中，也沒有發現界面損傷缺陷，如圖12所示。
將優化後的參數用於大規模生產，監控發現封裝成品率和測試成品率都有了顯著提升，如圖13所示。
綜上所述，在滿足較高鍵合力的前提下，適當減小鋁帶超聲鍵合功率可以有效減小對晶元鍵合界面的損傷，同時又滿足鍵合性能要求。
4 結論
鋁帶 超 聲 鍵 合 由 於 成 本 低 、 生 產 效 率 高 、 空間利用率好，在封裝中扮演重要的角色。本文重點闡述對鋁帶超聲鍵合的晶元焊點界面損傷的主要因素，深入研究關鍵工藝參數對鍵合質量的影響規律，結合試驗設計以及產線生產，確定了合理的鍵合工藝參數組合。同時發現，鋁帶超聲鍵合功率降低能夠有效降低焊點界面損傷。
