淺析銅線鍵合鋁墊裂紋的預(yù)防和改善

摘要：

本文簡述了鋁墊裂紋潛在的危害。分析了鋁墊裂紋產(chǎn)生的原因，研究了銅線鍵合過程中由于銅絲的固有特性對鍵合可靠性產(chǎn)生的負(fù)面影響 [1] 。闡述了改善鋁墊裂紋的具體措施。對極易出現(xiàn)鋁墊裂紋的產(chǎn)品實(shí)行特殊管控，通過一系列的硬件和軟件改善措施，減少了鋁墊裂紋問題造成的產(chǎn)品低良率、實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品由驗(yàn)證批次到風(fēng)險(xiǎn)批次再到量產(chǎn)批次的轉(zhuǎn)化、由參數(shù)設(shè)置不當(dāng)而導(dǎo)致鋁墊裂紋的異常比例呈直線下降趨勢、最終使產(chǎn)品的良率穩(wěn)定達(dá)到 99. 9%以上，符合生產(chǎn)與質(zhì)量要求，達(dá)到了預(yù)期的目的。

1 引言

芯片表面的鋁墊、鋁層及底層被破壞會導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，有裂紋的芯片可靠性及穩(wěn)定性差，會造成產(chǎn)品功能早期失效。圖 1 為高倍顯微鏡 （500 倍以上）下芯片表面的鋁墊裂紋。

隨著集成電路芯片向小型化和多功能化的發(fā)展，芯片在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)多層布線，芯片封裝過程中鋁墊下有器件及電路的產(chǎn)品日益增多。為提高產(chǎn)品可靠性，預(yù)防集成電路鋁墊裂紋的產(chǎn)生，早期預(yù)防鋁墊裂紋顯得越來越重要。因此，只有鋁墊裂紋問題得到改善，才能使銅線鍵合技術(shù)向多層布線方向發(fā)展。

2 鋁墊裂紋帶給生產(chǎn)的負(fù)面影響

鋁墊裂紋這種缺陷在外觀上并不是那么顯而易見，對于輕微的細(xì)小裂紋，往往需要通過破壞性實(shí)驗(yàn)才能看到，但是，它對于產(chǎn)品的性能卻已經(jīng)產(chǎn)生了很大的影響，進(jìn)而影響到產(chǎn)品的良率以及可靠性問題，同時(shí)導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。某封裝公司在 2014 年，就因一款產(chǎn)品出現(xiàn)鋁墊裂紋異常問題，被客戶將整批次產(chǎn)品全部退貨，給客戶及封裝公司帶來了上百萬的經(jīng)濟(jì)損失。2015 年第三季度里，封裝比較穩(wěn)定的產(chǎn)品突然出現(xiàn)測試良率急劇下降，嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)，經(jīng)過大量排查、DOE 驗(yàn)證和分析后，在同年 11 月份得到證實(shí)，晶圓來料鋁墊質(zhì)量有問題。由于這種裂痕往往輕微，且未完全傷及電路，終端測試不易篩選，最終成為不良品流出到客戶端，產(chǎn)生不良影響。

所以銅絲作為鍵合絲，雖然在一定程度上節(jié)約了很大的成本，但是鋁墊裂紋問題一直是集成電路封裝公司面臨的質(zhì)量難題。由于銅絲硬度高，機(jī)械強(qiáng)度大，壓力過小容易打不粘，壓力過大破壞芯片表面鋁層，都易出現(xiàn)鋁墊裂紋現(xiàn)象。

3 改善鋁墊裂紋的硬件措施

由于芯片焊線區(qū)面積大小不同、焊點(diǎn)鋁墊結(jié)構(gòu)不同，所以必須選擇不同型號的劈刀及不同線徑的鍵合絲來應(yīng)對。銅線鍵合對芯片焊點(diǎn)焊盤的結(jié)構(gòu) [2] 、芯片焊點(diǎn)探針印痕、芯片平整度等均有要求，同時(shí)需明確規(guī)定這些硬性鍵合工藝要求推薦給晶圓廠加以應(yīng)用。

3. 1. 1 鍵合設(shè)備穩(wěn)定性和一致性

產(chǎn)品的質(zhì)量管控取決于鍵合設(shè)備的一致性與穩(wěn)定性，同時(shí)鍵合設(shè)備的一致性與穩(wěn)定性也直接決定著鍵合工藝的穩(wěn)定性，只有一致性達(dá)標(biāo)才可創(chuàng)建設(shè)備系統(tǒng)化管理，所以要周期性檢查及校準(zhǔn)設(shè)備的解析度、打火間隙、溫度、焊接力、焊接水平高度和打火桿狀態(tài)等。

3. 1. 2 焊線型號的選擇

從物理特性分析，純銅絲比金絲硬，而鍍鈀銅絲相比較于純銅絲硬度更強(qiáng)，因此使用鍍鈀銅絲鍵合球焊時(shí)，芯片更易受損，表面出現(xiàn)裂紋。針對此問題，結(jié)合焊點(diǎn)鋁層質(zhì)量，選擇硬度強(qiáng)度不同的焊線，以調(diào)整鍵合球的硬度大小，降低對鋁層的損害 [3] 。同時(shí)在確定焊線型號時(shí)還需考慮其他方面造成的影響，例如對成本、產(chǎn)品電性能、焊線弧形等方面的影響。

3. 1. 3 芯片焊點(diǎn)、焊盤的結(jié)構(gòu)要求

焊球與底層硅化合物的結(jié)合強(qiáng)度、焊點(diǎn)處的鋁層厚度。這兩點(diǎn)直接決定了鋁墊可承受的最大壓力，針對功率大的產(chǎn)品，焊球直徑夠大，因此焊點(diǎn)鋁層的厚度需滿足要求 [4] 。銅的物理特性（硬度、韌度等）相比于金絲更高，在鍵合過程中需承受更大的鍵合壓力及超聲能量，所以芯片焊點(diǎn)鋁層厚度要足夠大。

3. 1. 4 芯片平整度要求

芯片平整度也是影響到鋁墊裂紋的一個(gè)關(guān)鍵因素，平整度差異包括：同一芯片不同位置高度差異大；同一窗口不同芯片高度差異大；同一框架不同區(qū)域高度差異大。芯片表面凸凹不平，任何一種高度差異都有可能造成芯片高區(qū)域部分，出現(xiàn)鋁墊裂紋，低區(qū)域部分打不粘現(xiàn)象發(fā)生。解決這類問題需對癥下藥：粘片時(shí)嚴(yán)格管控膠量與力度，保證芯片高度無差異 [5] 。

3. 2 預(yù)防銅球氧化驗(yàn)證

被氧化的銅球硬度會因此變大，鍵合時(shí)需要施加更大的鍵合壓力，當(dāng)施加的鍵合壓力超出鋁墊承受力，鋁墊表面會出現(xiàn)鋁墊裂紋。預(yù)防銅球氧化需要工藝驗(yàn)證及結(jié)果確認(rèn)才能得到最佳的控制方法，因此開展了相關(guān)驗(yàn)證及參數(shù)優(yōu)化工作，具體如下：

3. 2. 1 保護(hù)氣體裝置對比驗(yàn)證

早期的保護(hù)氣體裝置提供單方向氣體保護(hù)，如圖 2 所示，它在銅線工藝初期階段，大鋁墊間距（70μm）芯片封裝中發(fā)揮了重要作用，但是隨著銅線工藝日趨成熟，向小鋁墊間距（45μm）、芯片互連技術(shù)發(fā)展的過程中，逐漸表現(xiàn)出燒球一致性差、易氧化、易受氣流大小影響等缺點(diǎn)。

新型的保護(hù)氣體裝置提供環(huán)形氣體保護(hù)，如圖3 所示，利用一個(gè)機(jī)械加工成型的陶瓷或玻璃管，氮?dú)?、氫氣混合氣體通過它被送到焊球形成的地方，目的是使氣流被勻速地噴射到正在形成的焊球周圍，降低氣流的影響和減少氣體的用量，完全隔離氧氣。

將單方向吹氣保護(hù)裝置和環(huán)形吹氣保護(hù)裝置下的燒球?qū)嶒?yàn)各分為五組，裝置中充入的氮?dú)?、氫氣的含量成分兩組保持一致。將焊球直徑的實(shí)測數(shù)據(jù)一一做記錄，分別計(jì)算出每組焊球直徑對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。

由表 1 結(jié)果得出，在采用環(huán)形氣體保護(hù)裝置時(shí)，焊球尺寸的標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，說明采用此裝置可以更好地保證焊球形狀均勻性和一致性。

3. 2. 2 保護(hù)氣體成分、流量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

保護(hù)氣體中氮?dú)?、氫氣所占比例及流量在銅線工藝中有明確的要求。H 2 濃度：一般為 5%～10%之間，目的是加入氮?dú)夥乐规I合時(shí)氧氣與銅反應(yīng)，再加入氫氣作為還原氣體，去掉銅表面的氧化層。

在設(shè)備 ASMEagle60 上，用線徑為 25μm 的銅絲做氮?dú)浠旌蠚怏w的流量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，在環(huán)形氣體保護(hù)裝置中充入氮?dú)浠旌蠚怏w，嚴(yán)格按照 5%N 2 +95%H 2 比例含量充入保護(hù)裝置進(jìn)行燒球 [6] ，銅球周圍的氣體由于溫度驟變而發(fā)生劇烈的膨脹并導(dǎo)致該區(qū)域氣場發(fā)生紊亂，如果保護(hù)氣體的流量不足，周圍的氧氣會被卷入到燒球環(huán)境中。所以流量的大小要根據(jù)球的形成過程與外觀質(zhì)量、氧化程度來決定，否則易造成將線尾吹歪，出現(xiàn)“高爾夫球”，或者氧化保護(hù)不充分，出現(xiàn)氧化球或尖頭球，如圖 4 所示。表 2 為不同氣體流量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

混合氣體流量一般需控制在 0.4 L/min～1.0L/min。如果氣體流量太小，則會影響保護(hù)作用，燒球容易被周圍空氣中的氧氣氧化，燒球直徑嚴(yán)重超出標(biāo)準(zhǔn)要求范圍，如圖 4（a）所示；如果氣體流量太大，尾線會被氣流吹歪，燒球呈現(xiàn)高爾夫球狀，如圖4（b）、（c）所示。以上實(shí)踐表明，氣體流量對燒球直徑的影響較小，但直接關(guān)系到燒球的外觀質(zhì)量，決定球形是否正常。

3. 2. 3 燒球參數(shù)優(yōu)化驗(yàn)證

燒球參數(shù)主要包括：燒球電流、燒球電壓、燒球時(shí)間。為預(yù)防銅球氧化，可通過增大電子打火（EFO）電流、縮短電子打火時(shí)間等調(diào)節(jié)，但是各有優(yōu)缺點(diǎn)。需要注意大電流會增加銅球硬度、小電流易氧化等問題。如圖 5 所示，燒球電流、燒球時(shí)間對球形尺寸的影響，隨著電流與時(shí)間的逐步增大，燒球尺寸的直徑也相應(yīng)增大，但參數(shù)變化過程中燒球時(shí)間引起的變化較為顯著。

根據(jù)以上不同方法、參數(shù)的驗(yàn)證結(jié)果得出，當(dāng)設(shè)備硬件設(shè)置得當(dāng)，燒球參數(shù)是直接影響銅球成形、預(yù)防氧化及一致性不良的關(guān)鍵工藝參數(shù)，燒球參數(shù)通過試驗(yàn)達(dá)到最佳化后，才能有效預(yù)防銅線成球時(shí)的氧化問題。

4 改善鋁墊裂紋的軟件實(shí)施方案

對鍵合設(shè)備參數(shù)的校準(zhǔn)是預(yù)防和改善鋁墊裂紋的首要工作，只有設(shè)備的參數(shù)校準(zhǔn)合適，產(chǎn)品才能擁有一個(gè)適宜的加工環(huán)境。同時(shí)，添加鍵合參數(shù)也是必要環(huán)節(jié)，因此對設(shè)備的校準(zhǔn)是預(yù)防鋁墊裂紋首要解決的問題。

4. 1 設(shè)備參數(shù)的一致性校準(zhǔn)及流程卡參數(shù)的添加

對設(shè)備設(shè)置是鍵合的首要條件，只有將設(shè)備參數(shù)經(jīng)過一系列的驗(yàn)證和校準(zhǔn)之后，尋求到適合設(shè)備的最佳參數(shù)，并將相同設(shè)備設(shè)置在同一個(gè)水平線上，才可投入生產(chǎn)。

相同機(jī)型的設(shè)備，其參數(shù)有可能是不相同的，在設(shè)備投入使用之前均需要經(jīng)過 DOE 驗(yàn)證，將相同機(jī)型設(shè)備的參數(shù)校準(zhǔn)在同一個(gè)參數(shù)水平上，因此對新進(jìn)設(shè)備在實(shí)施生產(chǎn)之前均要進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)，并同時(shí)對流程卡添加對應(yīng)的參數(shù)。流程卡參數(shù)的添加是在設(shè)備校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對參數(shù)的利用過程，一旦設(shè)備參數(shù)校準(zhǔn)準(zhǔn)確，流程卡參數(shù)就變成了固定值。

4. 1. 1 對程序的管控措施

通過 DOE 驗(yàn)證取得最佳參數(shù)，并將參數(shù)調(diào)用在主機(jī)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)參數(shù)聯(lián)網(wǎng)一體化，其余相同型號設(shè)備在鍵合時(shí)只需調(diào)用主機(jī)參數(shù)，而不需要重新編程和設(shè)置參數(shù)。所有同類型同型號設(shè)備均按此主機(jī)提供的參數(shù)運(yùn)行，減少鋁墊裂紋及其它因參數(shù)設(shè)置不當(dāng)?shù)漠惓３霈F(xiàn)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)程序的有效統(tǒng)一管控，減少鋁墊裂紋等異常的發(fā)生。

4. 1. 2 實(shí)現(xiàn)參數(shù)上下限調(diào)控

工程技術(shù)人員負(fù)責(zé)參數(shù)上下限設(shè)置，修改參數(shù)及權(quán)限控制，并實(shí)現(xiàn)鍵合參數(shù)一體化。參數(shù)范圍均體現(xiàn)在主機(jī)上，避免因參數(shù)取值錯(cuò)誤導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。

4. 1. 3 實(shí)行特殊產(chǎn)品管控

對異常產(chǎn)品建立工程驗(yàn)證流程，通過 DOE 驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，工程人員會在第一時(shí)間將之前參數(shù)禁用，繼續(xù)做驗(yàn)證，在未取得最佳參數(shù)之前，不進(jìn)行批量加工。參數(shù)的禁用是通過 ERP 系統(tǒng)權(quán)限管理系統(tǒng)對加工異常產(chǎn)品對應(yīng)圖紙參數(shù)先行禁用，并告知工藝規(guī)范轉(zhuǎn)換人員，在系統(tǒng)對對應(yīng)的 BD 數(shù)據(jù)一一進(jìn)行標(biāo)注，后續(xù)客戶來料會依據(jù)對應(yīng) BD 一一進(jìn)行重新驗(yàn)證，起到了很好的監(jiān)控和預(yù)防作用。

4. 1. 4 制定產(chǎn)品管理流程

為了減少在生產(chǎn)中造成不必要的損失和提高產(chǎn)品的良率，通常將有異常的芯片或初次加工產(chǎn)品，進(jìn)行工程驗(yàn)證，待工程驗(yàn)證合格后產(chǎn)品轉(zhuǎn)成小批量跟蹤，驗(yàn)證合格的參數(shù)和程序會由對應(yīng)工程組移交，系統(tǒng)處理后進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)批加工；若驗(yàn)證不合格則重新做DOE 二次參數(shù)驗(yàn)證。具體實(shí)施方案如圖 6 所示。

4. 1. 5 實(shí)現(xiàn)雙芯片特殊管控

雙芯片封裝是由主芯片和配芯片（MOS 管芯）構(gòu)成，兩種芯片并列實(shí)現(xiàn)電路互聯(lián)。MOS 芯片結(jié)構(gòu)和其它普通芯片有本質(zhì)的不同，MOS 芯片表面無鈍化層，一般鈍化層起防止氧化保護(hù)芯片表面的作用，因此 MOS管芯更容易氧化和受損。所以，打線時(shí)，若鍵合壓力過大 MOS芯片結(jié)構(gòu)易被破壞，出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。如表 3 所示為 MOS芯片產(chǎn)品管理應(yīng)對方案。因此 MOS 芯片不能應(yīng)用常規(guī)打線方式而必須用BSOB 工藝[7] ，先植球?qū)π酒鲱A(yù)保護(hù)措施后再打線，防止芯片表面鋁墊裂紋出現(xiàn)。

植球反打（Bond Stitch On Ball, BSOB），如圖 7為銅線 BSOB示意圖，即首先在芯片（或管腳位置）植一個(gè)焊球，再進(jìn)行正常焊線，將正常焊線的第二焊點(diǎn)焊到植球點(diǎn)上。BSOB 主要使用在多芯片組裝（Multi Chip Module, MCM） 或是堆疊芯片（Stack Die）的產(chǎn)品上 [8] 。

在完成 BSOB 線弧過程中，由于 BSOB 線的第一焊點(diǎn)與芯片焊盤未牢固結(jié)合[9]（需要注意的是，也有可能是過焊接形成失鋁，調(diào)試方法會不同），線弧將第一焊點(diǎn)拉起致使第一焊點(diǎn)脫落；可以通過調(diào)節(jié) BSOB 線第一焊點(diǎn)球的參數(shù)，保證鍵合強(qiáng)度來改善 [10] 。

通過以上方法，有效解決了生產(chǎn)過程中的各種異常問題；參考改善方法和調(diào)試優(yōu)化結(jié)果，對 MOS雙芯片產(chǎn)品的管理方案進(jìn)行總結(jié)，如表 3 所示。

以上從工藝技術(shù)、管理方法的改進(jìn)和優(yōu)化，不會引起生產(chǎn)成本提高，對后續(xù)量產(chǎn)起到了關(guān)鍵的作用，這些技術(shù)及管理方法的應(yīng)用，使銅線在 2D（雙芯片平面）、3D（雙芯片疊層）封裝量占比逐漸增大，技術(shù)得到提升，帶來更多的盈利。

表 3 中的一系列改善措施從根本上對鋁墊裂紋的產(chǎn)生做到了預(yù)防和改善，這些措施已經(jīng)固定化并標(biāo)準(zhǔn)化，形成相應(yīng)的文件已經(jīng)實(shí)施執(zhí)行在實(shí)際生產(chǎn)中。從根本上對異常進(jìn)行了杜絕和預(yù)防，全面提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

5 改善后的實(shí)際成效

經(jīng)過一系列產(chǎn)品的驗(yàn)證和參數(shù)的優(yōu)化，經(jīng)確認(rèn)產(chǎn)品的封裝良率有了明顯的改善，鋁墊裂紋發(fā)生的幾率有了很大的降低。產(chǎn)品能夠順利地由驗(yàn)證批逐漸轉(zhuǎn)入量產(chǎn)批，進(jìn)入正常批量生產(chǎn)封裝階段。

表 4 為產(chǎn)線在經(jīng)過一系列的參數(shù)改進(jìn)后，鋁墊裂紋的改善狀況。

通過 1- 8 個(gè)月的數(shù)據(jù)分析得出，鋁墊裂紋問題逐步得到改善和降低，隨著加工工單數(shù)的增加，不良率反而逐步減少，因此證明，通過上述措施，鋁墊裂紋問題得到了很好的預(yù)防和控制，達(dá)到了改善的目的。

6 結(jié)論

對獲得的銅絲鍵合最佳參數(shù)和改善鋁墊裂紋方面的措施進(jìn)行了總結(jié)，已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用，提高了產(chǎn)品的良率。避免后續(xù)大量的參數(shù)驗(yàn)證過程，能夠節(jié)約人力、財(cái)力和物力，也為后續(xù)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化、提高經(jīng)濟(jì)效益奠定了基礎(chǔ)。隨著研究的不斷深入，各種問題會逐漸解決，相信銅線鍵合在電子封裝行業(yè)中必將會得到很好的應(yīng)用。

來源：半導(dǎo)體材料與工藝