功率晶体管封装中铜丝键合工艺的可靠性研究

摘要

铜丝键合技术由于其低成本、高性能的特点,在半导体的功率晶体管领域中已经逐渐替代金丝工艺在生产中批量运用。但是铜丝键合工艺在实际运用中易氧化,硬度大的问题还是影响着铜丝工艺的稳定性。为了加强铜丝键合技术的工艺宽容度,提高可靠性。本文在铜丝键合工艺和设备研究的基础上,重点在铜丝设备的工艺控制和芯片键合区铝层上进行分析和设计,同时对熔断电流下铜丝的热分布等引入了计算机辅助分析。为了便于说明铜丝的优异性能,把金丝键合作为对比研究对象引入了本文研究的范围。本论文的研究包括以下几个方面:(1)铜丝氧化问题的解决,确定了0.8L/min的FAB(Free Air Ball)保护气体流量。通过轨道的防氧化改造,使轨道温度升高40℃也没有发生氧化,提高了铜丝键合能力。分析了在FAB过程中,电流大小和放电时间与铜球大小成正比关系,并且电流大小起主要作用。(2)分析了在铜丝键合中虚焊和弹坑这两种失效模式的失效机理,得出这两种失效模式既相关联又相互矛盾。利用外观检验、引线拉力测试和铜球剪切力测试的方法对虚焊和弹坑进行键合工艺参数的比较选择,得出了小功率(40)大压力(90)的最佳参数组合。最后用FLOTHERM分析软件得出了熔断电流下铜丝的热分布模型。(3)为了设计出适合铜丝工艺的芯片,增强铜丝键合的工艺宽容度,通过大量试验对比分析,得出了4um的最佳铝层厚度,并确定了致密铝层的表面状态更适合铜丝工艺。对比得出了铝层下的硅基底材料比二氧化硅基底材料更耐铜球的冲击,不容易发生弹坑损伤。通过弹坑产生的机理分析,发现了二极管的方形结构区域要大于键合球直径的设计原则。(4)用150℃高温老化的方法模拟了加速寿命试验,通过对比正向压降的变化数值得出了铜丝正向压降随着老化时间的增加衰减速度比金丝慢。说明铜丝与铝层接触的界面要比金丝与铝层接触的界面要更可靠。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 课题研究的目的及意义

1.3 课题研究的主要内容

第二章 铜丝工艺的特点及参数优化

2.1 铜丝键合的发展

2.2 铜丝材料的特点

2.3 铜丝球焊工艺及机理

2.3.1 铜丝球焊设备的组成

2.3.2 球焊工艺的构成

2.3.3 超声焊接的机理

2.4 铜丝键合工艺的步骤

2.5 铜丝工艺的烧球

2.5.1 铜丝的FAB

2.5.2 电流对铜丝FAB 的影响

2.5.3 保护气体流量的关系

2.6 铜丝工艺的温度

2.7 球焊键合过程的机理分析

第三章 铜丝工艺的失效模式和失效机理

3.1 键合点检验方法

3.1.1 外观检验

3.1.2 键合拉力检验

3.1.3 键合剪切力检验

3.2 失效模式分析

3.2.1 虚焊失效模式

3.2.2 弹坑失效模式

3.2.3 铜丝断裂失效模式

3.2.4 打火失球分析

3.3 熔断电流分析

3.3.1 熔断电流的计算

3.3.2 熔断电流的软件仿真

第四章 芯片设计和制造工艺与铜丝可靠性的关系

4.1 芯片的结构和制造

4.2 键合区铝层的分析

4.3 键合铝层表面状态的分析

4.4 铝层下介质材料的分析

4.5 SIPOS 工艺和SiOxNy 工艺分析

4.6 发射极二极管的版图分析

4.6.1 二极管的作用介绍

4.6.2 版图改善分析

第五章 铜丝与铝层界面可靠性分析

5.1 键合点的可靠性问题

5.2 金-铝和铜-铝的金属化合物比较

5.3 金属间化合物生长速度分析

5.4 老化过程可靠性的对比

第六章 结论

致谢

参考文献