功率器件鍵合點外觀一致性提升的方法

徐世明

珠海格力新元電子有限公司 廣東珠海 519110

1 引言

半導體功率器件正在向著高度集成的方向發展，越來越多半導體功率器件中的芯片需要與引線框架進行鍵合。而鍵合質量作為評估半導體功率器件可靠性的重要指標，越來越受到半導體廠家的重視。封裝制程中評估鍵合質量的手段不斷發展，已經不局限于傳統的推拉力測試、彈坑實驗，而轉向運用統計制程管理SPC等過程工具的趨勢，因此在滿足基本鍵合強度的基礎上，如何進一步提高鍵合點外觀的一致性及穩定性，是目前本領域技術人員急需解決的問題。

2 技術背景

現有鍵合技術一般是采用引線鍵合機將芯片的電極與引線框架的引腳進行鍵合，即引線鍵合機中的超聲波發生器產生高頻信號，由換能系統將高頻信號轉換為高頻機械振動，在一定時間內將芯片的電極與引線框架的引腳鍵合形成共同結晶。目前用于承載引線框架的基塊均為金屬基座，金屬基座的鍵合區域用于承載引線框架，當引線框架在其上發生高頻機械振動時，往往使得引線框架在金屬基座上發生共振，進而造成鍵合點外觀毛刺（如圖1所示，以功率器件IGBT模塊封裝結構為例，圖中紅色標注部分為金屬基座鍵合點外觀上的毛邊），影響鍵合點質量。因此，如何有效地消除鍵合過程中引線框架與金屬基座間的共振，成為提升鍵合點外觀一致性的關鍵點。

3 改善方法

為了消除鍵合過程中引線框架與金屬基座產生的共振問題，經過多次試驗研究，提出防震基座的概念。采用防震基座替代金屬基座，引線框架則直接與防震基座接觸，當引線框架發生高頻機械振動時，引線框架與金屬基座之間的震動會被防震基座吸收，從而避免引線框架在金屬基座上發生位置偏移，影響鍵合質量。如此進行鍵合，可以有效的減少鍵合點結晶表面的毛刺，提高其外觀質量。

3.1 防震基座材質的選取

防震基座采用橡膠為減震的關鍵材料，橡膠既有高彈性又有高粘性，橡膠的彈性是由其卷曲分子構象的變化產生的，橡膠分子間相互作用會妨礙分子鏈的運動，又表現出粘性特點，以致應力與應變往往處于不平衡狀態。橡膠這種卷曲的長鏈分子結構及分子間存在的較弱的次級力，使得橡膠材料呈現出獨特的粘彈性能，因而具有良好的減震、隔音和緩沖性能。

橡膠作為防震基座的關鍵，必須選用合適厚度和硬度的橡膠，橡膠材質的厚度太厚或者硬度太軟，都會造成鍵合點的虛焊，反之，厚度太薄或者硬度太硬則會影響減震效果。因此，經過多次實驗總結得出，橡膠墊的厚度為1.55mm～1.65mm，邵氏硬度為64HA～66HA時，減震效果最佳，鍵合效果較好。另外，橡膠墊可以采用聚乙烯材質制作形成，其中聚乙烯的緩沖性能較好，適合制作橡膠墊。

3.2 防震基座的制作

以功率器件IGBT封裝結構為例，對OE7200HD鋁線鍵合設備的鍵合金屬基座進行改造優化。

圖1 金屬基座鍵合點外觀

圖3 防震基座裝配后示意圖

圖2 防震基座裝配示意圖

圖4 鍵合示意圖

（1）選取厚度為1.6mm、邵氏硬度（A）65度、背面帶有粘性、材質為氯乙烯的材料，并按照圖2中防震橡膠的形狀進行裁切，邊緣用鋒利的小刀去除毛刺，防震橡膠的面積必須覆蓋整個鍵合區域。

（2）制作如圖2所示的金屬基座，表面開槽的厚度為1.6mm，開槽的形狀及大小與防震橡膠一致，需保證開槽表面的平整度，以避免承載面不平導致鍵合不良。

（3）如圖3所示，貼付防震橡膠，將裁切好的防震橡膠帶有粘性的一面與金屬基座進行粘合，保證表面良好的平整度。以鑲嵌的方式將防震橡膠卡在槽中，可防止鍵合過程中的摩擦造成的移位，提高使用壽命。

（4）將裝配好的防震橡膠基座重新裝回鍵合設備的焊接區域。

（5）如圖4所示，裝配好的防震橡膠基座承載著整個引線框架的焊接區域，在鍵合過程中，可以吸收引線框架和金屬基座間的震動，使鍵合過程超聲波的輸出可以穩定作用在鍵合點上，以便形成良好的鍵合點。

（6）在同一種類型芯片、不同位置的鍵合點上，使用相同功率、壓力、鍵合時間等參數進行鍵合，并對鍵合后的樣品使用顯微鏡觀察外觀，可發現使用防震基座的鍵合點外觀（如圖5所示）明顯改善，且無毛刺。

圖5 防震基座鍵合點外觀

圖6 金屬基座壓扁寬度的過程能力

（7）使用測量顯微鏡測量鍵合點的壓扁寬度，并對壓扁寬度進行制程統計分析，采用金屬基座鍵合壓扁寬度CPK為1.37（如圖6），采用防震基座鍵合壓扁寬度的CPK提升至1.74（如圖7），達到預期鍵合點外觀一致性提升效果。

圖7 防震基座壓扁寬度的過程能力

4 總結

在半導體功率器件高度集成化的趨勢下，引線框架設計的復雜性逐漸提高，內部引腳間構造的差異性愈發明顯，而這種差異性引發鍵合過程中不同共振的程度和方式，最終影響鍵合點外觀的一致性，嚴重的會造成鍵合點外觀不良。鍵合點的壓扁寬度可以反映出鍵合強度的大小，這是一種非破壞性的檢測方式，采取防震基座替代傳統的金屬基座，解決了共振問題帶來的鍵合點外觀不一致的問題，使我們可以采取非破壞性的檢測手段，替代原有的破壞性推拉力測試等評估方法，用更科學的過程監測手段控制鍵合質量，為半導體功率器件的可靠性發展提供有利的技術支持。

[1] 王福亮, 韓雷, 鐘掘. 超聲功率對引線鍵合強度的影響[J]. 機械工程學報, 2007,3.

[2] 張玉奎. 半導體器件鍵合鋁絲的發展趨勢[J]. 輕合金加工技術,1994,5.

[3] 韓為民. 鍵合機中超聲波的基本控制原理及方法[J] 電子工業專用設備,2003,5.