淺析銅線(xiàn)鍵合鋁墊裂紋的預防和改善

摘要：

本文簡(jiǎn)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(xiàn)鍵合過(guò)程中由于銅絲的固有特性對鍵合可靠性產(chǎn)生的負面影響 [1] 。闡述了改善鋁墊裂紋的具體措施。對極易出現鋁墊裂紋的產(chǎn)品實(shí)行特殊管控，通過(guò)一系列的硬件和軟件改善措施，減少了鋁墊裂紋問(wèn)題造成的產(chǎn)品低良率、實(shí)現了產(chǎn)品由驗證批次到風(fēng)險批次再到量產(chǎn)批次的轉化、由參數設置不當而導致鋁墊裂紋的異常比例呈直線(xiàn)下降趨勢、最終使產(chǎn)品的良率穩定達到 99. 9%以上，符合生產(chǎn)與質(zhì)量要求，達到了預期的目的。

1 引言

芯片表面的鋁墊、鋁層及底層被破壞會(huì )導致裂紋的產(chǎn)生，有裂紋的芯片可靠性及穩定性差，會(huì )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(zhù)集成電路芯片向小型化和多功能化的發(fā)展，芯片在設計中出現多層布線(xiàn)，芯片封裝過(guò)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，預防集成電路鋁墊裂紋的產(chǎn)生，早期預防鋁墊裂紋顯得越來(lái)越重要。因此，只有鋁墊裂紋問(wèn)題得到改善，才能使銅線(xiàn)鍵合技術(shù)向多層布線(xiàn)方向發(fā)展。

2 鋁墊裂紋帶給生產(chǎn)的負面影響

鋁墊裂紋這種缺陷在外觀(guān)上并不是那么顯而易見(jiàn)，對于輕微的細小裂紋，往往需要通過(guò)破壞性實(shí)驗才能看到，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(wèn)題，同時(shí)導致嚴重的經(jīng)濟損失。某封裝公司在 2014 年，就因一款產(chǎn)品出現鋁墊裂紋異常問(wèn)題，被客戶(hù)將整批次產(chǎn)品全部退貨，給客戶(hù)及封裝公司帶來(lái)了上百萬(wàn)的經(jīng)濟損失。2015 年第三季度里，封裝比較穩定的產(chǎn)品突然出現測試良率急劇下降，嚴重不達標，經(jīng)過(guò)大量排查、DOE 驗證和分析后，在同年 11 月份得到證實(shí)，晶圓來(lái)料鋁墊質(zhì)量有問(wèn)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(hù)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約了很大的成本，但是鋁墊裂紋問(wèn)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，機械強度大，壓力過(guò)小容易打不粘，壓力過(guò)大破壞芯片表面鋁層，都易出現鋁墊裂紋現象。

3 改善鋁墊裂紋的硬件措施

由于芯片焊線(xiàn)區面積大小不同、焊點(diǎn)鋁墊結構不同，所以必須選擇不同型號的劈刀及不同線(xiàn)徑的鍵合絲來(lái)應對。銅線(xiàn)鍵合對芯片焊點(diǎn)焊盤(pán)的結構 [2] 、芯片焊點(diǎn)探針印痕、芯片平整度等均有要求，同時(shí)需明確規定這些硬性鍵合工藝要求推薦給晶圓廠(chǎng)加以應用。

3. 1. 1 鍵合設備穩定性和一致性

產(chǎn)品的質(zhì)量管控取決于鍵合設備的一致性與穩定性，同時(shí)鍵合設備的一致性與穩定性也直接決定著(zhù)鍵合工藝的穩定性，只有一致性達標才可創(chuàng )建設備系統化管理，所以要周期性檢查及校準設備的解析度、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(xiàn)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，因此使用鍍鈀銅絲鍵合球焊時(shí)，芯片更易受損，表面出現裂紋。針對此問(wèn)題，結合焊點(diǎn)鋁層質(zhì)量，選擇硬度強度不同的焊線(xiàn)，以調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(xiàn)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(xiàn)弧形等方面的影響。

3. 1. 3 芯片焊點(diǎn)、焊盤(pán)的結構要求

焊球與底層硅化合物的結合強度、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(mǎn)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(guò)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域部分，出現鋁墊裂紋，低區域部分打不粘現象發(fā)生。解決這類(lèi)問(wèn)題需對癥下藥：粘片時(shí)嚴格管控膠量與力度，保證芯片高度無(wú)差異 [5] 。

3. 2 預防銅球氧化驗證

被氧化的銅球硬度會(huì )因此變大，鍵合時(shí)需要施加更大的鍵合壓力，當施加的鍵合壓力超出鋁墊承受力，鋁墊表面會(huì )出現鋁墊裂紋。預防銅球氧化需要工藝驗證及結果確認才能得到最佳的控制方法，因此開(kāi)展了相關(guān)驗證及參數優(yōu)化工作，具體如下：

3. 2. 1 保護氣體裝置對比驗證

早期的保護氣體裝置提供單方向氣體保護，如圖 2 所示，它在銅線(xiàn)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(zhù)銅線(xiàn)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(guò)程中，逐漸表現出燒球一致性差、易氧化、易受氣流大小影響等缺點(diǎn)。

新型的保護氣體裝置提供環(huán)形氣體保護，如圖3 所示，利用一個(gè)機械加工成型的陶瓷或玻璃管，氮氣、氫氣混合氣體通過(guò)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?chē)?，降低氣流的影響和減少氣體的用量，完全隔離氧氣。

將單方向吹氣保護裝置和環(huán)形吹氣保護裝置下的燒球實(shí)驗各分為五組，裝置中充入的氮氣、氫氣的含量成分兩組保持一致。將焊球直徑的實(shí)測數據一一做記錄，分別計算出每組焊球直徑對應的標準差。

由表 1 結果得出，在采用環(huán)形氣體保護裝置時(shí)，焊球尺寸的標準偏差最小，說(shuō)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 保護氣體成分、流量實(shí)驗驗證

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

在設備 ASMEagle60 上，用線(xiàn)徑為 25μm 的銅絲做氮氫混合氣體的流量驗證實(shí)驗，在環(huán)形氣體保護裝置中充入氮氫混合氣體，嚴格按照 5%N 2 +95%H 2 比例含量充入保護裝置進(jìn)行燒球 [6] ，銅球周?chē)臍怏w由于溫度驟變而發(fā)生劇烈的膨脹并導致該區域氣場(chǎng)發(fā)生紊亂，如果保護氣體的流量不足，周?chē)难鯕鈺?huì )被卷入到燒球環(huán)境中。所以流量的大小要根據球的形成過(guò)程與外觀(guān)質(zhì)量、氧化程度來(lái)決定，否則易造成將線(xiàn)尾吹歪，出現“高爾夫球”，或者氧化保護不充分，出現氧化球或尖頭球，如圖 4 所示。表 2 為不同氣體流量的實(shí)驗結果。

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(huì )影響保護作用，燒球容易被周?chē)諝庵械难鯕庋趸?，燒球直徑嚴重超出標準要求范圍，如圖 4（a）所示；如果氣體流量太大，尾線(xiàn)會(huì )被氣流吹歪，燒球呈現高爾夫球狀，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(guān)質(zhì)量，決定球形是否正常。

3. 2. 3 燒球參數優(yōu)化驗證

燒球參數主要包括：燒球電流、燒球電壓、燒球時(shí)間。為預防銅球氧化，可通過(guò)增大電子打火（EFO）電流、縮短電子打火時(shí)間等調節，但是各有優(yōu)缺點(diǎn)。需要注意大電流會(huì )增加銅球硬度、小電流易氧化等問(wèn)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(zhù)電流與時(shí)間的逐步增大，燒球尺寸的直徑也相應增大，但參數變化過(guò)程中燒球時(shí)間引起的變化較為顯著(zhù)。

根據以上不同方法、參數的驗證結果得出，當設備硬件設置得當，燒球參數是直接影響銅球成形、預防氧化及一致性不良的關(guān)鍵工藝參數，燒球參數通過(guò)試驗達到最佳化后，才能有效預防銅線(xiàn)成球時(shí)的氧化問(wèn)題。

4 改善鋁墊裂紋的軟件實(shí)施方案

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

4. 1 設備參數的一致性校準及流程卡參數的添加

對設備設置是鍵合的首要條件，只有將設備參數經(jīng)過(guò)一系列的驗證和校準之后，尋求到適合設備的最佳參數，并將相同設備設置在同一個(gè)水平線(xiàn)上，才可投入生產(chǎn)。

相同機型的設備，其參數有可能是不相同的，在設備投入使用之前均需要經(jīng)過(guò) DOE 驗證，將相同機型設備的參數校準在同一個(gè)參數水平上，因此對新進(jìn)設備在實(shí)施生產(chǎn)之前均要進(jìn)行參數校準，并同時(shí)對流程卡添加對應的參數。流程卡參數的添加是在設備校準的基礎上對參數的利用過(guò)程，一旦設備參數校準準確，流程卡參數就變成了固定值。

4. 1. 1 對程序的管控措施

通過(guò) DOE 驗證取得最佳參數，并將參數調用在主機設備，實(shí)現參數聯(lián)網(wǎng)一體化，其余相同型號設備在鍵合時(shí)只需調用主機參數，而不需要重新編程和設置參數。所有同類(lèi)型同型號設備均按此主機提供的參數運行，減少鋁墊裂紋及其它因參數設置不當的異常出現，實(shí)現參數程序的有效統一管控，減少鋁墊裂紋等異常的發(fā)生。

4. 1. 2 實(shí)現參數上下限調控

工程技術(shù)人員負責參數上下限設置，修改參數及權限控制，并實(shí)現鍵合參數一體化。參數范圍均體現在主機上，避免因參數取值錯誤導致產(chǎn)品報廢。

4. 1. 3 實(shí)行特殊產(chǎn)品管控

對異常產(chǎn)品建立工程驗證流程，通過(guò) DOE 驗證后，發(fā)現異常時(shí)，工程人員會(huì )在第一時(shí)間將之前參數禁用，繼續做驗證，在未取得最佳參數之前，不進(jìn)行批量加工。參數的禁用是通過(guò) ERP 系統權限管理系統對加工異常產(chǎn)品對應圖紙參數先行禁用，并告知工藝規范轉換人員，在系統對對應的 BD 數據一一進(jìn)行標注，后續客戶(hù)來(lái)料會(huì )依據對應 BD 一一進(jìn)行重新驗證，起到了很好的監控和預防作用。

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)行工程驗證，待工程驗證合格后產(chǎn)品轉成小批量跟蹤，驗證合格的參數和程序會(huì )由對應工程組移交，系統處理后進(jìn)行風(fēng)險批加工；若驗證不合格則重新做DOE 二次參數驗證。具體實(shí)施方案如圖 6 所示。

4. 1. 5 實(shí)現雙芯片特殊管控

雙芯片封裝是由主芯片和配芯片（MOS 管芯）構成，兩種芯片并列實(shí)現電路互聯(lián)。MOS 芯片結構和其它普通芯片有本質(zhì)的不同，MOS 芯片表面無(wú)鈍化層，一般鈍化層起防止氧化保護芯片表面的作用，因此 MOS管芯更容易氧化和受損。所以，打線(xiàn)時(shí)，若鍵合壓力過(guò)大 MOS芯片結構易被破壞，出現裂紋現象。如表 3 所示為 MOS芯片產(chǎn)品管理應對方案。因此 MOS 芯片不能應用常規打線(xiàn)方式而必須用BSOB 工藝[7] ，先植球對芯片做預保護措施后再打線(xiàn)，防止芯片表面鋁墊裂紋出現。

植球反打（Bond Stitch On Ball, BSOB），如圖 7為銅線(xiàn) 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(xiàn)，將正常焊線(xiàn)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(xiàn)弧過(guò)程中，由于 BSOB 線(xiàn)的第一焊點(diǎn)與芯片焊盤(pán)未牢固結合[9]（需要注意的是，也有可能是過(guò)焊接形成失鋁，調試方法會(huì )不同），線(xiàn)弧將第一焊點(diǎn)拉起致使第一焊點(diǎn)脫落；可以通過(guò)調節 BSOB 線(xiàn)第一焊點(diǎn)球的參數，保證鍵合強度來(lái)改善 [10] 。

通過(guò)以上方法，有效解決了生產(chǎn)過(guò)程中的各種異常問(wèn)題；參考改善方法和調試優(yōu)化結果，對 MOS雙芯片產(chǎn)品的管理方案進(jìn)行總結，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(huì )引起生產(chǎn)成本提高，對后續量產(chǎn)起到了關(guān)鍵的作用，這些技術(shù)及管理方法的應用，使銅線(xiàn)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(lái)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)生做到了預防和改善，這些措施已經(jīng)固定化并標準化，形成相應的文件已經(jīng)實(shí)施執行在實(shí)際生產(chǎn)中。從根本上對異常進(jìn)行了杜絕和預防，全面提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

5 改善后的實(shí)際成效

經(jīng)過(guò)一系列產(chǎn)品的驗證和參數的優(yōu)化，經(jīng)確認產(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)品能夠順利地由驗證批逐漸轉入量產(chǎn)批，進(jìn)入正常批量生產(chǎn)封裝階段。

表 4 為產(chǎn)線(xiàn)在經(jīng)過(guò)一系列的參數改進(jìn)后，鋁墊裂紋的改善狀況。

通過(guò) 1- 8 個(gè)月的數據分析得出，鋁墊裂紋問(wèn)題逐步得到改善和降低，隨著(zhù)加工工單數的增加，不良率反而逐步減少，因此證明，通過(guò)上述措施，鋁墊裂紋問(wèn)題得到了很好的預防和控制，達到了改善的目的。

6 結論

對獲得的銅絲鍵合最佳參數和改善鋁墊裂紋方面的措施進(jìn)行了總結，已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中應用，提高了產(chǎn)品的良率。避免后續大量的參數驗證過(guò)程，能夠節約人力、財力和物力，也為后續產(chǎn)品實(shí)現量產(chǎn)化、提高經(jīng)濟效益奠定了基礎。隨著(zhù)研究的不斷深入，各種問(wèn)題會(huì )逐漸解決，相信銅線(xiàn)鍵合在電子封裝行業(yè)中必將會(huì )得到很好的應用。

來(lái)源：半導體材料與工藝