威尼斯城所登入网址-威尼斯在线官网

股票代码:002449

功率器件焊线工艺技术研究综述(一)

2021-09-17

摘 要: 半导体的性能和可靠性与器件的封装形式密切相关,而引线键合工艺无疑是其中重要且容易出现失效的一环,其失效大约占总失效的1/3。因此,对引线键合工艺的深入理解对器件封装至关重要。本文全面深入地阐述了引线键合工艺,包括引线键合的多种工艺方法、引线键合的技术原理与特点、引线键合的打线方式、引线键合的实际应用以及引线键合常见的失效形式等。本文对引线键合的综合性论述工作对器件封装的设计和制造有着重要的启引作用。


关键词: 封装;键合机理;键合工艺;键合材料;打线形式;键合失效  

Research on Power Device Wire Bonding Technology: A Review
NS Technical Literature of the Third Gen-Semiconductor Project Team

Abstract  The performance and reliability of semiconductors are closely related to the packaging form of devices, and the wire bonding process is undoubtedly an important part and is prone to failure, which the wire bonding failures account for about 1/3 of the total failures. Therefore, an deep understanding of the lead bonding process is very important for device packaging. This article comprehensively elaborates on the wire bonding process, including the various techniques, the technical principles and characteristics, the bonding methods, and the practical applications and the common failure modes of wire bonding. It is believed that the comprehensive exposition of the wire bonding in this article has an important inspiration for device packaging.


Keywords  packaging;bonding mechanism;bonding process;bonding materials;bonding forms;bonding failure


1   


我国拥有着全球最大的半导体市场,据统计,2019年全球半导体营收4121亿美金,而我国半导体市场规模占到了全球的1/3,集成电路更是占到全球市场份额的50%,继2011年后连续占据全球最大的半导体市场。遗憾的是,我国半导体产业极度依赖国外,自给率不到10%。因此,我国制定了“中国制造2025计划”——到2025年,实现70%的半导体自给率[1]

电子器件封装是半导体器件应用的重要一环,直接关系到半导体器件的性能表现和可靠性高低。其中引线键合是器件封装中十分重要的一个环节,它起到了电气连接和信息互通的作用。引线键合[2]是一种使用细金属线,利用热、压力、超声波能量为使金属引线与基板焊盘紧密焊合,实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。目前,在大功率LED[3]、功率半导体[4]、集成电路IC[5]MEMS[6]等领域中,引线键合是影响器件长期可靠性的主要原因,并且未来很长一段时间内,引线键合仍将是器件封装的主要工艺之一。因此,许多研究长期持续地对引线键合的工艺和可靠性展开了研究[7-8],如不同焊线工艺方法和不同焊线材料对性能也可靠性的影响,如不同的失效形式等。杨阳[4]针对功率器件封装铝带键合进行了失效分析及工艺优化;罗珏等人[9]对金丝键合短尾问题进行了分析优化;王宁宁等人[10]针对直径为380μm的粗铝丝进行功率VDMOS器件的键合工艺研究;廖雯等人[11]同时采用4种焊接材料实现了产品的温度梯度焊接;而唐家霖等人[12]则对键合引线悬空的引线键合工艺展开了研究。显然,引线键合工艺的优化与实现对产品器件的性能表现和长期可靠性有着巨大的影响。

因此,本文通过查询大量引线键合相关文献与书籍,对引线键合工艺进行了全面而深入的阐述。主要对引线键合的含义、引线键合的技术原理与特点、引线键合的打线方式、引线键合的实际应用和引线键合常见的失效形式逐一进行详细地描述。本文的工作内容将对器件封装工作有着重要的启引作用。


2 引线键合的方式与技术原理


引线键合是一种结合高温、高压与超声能量,通过金属引线将芯片与引线框架互联,从而实现两者之间电气互联与不同器件信号交流的互联技术。合适的条件参数下,电子转移会通过引线进行、而原子扩散会通过引线与支架金属接触进行。


2.1  引线键合的三种键合方式

引线键合的三种键合方式分别是热压键合、超声键合以及热压超声键合。

热压键合:通过施加压力与高温环境的手段进行键合,键合温度大约在300℃至400℃之间,使引线与键合界面发生塑性形变,且破坏掉键合界面的薄氧化层与其他污染物,从而让两种金属表面粒子进行相互吸引,充分结合,达到键合的目的。

超声键合:不同于热压键合,超声键合的工作温度较低,在施加超声波的条件下施加另一外力,在键合界面由超声波产生横向的振动与施加压力产生纵向的振动,两者结合使金属引线在键合界面快速摩擦,形成金属间紧密接触,从而完成键合。超声键合其焊点一般为楔形,焊点面积不是很大,适用于高密度封装与焊点间距小的封装;但超声键合也是有缺点的,使用超声楔焊必须放慢速度,因为其焊点方向是固定的,造成线弧方向只能往单一方向牵引,键合速度快会增加造成键合失效的风险。


图1 热超声键合示意图

Fig.1 Schematic diagrams of hot work ultrasonic bonding


热压超声键合:1970年,Coucoulas对引线键合进行改良,其提出同时采用三种条件(施加超声波、施加压力、升温)来完成键合工序,他将这种方法称为“Hot Work Ultrasonic Bonding”,即热压超声键合,其过程如图1所示。热压超声键合囊括了热压键合和超声键合两种工艺的特点,大幅度降低工作温度,超声频率控制在120-135 KHz之间,使金线也能应用在一些耐温性能较低的芯片,减少电参数失效的同时大大提高器件的可靠性。超声与热压的结合,也降低了超声波功率与键合压力,避免晶圆受压损毁。热超声键合通常使用金线作为键合引线,两端焊点形状分别为球形和楔形。由于球焊的特点,热超声键合的球形和楔形焊点在线弧路径方向上不受限制,从而增加了使用弹性,提高了生产效率,键合效率可达超声键合的5倍[13],表1对比了这三种键合方式的优缺点。


表1 三种键合方式的优缺点比较[14]


Tab.1 Comparison of the advantages and disadvantages of the three bonding methods

键合方式

优点

缺点

热压键合

键合材料坚固稳定;

键合参数较少,控制简单;

线弧方向随机;

适用于相对粗糙的界面;

适用于较脆弱的器件;

受键合表面清洁度影响较大;

高温(>300℃)环境下进行,较大的热应力和变形会影响器件可靠性;

施加压力较大,加快设备磨损;

键合材料不受空气影响,不易变质;

超声键合

受键合表面清洁度影响小;

键合稳定,很少出现虚焊,空洞率也较低;

工作在室温条件下;

焊点小;

参数较多,设备控制较难;

键合四周、特别是线尾易脆裂;

不适用于粗糙的界面;

线弧方向只能沿着第一焊点末端到第二焊点;

热压超声键合

工作温度低于热压键合,有利于提高键合点寿命;

适用于较脆弱的器件;

效率高;

控制方法复杂,时序较多,影响键合质量因素多,需调整热、压力、时间、功率等;

会出现虚焊及形成金属间化合物;

受键合表面清洁度影响较大;


2列举了三种键合方式的键合条件,在键合引线的过程中,温度是一个很精确的参数标准,不规律的波动会造成引线损坏或键合表面形成阻碍键合的化合物。因此,对于温度控制有着比较严格的要求,系统会通过各种模块使温度保持在某一稳定水平,尽可能使各种参数稳定精确。引线键合工艺整个工作历时十分简短,根据产品规格的不同历时也不一样。在进行烧球时,热量越大,烧球就会越大,键合时间也就越长。但如果烧球过久会导致空洞率异常以及其它失效。


2 三种键合方式的条件对比

Tab.2  Condition comparison of three bonding methods


键合方式

键合压力

温度(基板上)

超声波

引线材料

键合形式

热压键合

300-400

金线

球形键合

超声键合

25

金线、铝线、铜线

楔形键合

热压超声键合

125-250

金线、铜线

球形键合、楔形键合


        超声功率与键合压力是否合适对键合成果有着重大的影响。功率设置较小会引发尾丝翘起、键合成型失败或者焊点过小;功率设置较大会引发焊盘损坏、引线根部破损与键合塌陷。键合压力过大容易在焊盘上形成弹坑、损坏芯片;键合压力过小容易造成虚焊、键合不稳定等失效。因此键合效果良好需要超声功率与键合压力的紧密配合。

由于热压键合的施加温度较高,在应用中难免造成不方便或对芯片有影响,随着超声键合工艺的不断完善,人们将超声能量与热压键合相结合,让球形键合这种形式逐步过渡到以热压超声键合为主,在一定程度上降低了键合条件的难度,也降低了键合的失效风险。目前广泛应用的金线球形焊接主要以热压超声键合为主,而功率器件中粗铝线焊接则主要是压力超声键合为主。


2.2  超声波键合中引线与焊盘之间的键合机理

超声波键合是一种固态金属结合方式,不使用助焊剂或其它材料。当超声波能量和力被施加到连接对象时,金属在接触中在接合面塑性变形,以这样的一种方式氧化物膜层或微小外来材料被驱除,而使得不规则表面相互配合最终产生一个冶金学的键合。超声波键合是通过挤压靠着键合表面的引线来制造的。通常,压力是通过大约每秒60kHz振荡的换能器的顶端施加的。机械力和刮擦行为导致两个表面的分子混合、接触,从而形成一个键合。

在铝线楔形键合中,大家可以观察到在铝线的表面和铝键合焊盘的表面及引线框架金属层上,存在一个薄自生氧化层,还有一个单湿气层和一个薄碳氢化合物污染物层,为键合这两个金属表面,氧化物必须移除,以暴露出新生金属,如图2所示。



图2 键合表面

Fig.2 The bonding surface

当超声波能量作用时,刮擦动作破坏了键合焊盘上的氧化物,同时,超声波把断层从它们的固定位置驱除出来,就如图3a所示。这些断层移动导致接触面处微塑性变形,因而接触面机械互锁,如图3b所示。这种方式能适合不同材料的结合,以及在不同厚度的部件。超声波键合是一种冷键合技术,不需要外部热量的施加。换能器通过楔尖提供超声波能量给引线,而引线卧在楔尖中的凹槽里以避免引线完全压碎。顶端和工件之间的力能被控制。在振动期间,诱发的动态压力十分强烈地引起材料接触面的塑性变形,湿气层和氧化物膜层被打碎和驱散,而表面上的不规则形状也被消除。这促成新生(纯净)金属的紧密接触,而结果是一个冶金学的键合,其在固态中形成,没有金属的熔化。


图3超声波键合示意图:振动过程(a)、金属互锁(b)

Fig.3 Schematic diagrams of vibration (a) and metal interlock processes (b) of Ultrasonic bonding


        金属的超声波键合能力互有差别,其中面心立方体(FCC)金属在室温下有较好的超声波键合能力。这归因于在一个FCC结构中可以用到的滑移系统的数量。与有体心立方体(BCC)结构的金属(如钨)相比较,因为大量滑移面的存在,有FCC结构的金属(如铝、金、铜、钯和镍)其塑性变形非常容易。图4展示了FCC和BCC的晶格。因此,超声波焊接最适合与可延展的金属,如铝、金、银、铜。




图4 FCC与BCC晶格结构图
Fig.4 Crystal structures of FCC and BCC

        超声波软化和变形金属的机理已经被研究出来,研究显示出超声波能量或热能两者都可以独立地引起等效的铝的变形。由图5可知在18℃下,铝展示出非常高的张应力和高延伸率。可是温度达到200℃、400℃和600℃时,张应力值下降,这是由于在高温下铝容易塑性变形。当20KHz超声波能量被施加给铝单晶体时,在超声波功率被增加到每平方厘米15W、35W或50W时塑性变形增加,最重要的是,张应力的减小发生在室温下。铝的熔点为660℃,氧化铝的熔点为2054℃,但由于铝在加热情况下极易氧化,氧化物硬度极大,与焊接表面不好形成坚固稳定的结合,甚至会破坏芯片与支架,因此不适合热超声键合;且氧化后需要很高的温度才有可能烧球,因此其不适合球焊,这也是为什么铝比较适合冷温超声波键合的原因。



图 5 铝单晶应力与延伸率关系图
Fig.5 Relationship between stress and elongation of aluminum single crystal

        这里大家可以观察到,应力伸长本质上与压缩力负载下的变形相等,例如发生在超声波中的焊接。可是,超声波变形和热变形之间存在的两个主要的不同是:没有外加应力下铝产生变形需要的超声波能量密度比等同变形结果需要的热能量少大约107倍;超声波变形的铝被加工硬化(声学硬化),然而等同的热变形使金属永远变软(退火)。当超声波能量被施加给一个FCC金属时,声能优先被断层吸取。断层从它们的固定位置被激活,而金属在相应的低应力下变形。
        除了铝能够进行楔形键合,金线是一种比铝更硬的金属,在金楔形键合期间,一种硬引线与一种软金属键合,这是不容易的,其原因是:需要较大的压力和超声波能量来使金引线发生塑性形变;过多的压力和超声波能量将导致铝金属层被挤压出键合焊盘。不同于铝楔形键合,在金线和铝垫之间产生一个原子级的紧密结合是不可能的,而为了最小化铝挤出和增加被键合接触面的强度,必须有一个冶金学的键合。因此金楔形键合需要用到比室温键合期间更高的温度[15]。

2.3  不同键合方式的应用


        由于球形键合过程中会对金属丝进行高温烧球,金线不易氧化,因此金线适用于球形键合。由于金线导电率较好,对射频电路信号影响小,因此射频电路中的导电材料优先选择金线。
       铝线容易被氧化形成熔点较高的氧化膜,不易烧球,因此常用楔形键合对铝线进行焊接。铝线楔焊主要应用于功率器件是因为该器件的工作功率较大,为了提高器件可靠性,需要通过铝线完成键合。与球焊相比,楔焊线弧的高度与跨度更小,因此更容易实现小间距的键合,适合单片微波集成电路、集成式电阻和电容等元器件与微带线、共面波导的互联以及微波传输线之间或与接地互联的最佳工艺[16]。
       超声键合技术是当下普遍使用的键合技术,键合材料一般为铝线,铝线在键合时与同为铝材的芯片电极表面不形成金属间化合物,且超声键合通常可以在比较低的温度实现,因此在高可靠性气密封装普遍采用该技术,如图6所示。

图6 高可靠气密封装
Fig.6 Highly reliable hermetic package


热压键合温度较高,适用于塑封晶体管和IC以及较高温度加工过程中性能不受影响的微电子器件。热压超声键合是通过控制温度、压力、超声波功率和时间来实现的。通常,它仅用于金线键合,与其他两种工艺相比,它具有更高的可靠性和更低的键合温度,适合多种微电子器件。在徐佳慧的射频器件超细引线键合工艺及性能研究中,由于射频器件的稳定涉及到许多封装上的细节,因此其使用超声热压楔形键合的方法键合射频器件中的超细金线来保证射频器件的可靠性,通过多个参数调节的结合,寻找到最适合射频器件键合的一组参数[4]

 

(未完待续)

参考文献

[1] CSIA.国务院关于印发新时期促进集成电路产业和App产业高质量发展若干政策的通知

[EB/OL].(2020-08-05)[2021-03-04].http://www.csia.net.cn/Article/ShowInfo.asp?InfoID=95726.

[2]晁宇晴, 杨兆建, 乔海灵. 引线键合技术进展[J]. 电子工艺技术, 2007, 28(004):205-210.

[3] 斯芳虎.LED金线键合工艺的质量控制[J].电子质量,2010(03):44-45+48.

[4] 杨阳.功率器件封装铝带键合失效分析及工艺优化[D].南京:东南大学,2019.

[5] 李锟.集成电路铜引线键合强度试验方法标准研究[J].信息技术与标准化,2020(11):56-60+66.

[6] 肖沛宏,付兴铭,谭六喜,等.压力传感器引线键合金线的振动疲劳研究[J].传感器世界,2007(03):10-12.

[7] 贺玲,刘洪涛.引线键合的失效机理及分析[J].微处理机,2017,38(06):17-20.

[8] 吴懿平.引线键合原理与工艺[J].环球SMT与封装,2007,7(6):8-10.

[9] 罗珏,康敏,赵鹤然,等.金丝键合短尾问题分析及解决[J].微处理机,2020,41(03):17-19.

[10] 王宁宁,何宗鹏,张振明,等.功率VDMOS器件粗铝丝键合工艺研究[J].电子工艺技术,2015,36(01):25-28.

[11] 廖雯,毛繁,但雪梅,.一种瓦片式T/R的关键工艺分析[J].压电与声光,2018,40(03):323-325+330.

[12] 唐家霖,崔洁,柳青.键合引线悬空的引线键合工艺研究[J].电子工业专用设备,2016,45(08):5-8.

[13] 丁康伟. 半导体金线键合可靠性研究[D].北京:中国科学院大学(工程管理与信息技术学院),2014.

[14] 余斋. 改善热压超声球焊点键合强度的工艺研究[D].成都:西南交通大学,2010.

[15] 沙帕拉·K·普拉萨德,刘亚强(译).复杂的引线键合互联工艺[M].北京:中国宇航出版社,2015.9.

[16] 徐佳慧. 射频器件超细引线键合工艺及性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2020.

[17] 吕磊.引线键合工艺先容及质量检验[J].电子工业专用设备,2008(03):53-60.

[18] 侯育增. 功率外壳粗铝丝键合可靠性工艺研究[D].南京:南京理工大学,2013.

[19] 谭一帆. 基于新型层叠DBC混合封装功率模块的键合线可靠性研究[D].武汉:华中科技大学,2019.

[20]A. GRAMS, C. EHRHARDT, J. JAESCHKE,et al.  "Simulation of the Lifetime of Wire Bonds Modified through Wedge Trenches for Higher Reliability," CIPS 2016; 9th International Conference on Integrated Power Electronics Systems, Nuremberg, Germany, 2016, pp. 1-4.

[21]W. HUANG, D. BAI AND A. LUO, "Stress simulation for 2N gold wires and evaluation on the stitch bond shapes," 2011 International Symposium on Advanced Packaging Materials (APM), Xiamen, 2011, pp. 134-140, doi: 10.1109/ISAPM.2011.6105722.

[22]J. ZHAO, F. QIN, T. AN, ,et al. "Electro-thermal and thermal-mechanical FE analysis of IGBT module with different bonding wire shape," 2017 18th International Conference on Electronic Packaging Technology (ICEPT), Harbin, 2017, pp. 548-551, doi: 10.1109/ICEPT.2017.8046514.

[23]段之刚. DFN1006新型引线键合设计与实现[D].成都:电子科技大学,2017.

[24] 燕子鹏,秦文龙,贺从勇.BSOB键合工艺在厚膜基板引线互联中的研究[J/OL].微电子学:1-5[2021-01-19].

[25] 刘猛. 脉冲功率系统中IGBT模块封装的研究[D].成都:西南交通大学,2017.

威尼斯城所登入网址|威尼斯在线官网

XML 地图 | Sitemap 地图