鍵合鋁線特性及提高鍵合可靠性方法

黃全全，王 立，柴 駪

（南瑞聯(lián)研半導(dǎo)體有限責(zé)任公司，江蘇南京211000）

0 引言

長期以來，由于其特殊的工作環(huán)境，對功率器件和電子元器件長期質(zhì)量可靠性要求越來越高，其鍵合系統(tǒng)的失效是影響功率器件和電子元器件可靠性的重要因素之一［1］。因此，迫切需要分析影響鍵合鋁線及摻雜鋁線的特性，并采取有效措施提高鍵合質(zhì)量的方法。

1 鍵合鋁線特性與熔斷電流

鍵合鋁線按線徑分為細(xì)鋁線和粗鋁線，細(xì)鋁線線徑為0.7～4英寸，粗鋁線線徑為5～20英寸。按成分分為純鋁、鋁-硅、鋁-鎂、鋁-銅等，目前，一般在引線中添加50萬分之一的Ni元素，以減少封裝材料對引線的腐蝕。

1.1 鍵合粗鋁線化學(xué)組成成分的鋁線的特性

純鋁粗鋁線的綜合特性如表1—2所示。表1為不同線徑的粗鋁線的機(jī)械特性。

表1 純粗鋁線機(jī)械特性

表2 Al-0.5%Mg粗鋁線機(jī)械特性

為了提高鋁線的疲勞強(qiáng)度，一般會在鋁線中添加0.5%的Mg。表2為Al-0.5%Mg鋁線的機(jī)械特性。

表3為純Al線以及Al-0.5%Mg線的熱學(xué)和電學(xué)特性。

從表1—3可知，鍵合粗鋁線中摻雜一些其他的元素。從表3可知，如Al-0.5%Mg，只是改變了鋁線力學(xué)方面的性能，對電學(xué)和熱學(xué)的影響可忽略。從表1、2中得出，加入0.5%Mg后鋁線的延伸率和斷裂載荷大大提升，從而改善了鋁線的抗疲勞性。

1.2 不同線徑鍵合鋁線的熔斷電流計(jì)算及分析

公式（1）為對于不同線徑鋁線熔斷電流的計(jì)算公式：

表3 純Al線及Al-0.5%Mg線的熱學(xué)及電學(xué)特性

If:Fusing current(A)Tf:Time to fuse open a wire(sec)

d0:Diameter of wire(mm) I0:Loop Length(mm)

We defined If calculated at t=∞as permissible current.

除了這種公式之外還有一種更為普遍和常見的計(jì)算Au/Cu/鋁鍵合線熔斷電流的通用計(jì)算公式“Preece equation”，如公式（2）所示：

D=wire diameter in inches I=DC or rms current

For bonding wires in plastic packages

A=30 000 for Gold or Copper with a bond to bond length≤1 mm

A=20 500 for Gold or Copper with a bond to bond length＞1 mm

A=22 000 for Aluminum with a bond to bond length≤1 mm

A=15 200 for Aluminum with a bond to bond length＞1 mm

通過公式（2）得出的不同鍵合材料與鍵合線徑熔斷電流的計(jì)算公式，代入公式。A=22 000（L＜1 mm）或者A=15 200（L＞1 mm）計(jì)算出幾種比較常見的鋁線線徑的過電流能力的大小。圖1為通過公式（2）粗略計(jì)算出的幾種最常見的鋁線線徑的過電流能力圖。

從圖1中可以直觀看出，不同鍵合線徑的鋁線過電流能力的大小。隨著鍵合鋁線線徑的加大，過電流能力逐漸增強(qiáng)。相同線徑下，鍵合線的長度越長，過電流能力越弱。并且根據(jù)公式（1）也可以同樣得出，相同線徑下，隨著鍵合鋁線的加長，鍵合鋁線過電流能力逐漸減小。

圖1 不同線徑鍵合鋁線的過電流能力

2 改進(jìn)鍵合質(zhì)量，提高可靠性措施

2.1 嚴(yán)格控制芯片、鋁線的檢驗(yàn)和殼體、DBC鍵合強(qiáng)度檢測

從芯片源頭上控制：首先在芯片制造過程中，由于濺射的鈍化膜致密，干法刻蝕時(shí)不宜刻蝕干凈，容易存留夾層，因此在半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)過程中，應(yīng)該及時(shí)徹底清除光刻膠和窗口鈍化膜。

從鋁線上控制：從材料學(xué)的觀點(diǎn)上來看，不同類別的鋁線與其性能特點(diǎn)有一定的對應(yīng)關(guān)系。不同類型的鋁線有不同的焊接方法和條件，因此鋁線材料的性能和組成也是影響鍵合質(zhì)量的重要因素。

從殼體上控制：殼體供應(yīng)商在殼體電鍍完畢后，應(yīng)及時(shí)將電鍍液徹底清洗干凈，并且首先從外觀上目檢就要滿足電鍍端子黑亮，殼體買回來后應(yīng)盡快做驗(yàn)證，對不合格的殼體應(yīng)該剔除。

從DBC上控制：DBC來料之后，要及時(shí)進(jìn)行鍵合強(qiáng)度檢測并進(jìn)行破壞性拉力試驗(yàn)，對DBC表面進(jìn)行可靠性評估。

2.2 鍵合工具的清潔與保護(hù)

定期對鍵合工具進(jìn)行超聲清洗處理，可去除焊具表面和其他清洗方法難以達(dá)到的夾縫和其他區(qū)域污染物。鍵合劈刀的安裝位置要準(zhǔn)確，要達(dá)到劈刀口、切刀和導(dǎo)線器的導(dǎo)線口在一條直線上，并且距離合適。鍵合切刀也要定期更換，長期地使用切刀，切刀口會鈍化和磨損，切刀也要定期進(jìn)行清洗。導(dǎo)線器是最容易損耗的，所以每次鍵合之間要進(jìn)行檢查，是否導(dǎo)線器有損壞。

為了在鍵合點(diǎn)處形成可靠的連接，鍵合時(shí)界面的清潔度十分重要。在一些外國文獻(xiàn)上介紹的國外部分器件，要求鍵合前進(jìn)行等離子清洗，此方法采用大功率的RF源將氣體轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體，高速氣體離子轟擊鍵合區(qū)表面，通過與污染物分子的結(jié)合或者使其物理分裂而將污染物濺射除去［2］。在鍵合前，有必要對芯片以及厚膜鍵合區(qū)進(jìn)行等離子清洗，它能夠大大提高鍵合的可靠性和成品率。鋁線如果有任何微小的缺陷也會給鍵合帶來問題，所以對鍵合鋁線應(yīng)采取一些清潔保護(hù)措施。

2.3 控制鍵合工藝參數(shù)，改善工藝窗口

超聲鍵合的最佳鍵合狀態(tài)主要是由壓力、時(shí)間和功率3種工藝參數(shù)是否匹配決定的［3］。可以通過調(diào)整各項(xiàng)工藝參數(shù)，測試鍵合強(qiáng)度，同時(shí)要對鍵合失效模式進(jìn)行分析，如此反復(fù)試驗(yàn)，得到最優(yōu)鍵合參數(shù)。對焊點(diǎn)的破壞性拉力試驗(yàn)是鍵合可靠性評估的有效工具。但是為了更好地優(yōu)化工藝參數(shù)，有必要在熱老化試驗(yàn)后將破壞性拉力試驗(yàn)和焊點(diǎn)的接觸電阻的測試聯(lián)合起來，對整體的鍵合系統(tǒng)進(jìn)行可靠性的評估。