淺析銅線鍵合鋁墊裂紋的預防和改善

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(xiàn)鋁墊裂紋的產品實行特殊管控，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品低良率、實現(xiàn)了產品由驗證批次到風險批次再到量產批次的轉化、由參數(shù)設置不當而導致鋁墊裂紋的異常比例呈直線下降趨勢、最終使產品的良率穩(wěn)定達到 99. 9%以上，符合生產與質量要求，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導致裂紋的產生，有裂紋的芯片可靠性及穩(wěn)定性差，會造成產品功能早期失效。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，芯片在設計中出現(xiàn)多層布線，芯片封裝過程中鋁墊下有器件及電路的產品日益增多。為提高產品可靠性，預防集成電路鋁墊裂紋的產生，早期預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向多層布線方向發(fā)展。

2 鋁墊裂紋帶給生產的負面影響

鋁墊裂紋這種缺陷在外觀上并不是那么顯而易見，對于輕微的細小裂紋，往往需要通過破壞性實驗才能看到，但是，它對于產品的性能卻已經產生了很大的影響，進而影響到產品的良率以及可靠性問題，同時導致嚴重的經濟損失。某封裝公司在 2014 年，就因一款產品出現(xiàn)鋁墊裂紋異常問題，被客戶將整批次產品全部退貨，給客戶及封裝公司帶來了上百萬的經濟損失。2015 年第三季度里，封裝比較穩(wěn)定的產品突然出現(xiàn)測試良率急劇下降，嚴重不達標，經過大量排查、DOE 驗證和分析后，在同年 11 月份得到證實，晶圓來料鋁墊質量有問題。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量難題。由于銅絲硬度高，機械強度大，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、焊點鋁墊結構不同，所以必須選擇不同型號的劈刀及不同線徑的鍵合絲來應對。銅線鍵合對芯片焊點焊盤的結構 [2] 、芯片焊點探針印痕、芯片平整度等均有要求，同時需明確規(guī)定這些硬性鍵合工藝要求推薦給晶圓廠加以應用。

3. 1. 1 鍵合設備穩(wěn)定性和一致性

產品的質量管控取決于鍵合設備的一致性與穩(wěn)定性，同時鍵合設備的一致性與穩(wěn)定性也直接決定著鍵合工藝的穩(wěn)定性，只有一致性達標才可創(chuàng)建設備系統(tǒng)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，芯片更易受損，表面出現(xiàn)裂紋。針對此問題，結合焊點鋁層質量，選擇硬度強度不同的焊線，以調整鍵合球的硬度大小，降低對鋁層的損害 [3] 。同時在確定焊線型號時還需考慮其他方面造成的影響，例如對成本、產品電性能、焊線弧形等方面的影響。

3. 1. 3 芯片焊點、焊盤的結構要求

焊球與底層硅化合物的結合強度、焊點處的鋁層厚度。這兩點直接決定了鋁墊可承受的最大壓力，針對功率大的產品，焊球直徑夠大，因此焊點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關鍵因素，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：粘片時嚴格管控膠量與力度，保證芯片高度無差異 [5] 。

3. 2 預防銅球氧化驗證

被氧化的銅球硬度會因此變大，鍵合時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，鋁墊表面會出現(xiàn)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，因此開展了相關驗證及參數(shù)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。

新型的保護氣體裝置提供環(huán)形氣體保護，如圖3 所示，利用一個機械加工成型的陶瓷或玻璃管，氮氣、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。

將單方向吹氣保護裝置和環(huán)形吹氣保護裝置下的燒球實驗各分為五組，裝置中充入的氮氣、氫氣的含量成分兩組保持一致。將焊球直徑的實測數(shù)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，焊球尺寸的標準偏差最小，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 保護氣體成分、流量實驗驗證

保護氣體中氮氣、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，目的是加入氮氣防止鍵合時氧氣與銅反應，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，用線徑為 25μm 的銅絲做氮氫混合氣體的流量驗證實驗，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)生劇烈的膨脹并導致該區(qū)域氣場發(fā)生紊亂，如果保護氣體的流量不足，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球的形成過程與外觀質量、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，則會影響保護作用，燒球容易被周圍空氣中的氧氣氧化，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。以上實踐表明，氣體流量對燒球直徑的影響較小，但直接關系到燒球的外觀質量，決定球形是否正常。

3. 2. 3 燒球參數(shù)優(yōu)化驗證

燒球參數(shù)主要包括：燒球電流、燒球電壓、燒球時間。為預防銅球氧化，可通過增大電子打火（EFO）電流、縮短電子打火時間等調節(jié)，但是各有優(yōu)缺點。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、燒球時間對球形尺寸的影響，隨著電流與時間的逐步增大，燒球尺寸的直徑也相應增大，但參數(shù)變化過程中燒球時間引起的變化較為顯著。

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

4 改善鋁墊裂紋的軟件實施方案

對鍵合設備參數(shù)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(shù)校準合適，產品才能擁有一個適宜的加工環(huán)境。同時，添加鍵合參數(shù)也是必要環(huán)節(jié)，因此對設備的校準是預防鋁墊裂紋首要解決的問題。

4. 1 設備參數(shù)的一致性校準及流程卡參數(shù)的添加

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

相同機型的設備，其參數(shù)有可能是不相同的，在設備投入使用之前均需要經過 DOE 驗證，將相同機型設備的參數(shù)校準在同一個參數(shù)水平上，因此對新進設備在實施生產之前均要進行參數(shù)校準，并同時對流程卡添加對應的參數(shù)。流程卡參數(shù)的添加是在設備校準的基礎上對參數(shù)的利用過程，一旦設備參數(shù)校準準確，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 驗證取得最佳參數(shù)，并將參數(shù)調用在主機設備，實現(xiàn)參數(shù)聯(lián)網一體化，其余相同型號設備在鍵合時只需調用主機參數(shù)，而不需要重新編程和設置參數(shù)。所有同類型同型號設備均按此主機提供的參數(shù)運行，減少鋁墊裂紋及其它因參數(shù)設置不當?shù)漠惓３霈F(xiàn)，實現(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 實現(xiàn)參數(shù)上下限調控

工程技術人員負責參數(shù)上下限設置，修改參數(shù)及權限控制，并實現(xiàn)鍵合參數(shù)一體化。參數(shù)范圍均體現(xiàn)在主機上，避免因參數(shù)取值錯誤導致產品報廢。

4. 1. 3 實行特殊產品管控

對異常產品建立工程驗證流程，通過 DOE 驗證后，發(fā)現(xiàn)異常時，工程人員會在第一時間將之前參數(shù)禁用，繼續(xù)做驗證，在未取得最佳參數(shù)之前，不進行批量加工。參數(shù)的禁用是通過 ERP 系統(tǒng)權限管理系統(tǒng)對加工異常產品對應圖紙參數(shù)先行禁用，并告知工藝規(guī)范轉換人員，在系統(tǒng)對對應的 BD 數(shù)據一一進行標注，后續(xù)客戶來料會依據對應 BD 一一進行重新驗證，起到了很好的監(jiān)控和預防作用。

4. 1. 4 制定產品管理流程

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

4. 1. 5 實現(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）構成，兩種芯片并列實現(xiàn)電路互聯(lián)。MOS 芯片結構和其它普通芯片有本質的不同，MOS 芯片表面無鈍化層，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，打線時，若鍵合壓力過大 MOS芯片結構易被破壞，出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。如表 3 所示為 MOS芯片產品管理應對方案。因此 MOS 芯片不能應用常規(guī)打線方式而必須用BSOB 工藝[7] ，先植球對芯片做預保護措施后再打線，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）植一個焊球，再進行正常焊線，將正常焊線的第二焊點焊到植球點上。BSOB 主要使用在多芯片組裝（Multi Chip Module, MCM） 或是堆疊芯片（Stack Die）的產品上 [8] 。

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

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

以上從工藝技術、管理方法的改進和優(yōu)化，不會引起生產成本提高，對后續(xù)量產起到了關鍵的作用，這些技術及管理方法的應用，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生做到了預防和改善，這些措施已經固定化并標準化，形成相應的文件已經實施執(zhí)行在實際生產中。從根本上對異常進行了杜絕和預防，全面提高了產品質量。

5 改善后的實際成效

經過一系列產品的驗證和參數(shù)的優(yōu)化，經確認產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。產品能夠順利地由驗證批逐漸轉入量產批，進入正常批量生產封裝階段。

表 4 為產線在經過一系列的參數(shù)改進后，鋁墊裂紋的改善狀況。

通過 1- 8 個月的數(shù)據分析得出，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(shù)和改善鋁墊裂紋方面的措施進行了總結，已經在生產實踐中應用，提高了產品的良率。避免后續(xù)大量的參數(shù)驗證過程，能夠節(jié)約人力、財力和物力，也為后續(xù)產品實現(xiàn)量產化、提高經濟效益奠定了基礎。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用。

來源：半導體材料與工藝