铝带超声键合界面损伤机理分析与优化设计

铝带超声键合界面损伤机理分析与优化设计

周杰

（深圳赛意法微电子有限公司）

摘要：

铝带超声键合过程中需要极大的键合能量和键合力作用在芯片表面，易造成芯片焊点界面损伤，从而引起产品质量与可靠性问题。详细分析了铝带超声键合工艺中造成芯片界面损伤的主要因素与作用机理，并通过键合参数的试验设计（Design of experiment，DOE）来解决芯片焊点界面损伤问题，从而提升最终产品良率。

0 引言

近年 来 ， 随 着 大 功 率 和 超 大 功 率 芯 片 器 件 在电动自行车、油电混动车、纯电动车以及高铁的广泛应用，传统芯片封装中的铜线、金线或铝线键合已不能满足瞬态大电流的应用要求。同时，在许多应用场景需要的更小外型的功率分立器件，如目前日渐发展成熟的功率无引线扁平四边封装（Power Quad Flat No-lead Package，PQFN），在满足大电流大功率的同时要求封装尺寸更小，因此，亟需引入铝带来代替传统键合线[1-3]。

本文通过分析铝带超声键合工艺中造成芯片界面损伤的主要因素与作用机理，采用键合参数的试验设计（Design of Experiment，DOE）来解决芯片焊点界面损伤问题，从而提升键合产品良率。

1 铝线与铝带超声键合工艺对比

引线键合（Wire Bonding，WB）是一种灵活性高、成本低、应用广泛的芯片封装互连技术。通过引线键合实现芯片和外部引脚的电连接，是传统功率半导体器件封装的必要工艺之一。目前引线键合技术主要包括热压键合、超声键合与热压超声键合，其中超声键合是通过超声波发生器产生高频驱动电压、电流经换能器转变为超声振动实现引线键合的方法，常用于铝线/铝带连接大功率晶体管、中小型集成电路芯片的功率器件。

铝带在成分上与传统的铝线相同，不过相比于铝线，铝带的主要优势包括：1）在满足相同负载的条件下，铝带占用的空间比铝线小,尤其在纵向灵活性上具有显著优势；2）铝带生产效率更高。

以15 mil（1 mil=25.4 μm）铝线和80 mil×10 mil铝带为例，相应的典型焊点接触面积比较见表1。3根15 mil铝线同时键合到一个引脚上，不仅要考虑焊点面积，焊点之间还需足够空隙来避免相互之间影响，因此在实际应用中需要的键合面积比铝带要大得多。而铝带在需要更少键合面积的前提上，单根80 mil×10 mil的铝带相当于4.5根的15 mil铝线，在理论上导电效率优于3根15 mil铝线。

铝带界面几何形状的改变虽然降低了键合的强度和横向灵活性，但获得了更优异的纵向灵活性，更有利于薄型小封装器件[4]。然而，铝带超声键合在解决铝线键合的短板的同时也带来一定的键合质量和可靠性挑战。铝带界面和铝线界面几何形状的差异决定了铝带超声键合的方法不能完全取代铝线键合。铝带超声键合用的劈刀为了保证超声能量的传质，往往在底部设计出网状的凹凸，使劈刀契合铝带避免键合时铝带和劈刀之间相互位移造成键合能量损失，从而提高键合质量，即便如此，与铝带的契合度还是没有铝线键合高。

由于选用铝线键合是为了代替多根铝线，单根铝带的焊点面积势必也比单根铝线要大，需要更高的键合能量才能达到超声键合的目的。因此，在超声键合过程中，铝带超声键合更容易在芯片和铝带的键合界面造成损伤。

2 铝带超声键合中芯片界面损伤因素分析

如图1所示，铝带超声键合的基本原理和铝线键合相一致。不过与铝线键合不同的地方在于，铝带超声键合中劈刀与铝带的契合方式不同，这种契合方式在超声波能量的传递方面效率比铝线劈刀更低，因此在制定铝带超声键合的工艺要求时不能简单地复制铝线键合工艺。

2.1 劈刀及辅助工具

铝带与键合所用劈刀材质均为碳化钨钢。由于铝带与铝线几何形状的差异，铝带超声键合的劈刀为矩形，与铝线键合的V形劈刀不同。矩形劈刀需要更大的能量才能完成键合，从而给芯片表面带来较大的损伤隐患。

为了保证矩形劈刀对铝带的契合，劈刀端面设计有华夫饼状的突起组成，配合导线管、切线刀等完成超声键合过程，如图2所示。在键合过程中劈刀首先随着键合头的压力作用和微量超声能量嵌入铝带中，随着键合的进行，超声波能量通过劈刀传递到键合界面完成键合。

如图3所示，切线的质量也可能对键合的结果造成影响。在实际生产过程中，切线不完全将造成芯片损伤。同时，由于切线不完全将造成线尾处的突起，这种带有突起的铝带用于键合时容易产生应力集中从而对芯片造成损伤。

2.2 压合状态

铝带超声键合所需的能量更大，因而对压合质量也有更高的要求。除了在传统的TO（Transistor Outline，晶体管外型）设计上的应用，在PQFN、SOP（Small Out-line Package，小外型封装）上使用的框架具有更高密度、更高精度的特点，对压合的敏感度更高。因此，压合对铝带超声键合质量非常关键。

压合时基岛底部的垫片和压爪配合固定住键合面，如图4所示。压合不良时，随着超声能量作用于键合面，键合底材可能因为弹性应变等原因产生震动。一方面会造成超声能量的损失，另一方面会使芯片承受额外的纵向冲击，导致芯片损伤。

2.3 镀层厚度

铝线键合时，芯片上键合区域铝层厚度一般为3~4 μm。而在铝带超声键合时，由于更大的能量冲击，一般要求镀层厚度提高至4.5 μm以上。铝材质本身具有很好的延展形，能很好地缓冲对芯片的冲击。

2.4 铝带性能

铝带的材质组成与铝线相同，采用纯度为99.99%的铝元素掺杂少量镁、硅等微量元素。在满足基本的拉伸强度、焊点外观尺寸要求下，应尽量减少铝带的硬度。铝带一般通过采用不同的退火条件来实现不同的硬度要求。

2.5 主要工艺参数

铝带超声键合的主要工艺参数与作用见表2。

铝带 超 声 键 合 的 基 本 键 合 原 理 与 铝 线 键 合 相同。但是由于劈刀设计的差异，导致键合压力对键合质量的影响程度完全不同。在铝带超声键合过程中，适当增加键合压力可以显著提高键合的质量，这是由于劈刀端头需要先嵌进铝带中才能有效完成能量传递，如图5所示。

3 铝带超声键合参数优化

3.1 产线生产数据分析

以某条生产线为例，连续3个月的铝带超声键合测试成品率如图6所示。铝带产品WB的成品率基本在99.5%左右，而其他铝线产品的成品率为99.75%。两者相比，铝带产品WB的成品率低了将近0.25%。由图7可知，铝带产品的测试成品率基本在97.5%左右，而其他铝线产品的测试成品率为98.3%。两者相比，铝带产品测试成品率低了将近0.8%，主要因为铝带焊点异常以及芯片焊点界面损伤等，如图8所示。

基于上述产线结果，本文通过试验设计研究键合参数对键合质量的影响。

3.2 试验结果分析

所用芯片厚度为280±20 μm，铝带超声键合区域金属层的成分为Al，厚度5.0±0.2 μm。铝带尺寸为80 mil×10 mil，性能指标见表3。采用倒置光学显微镜进行显微观察，采用推拉力测试仪来检测键合焊点的力学性能。

通过对生产的实际情况进行监控和数据收集，确认物料与机器状态等都处于最优状态。因此，主要研究键合参数优化。铝线/铝带超声键合过程及相应键合参数的作用过程如图9所示。

对于键合质量至关重要的参数是键合压力和键合能量。因此我们选择键合的四个关键参数作为输入因子：起步压力（SF），最终压力 （EF），起步能量（SP）和最终能量（EP）。通过对已有参数范围进行适当放大，可以得到表4所示的参照参数范围。

为了充分评估优化所得参数是否合理，需要选择适合的响应。引线键合的质量通过焊点外观（焊点状况）、拉断测试（Pull Test）、推力测试（Shear Test）、是否有键合界面损伤来判断。因此，试验设计的输出响应选择见表5。

试验设计有4个输入因子，通过ECHIP生成25组参数组，并依次安排试验与数据收集

25组试验结果的相关性分析如图10所示。其中最终能量（EP）对输出响应的影响是最大的。

基于图11所示的响应曲线分析，最终生成最优参数组见表6。

3.3 试验参数优化

为验证通过参数优化取得的参数组是否合理，安排了验证生产，结果见表7。

在对验证生产中的参数和短期问题样品进行键合界面分析中，也没有发现界面损伤缺陷，如图12所示。

将优化后的参数用于大规模生产，监控发现封装成品率和测试成品率都有了显著提升，如图13所示。

综上所述，在满足较高键合力的前提下，适当减小铝带超声键合功率可以有效减小对芯片键合界面的损伤，同时又满足键合性能要求。

4 结论

铝带 超 声 键 合 由 于 成 本 低 、 生 产 效 率 高 、 空间利用率好，在封装中扮演重要的角色。本文重点阐述对铝带超声键合的芯片焊点界面损伤的主要因素，深入研究关键工艺参数对键合质量的影响规律，结合试验设计以及产线生产，确定了合理的键合工艺参数组合。同时发现，铝带超声键合功率降低能够有效降低焊点界面损伤。