對使用銅絲鍵合的功率MOSFET進(jìn)行失效分析

Arthur Chiang David Le

開封問題

進(jìn)行失效分析要先打開零件，看是什么原因引起器件失效，主要問題就出在開封方法上。傳統(tǒng)的酸刻蝕開封方法并不適用于銅絲鍵合的產(chǎn)品，因?yàn)橄跛岬臒煔鈺?dǎo)致銅絲的快速刻蝕，即如圖1和圖2所示。

保持銅絲及鍵合的完整是不可或缺的。我們嘗試使用激光開封，去掉部分模塑料，再用酸刻蝕，露出晶片表面。發(fā)現(xiàn)這樣對銅絲和鍵合造成的破壞最小。

使用這種方法開封的器件見圖3。圖中顯示，銅絲和鍵合均完好無損，但有時化學(xué)處理可能正好洗掉失效的根源，所以，如果可能應(yīng)以離子束代替酸刻蝕。

銅絲鍵合和金屬層的殘留鋁

完整露出銅線后還需要對銅絲鍵合進(jìn)行研究，以便確定鍵合下金屬層的厚度。銅絲鍵合下面鋁層的最小厚度是影響銅絲鍵合產(chǎn)品的長期可靠性的關(guān)鍵因素。要詳細(xì)分析銅絲鍵合工藝的去況，聚離子束（FIB）是必不可少的失效分析工具。

我們開發(fā)了先平行拋光再用聚離子束橫切分析的方法，設(shè)計(jì)出一種不使用酸藥劑的失效分析工藝。圖5顯示，對模塑料進(jìn)行平行拋光，露出了晶片表面。因?yàn)樵谠瓉淼钠骷芯诺母叩筒皇呛芷秸宰笊辖且崖冻?，但有一層薄薄的模塑料還覆蓋著晶片的右下角。

圖5對模塑料進(jìn)行平行拋光。晶片（die）的高低相對于框架不是很平整，使得晶片的左上角先露了出來。

圖6和圖7顯示的是銅絲鍵合的聚離子束橫切面的照片，照片顯示殘留鋁的最薄厚度是0.125um。這種鍵合是必須避免的，但如果沒有很好的分析技術(shù)，就很難察覺。

采用化學(xué)刻蝕的辦法，能夠更快地測量出銅絲鍵合下面鋁層的厚度，只把銅絲和鍵合腐蝕掉，同時完整無損地保留下面的鋁層，就可以進(jìn)行聚離子束的橫切面分析。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能看到整個晶片表面的所有銅絲鍵合，這樣就可以選擇合適的鍵合進(jìn)行分析。

圖8顯示的是用酸刻蝕后的晶片表面。圖9顯示的是涵蓋一個鍵合區(qū)域的聚離子束橫切面。注意，從這幅圖上可以清楚地看到最上面鋁金屬層，鍵合造成周圍溢出了一些鋁，這表明最上面的金屬表面未曾受損。

采用傳統(tǒng)的機(jī)械研磨的方式暴露出引線鍵合的橫切面，在銅鍵合和鍵合下面金屬的交界處，經(jīng)常會發(fā)生銅膠著于表面的情況。先研磨，再用聚離子束進(jìn)行精細(xì)拋光，就可以解決這個問題，如圖10和圖11所示。

案例研究一

首先，我們研究一組用銅絲鍵合的MOSFET，經(jīng)過1000次的溫度循環(huán)后，呈現(xiàn)高阻失效狀態(tài)。要找到失效原因，需要對銅線兩端進(jìn)行仔細(xì)的檢查。首先，我們先用激光開封，把釘架上銅鍵合露出來，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的酸開封很容易損壞這些鍵合的緣故。

圖12和圖13顯示的是激光開封后露出來的釘架上銅鍵合。電子顯微鏡檢查發(fā)現(xiàn)，在MOSFET的釘架上的鍵合上有裂縫，這可能是導(dǎo)致不正常的高阻值的主要原因。

接下來，我們先用機(jī)械研磨的方式至銅絲鍵合的中間位置成一橫切面，檢查銅絲鍵合和晶片金屬交界面，然后再進(jìn)行聚離子束精細(xì)拋光，去掉研磨表面或有膠著的部分，電子顯微鏡顯示了銅絲和晶片金屬層之間的交界面。

檢查完銅絲鍵合和釘架鍵合，我們認(rèn)為高阻值失效是由釘架銅鍵合中的裂縫引起的。

在Vishay高可靠性銅絲鍵合工藝的開發(fā)和優(yōu)化過程中，失效分析對確定鍵合工藝參數(shù)發(fā)揮了重要作用。失效分析技術(shù)對幫助我們確定銅絲鍵合下面殘留鋁的厚度，并據(jù)此得出最理想的鍵合參數(shù)。表1顯示的是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)中對銅絲鍵合參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，覆蓋到一組正常值周圍的一些參數(shù)值。

注意，這些參數(shù)的絕對值因鍵合機(jī)種而異，數(shù)值大小只是具有相對意義。

我們使用30℃、濃度63%的硝酸，去掉銅絲鍵合，沒有破壞下面的鋁層。然后用聚離子束（FIB）橫切面技術(shù)分析，查明在銅絲鍵合下面最薄的剩余鋁層。

圖16顯示，在Leg A1上，銅鍵合下面剩余鋁的厚度大約是2.06 um。圖17顯示，在Leg A4上，銅鍵合下面剩余鋁的厚度大約是3.97um。我們用剩余鋁的最薄厚度作為過鍵合的安全裕量的指示器，發(fā)現(xiàn)減少基本功率能夠大幅降低銅絲過鍵合的風(fēng)險(xiǎn)。我們認(rèn)為，一組優(yōu)化的鍵合參數(shù)應(yīng)當(dāng)提供良好的鍵合完整性，而且不會產(chǎn)生過鍵合。