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《芯片設(shè)計與制造對銅絲鍵合工藝影響研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、芯片設(shè)計與制造對銅絲鍵合工藝影響研究 【摘要】以實際案例為基礎(chǔ)分析，從三極管芯片設(shè)計和制造上解決銅絲鍵合工藝容易造成芯片彈坑損傷的問題?！娟P(guān)鍵詞】銅絲鍵合彈坑芯片結(jié)構(gòu)1概要在半導體銅絲鍵合工藝中討論最多的都是在封裝鍵合領(lǐng)域內(nèi)討論如何改進設(shè)備，材料和工藝方法去匹配銅絲工藝，提升銅絲工藝的可靠性和實用性，但很少有討論在芯片設(shè)計和制造方面能做多少改進。本文重點分析芯片設(shè)計制造對銅絲工藝的的影響。從銅絲鍵合工藝主要的失效分析統(tǒng)計來看，銅絲工藝在鋁層彈坑損傷上要比金絲工藝嚴重得多。彈坑損傷在封裝工藝上總存在工藝寬容度窄，控制難度高的問題，容易影響三
2、極管的良品率和可靠性。所以改進的目標就定在如何能把芯片鍵合區(qū)設(shè)計成能經(jīng)受住銅絲鍵合高強度沖擊而又不容易發(fā)生彈坑損傷或是能夠緩沖銅絲鍵合沖擊應力的鍵合區(qū)結(jié)構(gòu)上。2鍵合區(qū)鋁層的分析6鍵合區(qū)鋁層是的主要作用是芯片電極的引出，作為芯片與銅線連接的地方，連接的好壞關(guān)系到芯片的電參數(shù)能否可靠輸出。鋁層除了起到連接作用外，在焊線鍵合當中還起到一個關(guān)鍵的緩沖作用。因為鋁金屬硬度比金，銅都低，所以在鍵合過程中，鋁層像一張“海綿墊子”一樣鋪在材質(zhì)脆弱的硅片上面，這樣當堅硬的銅球快速打在硅片上時，巨大能量和作用力才不能直接接觸硅片，而是大部分被鋁層吸收消化掉了。
3、這個過程即完成了銅球與鋁層的連接，也保護了易碎的硅片表面基本不受損。要是想減少銅球?qū)π酒膿p傷，增加鋁層厚度是最有效最直接的辦法。鋁層厚度增加后肯定能吸收更多的能量，起到更好的緩沖作用。為了確定鋁層厚度增量，在原鋁層3um厚的基礎(chǔ)上用三個型號芯片各做出增量0.5um一檔的四種厚度的實驗片，分別為3.5um，4um，4.5um，5um。芯片的型號也是生產(chǎn)中銅絲工藝彈坑出現(xiàn)比較多的BUL4XXA，BUL4XXB和BUL4XXC。再把幾種芯片在同等封裝工藝條件下進行銅絲鍵合對比。判斷的方法是看在設(shè)備的最小允許工藝條件下哪一個鋁層厚度的芯片彈坑出現(xiàn)
4、的比例最少或是沒有。分3組試驗，每組各型號厚度樣品各20個（如圖1，2，3）。綜合三組試驗的結(jié)構(gòu)來看，鋁層的增加的確能降低芯片彈坑的產(chǎn)生數(shù)量，不同型號的芯片抵抗彈坑的能力有不一樣，所以會存在差異，但是總的趨勢是一致的。3鍵合鋁層表面狀態(tài)的分析6芯片鋁層的表面狀態(tài)主要是指鍵合區(qū)鋁層的光滑和粗糙程度，通俗叫法為粗糙度，用可測量的表達就是鋁層表面的反射率。反射率是通過儀器測量鋁層表面對光束的反射能力，表面光滑反射的光就多，反射率就大，反之表面粗糙反射光就少，反射率就小。由于芯片制造工藝控制的差異，還有就是芯片設(shè)計的差異，在鋁層表面會出現(xiàn)如圖1的這
5、種差異。a圖屬于鋁層粗糙度很高的狀態(tài)，它的反射率測試是38；b圖屬于粗糙度中等的狀態(tài)，它的反射率測試是98；c圖屬于粗糙度最低的狀態(tài)，表面接近鏡面，它的反射率測試是233。從三幅圖片直觀的看出，同一款芯片的鋁層表面狀態(tài)差異還是非常大的。為了確認這三種狀態(tài)的芯片鋁層抗銅絲鍵合沖擊的能力，也和前面的實驗一樣，在同等條件下做彈坑試驗。試驗結(jié)果得出，圖1-c的鋁層狀態(tài)在各種芯片上的表現(xiàn)都要優(yōu)于其他兩種狀態(tài)的鋁層，抗銅絲球沖擊的能力明顯更強。找出了更適合銅絲工藝的芯片鋁層表面狀態(tài)，需要從機理上分析原因。鋁層反射率高，說明它的鋁層表面更光滑，圖2是在顯
6、微鏡下放大100倍后的鋁層表面狀況，2-a圖為反射率低的鋁層，可以看到表面鋁層的顆粒比較大，突起也比較多，像平整但不齊的“沙地”；而2-b圖為反射率高的鋁層，可以看到表面鋁層的顆粒要比2-a圖的細膩很多，也看不到明顯的突起，呈現(xiàn)出鋁金屬的銀白色光澤。6從光學原理來看，2-a圖顆粒大的鋁層由于表面凹凸不平，光線射到表面發(fā)生漫反射，從上面直射的光會向四面八方散射，從顯微鏡上看要暗一點；2-b圖顆粒細，能組成統(tǒng)一光滑的平面，直射的光線在它表面發(fā)生鏡面反射，從顯微鏡看光線就很充足會亮一點。由于鋁層是通過金屬進行高溫蒸發(fā)制作上去的，在同等條件下，顆粒
7、小的鋁層結(jié)合得會更緊密，鋁金屬的質(zhì)地就更堅實。所以從這里分析看，致密的鋁層之所以耐沖擊能力要強一些，主要靠的就是致密的鋁層對銅絲球的沖擊力提供了更為可靠的緩沖，而疏松的鋁層抵御沖擊的能力要差。為了證實鋁層致密性的差異，從鍵合原理分析，致密的鋁層應該和銅球的鍵合會更緊密。為了驗證假設(shè)的結(jié)果，還做了致密鋁層和疏松鋁層的焊球剪切力對比。在同一條件下對比結(jié)果如下（如表4）：試驗的假設(shè)明顯成立，所以致密的鋁層不僅有很強的抗銅絲沖擊的能力，而且還能提高銅絲球的鍵合強度。4鋁層下介質(zhì)材料的分析6在試驗過程中發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象，就是有部分型號的芯片有彈坑損傷總出
8、現(xiàn)在發(fā)射極壓焊區(qū)一邊的現(xiàn)象。從這個現(xiàn)象判讀，芯片兩個壓焊區(qū)直接存在著某個方面的差異。用出現(xiàn)這個現(xiàn)象最明顯的芯片BUL4XXB來對比。在統(tǒng)計的100個發(fā)生彈坑的樣本中，發(fā)射級E區(qū)有
