孟兴梅
（天水华天科技株式会社）
择要：
本文简述了铝垫裂纹潜在的危害。剖析了铝垫裂纹产生的缘故原由，研究了铜线键合过程中由于铜丝的固有特性对键合可靠性产生的负面影响 [1] 。阐述了改进铝垫裂纹的详细方法。对极易涌现铝垫裂纹的产品实施分外管控，通过一系列的硬件和软件改进方法，减少了铝垫裂纹问题造成的产品低良率、实现了产品由验证批次到风险批次再到量产批次的转化、由参数设置不当而导致铝垫裂纹的非常比例呈直线低落趋势、终极使产品的良率稳定达到 99. 9%以上，符合生产与质量哀求，达到了预期的目的。
1 弁言
芯片表面的铝垫、铝层及底层被毁坏会导致裂纹的产生，有裂纹的芯片可靠性及稳定性差，会造成产品功能早期失落效。图 1 为高倍显微镜 （500 倍以上）下芯片表面的铝垫裂纹。
随着集成电路芯片向小型化和多功能化的发展，芯片在设计中涌现多层布线，芯片封装过程中铝垫下有器件及电路的产品日益增多。为提高产品可靠性，预防集成电路铝垫裂纹的产生，早期预防铝垫裂纹显得越来越主要。因此，只有铝垫裂纹问题得到改进，才能使铜线键合技能向多层布线方向发展。
2 铝垫裂纹带给生产的负面影响
铝垫裂纹这种毛病在外不雅观上并不是那么显而易见，对付轻微的眇小裂纹，每每须要通过毁坏性实验才能看到，但是，它对付产品的性能却已经产生了很大的影响，进而影响到产品的良率以及可靠性问题，同时导致严重的经济丢失。某封装公司在 2014 年，就因一款产品涌现铝垫裂纹非常问题，被客户将整批次产品全部退货，给客户及封装公司带来了上百万的经济丢失。2015 年第三季度里，封装比较稳定的产品溘然涌现测试良率急剧低落，严重不达标，经由大量排查、DOE 验证和剖析后，在同年 11 月份得到证明，晶圆来料铝垫质量有问题。由于这种缝隙每每轻微，且未完备伤及电路，终端测试不易筛选，终极成为不良品流出到客户端，产生不良影响。
以是铜丝作为键合丝，虽然在一定程度上节约了很大的本钱，但是铝垫裂纹问题一贯是集成电路封装公司面临的质量难题。由于铜丝硬度高，机器强度大，压力过小随意马虎打不粘，压力过大毁坏芯片表面铝层，都易涌现铝垫裂纹征象。
3 改进铝垫裂纹的硬件方法
由于芯片焊线区面历年夜小不同、焊点铝垫构造不同，以是必须选择不同型号的劈刀及不同线径的键合丝来应对。铜线键合对芯片焊点焊盘的构造 [2] 、芯片焊点探针印痕、芯片平整度等均有哀求，同时需明确规定这些硬性键合工艺哀求推举给晶圆厂加以运用。
3. 1. 1 键合设备稳定性和同等性
产品的质量管控取决于键合设备的同等性与稳定性，同时键合设备的同等性与稳定性也直接决定着键合工艺的稳定性，只有同等性达标才可创建设备系统化管理，以是要周期性检讨及校准设备的解析度、打火间隙、温度、焊接力、焊接水平高度和打火杆状态等。
3. 1. 2 焊线型号的选择
从物理特性剖析，纯铜丝比金丝硬，而镀钯铜丝比较较于纯铜丝硬度更强，因此利用镀钯铜丝键合球焊时，芯片更易受损，表面涌现裂纹。针对此问题，结合焊点铝层质量，选择硬度强度不同的焊线，以调度键合球的硬度大小，降落对铝层的危害 [3] 。同时在确定焊线型号时还需考虑其他方面造成的影响，例如对本钱、产品电性能、焊线弧形等方面的影响。
3. 1. 3 芯片焊点、焊盘的构造哀求
焊球与底层硅化合物的结合强度、焊点处的铝层厚度。这两点直接决定了铝垫可承受的最大压力，针对功率大的产品，焊球直径够大，因此焊点铝层的厚度需知足哀求 [4] 。铜的物理特性（硬度、韧度等）比较于金丝更高，在键合过程中需承受更大的键合压力及超声能量，以是芯片焊点铝层厚度要足够大。
3. 1. 4 芯片平整度哀求
芯片平整度也是影响到铝垫裂纹的一个关键成分，平整度差异包括：同一芯片不同位置高度差异大；同一窗口不同芯片高度差异大；同一框架不同区域高度差异大。芯片表面凸凹不平，任何一种高度差异都有可能造成芯片高区域部分，涌现铝垫裂纹，低区域部分打不粘征象发生。办理这类问题需对症下药：粘片时严格管控胶量与力度，担保芯片高度无差异 [5] 。
3. 2 预防铜球氧化验证
被氧化的铜球硬度会因此变大，键合时须要施加更大的键合压力，当施加的键合压力超出铝垫承受力，铝垫表面会涌现铝垫裂纹。预防铜球氧化须要工艺验证及结果确认才能得到最佳的掌握方法，因此开展了干系验证及参数优化事情，详细如下：
3. 2. 1 保护气体装置比拟验证
早期的保护气体装置供应单方向气体保护，如图 2 所示，它在铜线工艺初期阶段，大铝垫间距（70μm）芯片封装中发挥了主要浸染，但是随着铜线工艺日趋成熟，向小铝垫间距（45μm）、芯片互连技能发展的过程中，逐渐表现出烧球同等性差、易氧化、易受气流大小影响等缺陷。
新型的保护气体装置供应环形气体保护，如图3 所示，利用一个机器加工成型的陶瓷或玻璃管，氮气、氢气稠浊气体通过它被送到焊球形成的地方，目的是赌气流被匀速地喷射到正在形成的焊球周围，降落气流的影响和减少气体的用量，完备隔离氧气。
将单方向吹气保护装置和环形吹气保护装置下的烧球实验各分为五组，装置中充入的氮气、氢气的含量身分两组保持同等。将焊球直径的实测数据逐一做记录，分别打算出每组焊球直径对应的标准差。
由表 1 结果得出，在采取环形气体保护装置时，焊球尺寸的标准偏差最小，解释采取此装置可以更好地担保焊球形状均匀性和同等性。
3. 2. 2 保护气体身分、流量实验验证
保护气体中氮气、氢气所占比例及流量在铜线工艺中有明确的哀求。H 2 浓度：一样平常为 5%～10%之间，目的是加入氮气防止键合时氧气与铜反应，再加入氢气作为还原气体，去掉铜表面的氧化层。
在设备 ASMEagle60 上，用线径为 25μm 的铜丝做氮氢稠浊气体的流量验证实验，在环形气体保护装置中充入氮氢稠浊气体，严格按照 5%N 2 +95%H 2 比例含量充入保护装置进行烧球 [6] ，铜球周围的气体由于温度骤变而发生剧烈的膨胀并导致该区域气场发生紊乱，如果保护气体的流量不敷，周围的氧气会被卷入到烧球环境中。以是流量的大小要根据球的形成过程与外不雅观质量、氧化程度来决定，否则易造成将线尾吹歪，涌现“高尔夫球”，或者氧化保护不充分，涌现氧化球或尖头球，如图 4 所示。表 2 为不同气体流量的实验结果。
稠浊气体流量一样平常需掌握在 0.4 L/min～1.0L/min。如果气体流量太小，则会影响保护浸染，烧球随意马虎被周围空气中的氧气氧化，烧球直径严重超出标准哀求范围，如图 4（a）所示；如果气体流量太大，尾线会被气流吹歪，烧球呈现高尔夫球状，如图4（b）、（c）所示。以上实践表明，气体流量对烧球直径的影响较小，但直接关系到烧球的外不雅观质量，决定球形是否正常。
3. 2. 3 烧球参数优化验证
烧球参数紧张包括：烧球电流、烧球电压、烧球韶光。为预防铜球氧化，可通过增大电子打火（EFO）电流、缩短电子打火韶光等调节，但是各有优缺陷。须要把稳大电流会增加铜球硬度、小电流易氧化等问题。如图 5 所示，烧球电流、烧球韶光对球形尺寸的影响，随着电流与韶光的逐步增大，烧球尺寸的直径也相应增大，但参数变革过程中烧球韶光引起的变革较为显著。
根据以上不同方法、参数的验证结果得出，当设备硬件设置得当，烧球参数是直接影响铜球成形、预防氧化及同等性不良的关键工艺参数，烧球参数通过试验达到最佳化后，才能有效预防铜线成球时的氧化问题。
4 改进铝垫裂纹的软件履行方案
对键合设备参数的校准是预防和改进铝垫裂纹的紧张事情，只有设备的参数校准得当，产品才能拥有一个适宜的加工环境。同时，添加键合参数也是必要环节，因此对设备的校准是预防铝垫裂纹紧张办理的问题。
4. 1 设备参数的同等性校准及流程卡参数的添加
对设备设置是键合的紧张条件，只有将设备参数经由一系列的验证和校准之后，寻求到适宜设备的最佳参数，并将相同设备设置在同一个水平线上，才可投入生产。
相同机型的设备，其参数有可能是不相同的，在设备投入利用之前均须要经由 DOE 验证，将相同机型设备的参数校准在同一个参数水平上，因此对新进设备在履行生产之前均要进行参数校准，并同时对流程卡添加对应的参数。流程卡参数的添加是在设备校准的根本上对参数的利用过程，一旦设备参数校准准确，流程卡参数就变成了固定值。
4. 1. 1 对程序的管控方法
通过 DOE 验证取得最佳参数，并将参数调用在主机设备，实现参数联网一体化，别的相同型号设备在键合时只需调用主机参数，而不须要重新编程和设置参数。所有同类型同型号设备均按此主机供应的参数运行，减少铝垫裂纹及其它因参数设置不当的非常涌现，实现参数程序的有效统一管控，减少铝垫裂纹等非常的发生。
4. 1. 2 实现参数高下限调控
工程技能职员卖力参数高下限设置，修正参数及权限掌握，并实现键合参数一体化。参数范围均表示在主机上，避免因参数取值缺点导致产品报废。
4. 1. 3 实施分外产品管控
对非常产品建立工程验证流程，通过 DOE 验证后，创造非常时，工程职员会在第一韶光将之前参数禁用，连续做验证，在未取得最佳参数之前，不进行批量加工。参数的禁用是通过 ERP 系统权限管理系统对加工非常产品对应图纸参数先行禁用，并奉告工艺规范转换职员，在系统对对应的 BD 数据逐一进行标注，后续客户来料会依据对应 BD 逐一进行重新验证，起到了很好的监控和预防浸染。
4. 1. 4 制订产品管理流程
为了减少在生产中造成不必要的丢失和提高产品的良率，常日将有非常的芯片或初次加工产品，进行工程验证，待工程验证合格后产品转成小批量跟踪，验证合格的参数和程序会由对应工程组移交，系统处理后进行风险批加工；若验证不合格则重新做DOE 二次参数验证。详细履行方案如图 6 所示。
4. 1. 5 实现双芯片分外管控
双芯片封装是由主芯片和配芯片（MOS 管芯）构成，两种芯片并列实现电路互联。MOS 芯片构造和其它普通芯片有实质的不同，MOS 芯片表面无钝化层，一样平常钝化层起防止氧化保护芯片表面的浸染，因此 MOS管芯更随意马虎氧化和受损。以是，打线时，若键合压力过大 MOS芯片构造易被毁坏，涌现裂纹征象。如表 3 所示为 MOS芯片产品管理应对方案。因此 MOS 芯片不能运用常规打线办法而必须用BSOB 工艺[7] ，先植球对芯片做预保护方法后再打线，防止芯片表面铝垫裂纹涌现。
植球反打（Bond Stitch On Ball, BSOB），如图 7为铜线 BSOB示意图，即首先在芯片（或管脚位置）植一个焊球，再进行正常焊线，将正常焊线的第二焊点焊到植球点上。BSOB 紧张利用在多芯片组装（Multi Chip Module, MCM） 或是堆叠芯片（Stack Die）的产品上 [8] 。
在完成 BSOB 线弧过程中，由于 BSOB 线的第一焊点与芯片焊盘未稳定结合[9]（须要把稳的是，也有可能是过焊接形成失落铝，调试方法会不同），线弧将第一焊点拉起致使第一焊点脱落；可以通过调节 BSOB 线第一焊点球的参数，担保键合强度来改进 [10] 。
通过以上方法，有效办理了生产过程中的各种非常问题；参考改进方法和调试优化结果，对 MOS双芯片产品的管理方案进行总结，如表 3 所示。
以上从工艺技能、管理方法的改进和优化，不会引起生产本钱提高，对后续量产起到了关键的浸染，这些技能及管理方法的运用，使铜线在 2D（双芯片平面）、3D（双芯片叠层）封装量占比逐渐增大，技能得到提升，带来更多的盈利。
表 3 中的一系列改进方法从根本上对铝垫裂纹的产生做到了预防和改进，这些方法已经固定化并标准化，形成相应的文件已经履行实行在实际生产中。从根本上对非常进行了杜绝和预防，全面提高了产品质量。
5 改进后的实际成效
经由一系列产品的验证和参数的优化，经确认产品的封装良率有了明显的改进，铝垫裂纹发生的几率有了很大的降落。产品能够顺利地由验证批逐渐转入量产批，进入正常批量生产封装阶段。
表 4 为产线在经由一系列的参数改进后，铝垫裂纹的改进状况。
通过 1- 8 个月的数据剖析得出，铝垫裂纹问题逐步得到改进和降落，随着加工工单数的增加，不良率反而逐步减少，因此证明，通过上述方法，铝垫裂纹问题得到了很好的预防和掌握，达到了改进的目的。
6 结论
对得到的铜丝键合最佳参数和改进铝垫裂纹方面的方法进行了总结，已经在生产实践中运用，提高了产品的良率。避免后续大量的参数验证过程，能够节约人力、财力和物力，也为后续产品实现量产化、提高经济效益奠定了根本。随着研究的不断深入，各种问题会逐渐办理，相信铜线键合在电子封装行业中必将会得到很好的运用。
