鋁線楔形焊接工藝中鋁屑的產(chǎn)生原因研究

吳秀謙，李 路，王鶴林

（恩智浦半導(dǎo)體（中國(guó)）有限公司，天津 300385）

在現(xiàn)在的集成電路封裝中，為了確保實(shí)現(xiàn)芯片與外部之間的輸入/輸出信號(hào)暢通，封裝內(nèi)部芯片之間以及和外部管腳的連接是封裝過程中的重要步驟，引線鍵合工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，適用多種封裝形式，是半導(dǎo)體器件內(nèi)部連接的主導(dǎo)技術(shù)[1]。因粗鋁線可以承載大電流，鋁線的超聲楔形焊接這種引線鍵合方式被廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體功率器件內(nèi)部連接中[2-4]。鋁屑的產(chǎn)生是鋁線超聲楔形焊接中一個(gè)普遍問題，漂浮在芯片表面的鋁屑在移動(dòng)和封裝過程中有搭接到相鄰引線的風(fēng)險(xiǎn)，可引起器件短路，從而造成器件失效。本文對(duì)鋁線超聲楔形焊接過程中鋁屑產(chǎn)生的原因進(jìn)行調(diào)查研究，從而為解決鋁屑問題及提高芯片封裝良品率提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 鋁屑產(chǎn)生原因分析

本文研究對(duì)象是采用ESOIC 32管腳封裝形式、直徑為10 mils（0.254 mm）的摻鎳粗鋁線，LFET的wafer技術(shù)并且鍵合界面的鋁層厚度為36 kA?，焊接機(jī)器鍵合方式為超聲振動(dòng)楔形焊接。鋁屑通過楔形焊接制程后的AOI（Automated Optical Inspection）機(jī)器進(jìn)行檢測(cè)，鋁屑（Unit level）比率為1 200×10-6。

1.1 粗鋁線超聲振動(dòng)楔形焊接過程介紹

鋁線的超聲振動(dòng)楔形焊接過程主要涉及三個(gè)工具的使用，即劈刀、導(dǎo)線器、切刀，如圖1所示。在焊接過程中，由焊線機(jī)器產(chǎn)生超聲振動(dòng)并且傳導(dǎo)到劈刀，鋁線被卡在劈刀的楔形槽內(nèi)，通過超聲振動(dòng)在芯片的鍵合界面對(duì)鋁線進(jìn)行焊接，在焊頭的動(dòng)作下，鋁線通過導(dǎo)線器拉線弧到管腳位置，以完成第二點(diǎn)的焊接，然后向后移動(dòng)出切刀切割鋁線的余量后，完成切割鋁線動(dòng)作，最后轉(zhuǎn)入下一根線的焊接動(dòng)作，具體焊接流程如圖2所示。

圖2 不同Cut XY1設(shè)置對(duì)應(yīng)下一焊點(diǎn)的變形形狀和側(cè)邊刺突比率

圖1 鋁線楔形焊接工具

圖2 鋁線楔形焊接流程

1.2 鋁屑產(chǎn)生原因研究

1.2.1 鋁屑類型分析

在正常生產(chǎn)中，通過AOI機(jī)器對(duì)總共30批次（4 400 units/lot）的產(chǎn)品進(jìn)行光學(xué)高倍100%檢查，然后對(duì)檢測(cè)出的157個(gè)（units）鋁屑次品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸類分析，如下頁表1所示。鋁屑分為三種類型，比例最高的類型是焊點(diǎn)側(cè)邊刺突，占比76%；第二種類型是焊點(diǎn)頭部刺突，占比18%；第三種是芯片表面的微細(xì)鋁屑，占比6%。而在內(nèi)部芯片封裝中，線和線之間的最小間距是2 mils（50.8 μm），第三種類型的微細(xì)鋁屑最大長(zhǎng)度＜2 mils（50.8 μm），且占比也偏小，因此本文重點(diǎn)對(duì)前兩種類型（占比94%）的鋁屑進(jìn)行深入研究。

表1 鋁屑?xì)w類分析

1.2.2 焊點(diǎn)側(cè)邊刺突鋁屑分析

鋁線焊接是通過劈刀的楔形槽對(duì)鋁線進(jìn)行超聲振動(dòng)焊接，如圖3所示。通過次品共性分析，發(fā)現(xiàn)側(cè)邊刺突都是發(fā)生在劈刀楔形槽對(duì)應(yīng)鋁線上的焊接區(qū)域，并且都在焊接區(qū)域的前1/3處，如圖4所示。

圖3 劈刀焊接鋁線示意圖

圖4 側(cè)邊刺突位置分析

在焊接過程中，側(cè)邊刺突發(fā)生位置相對(duì)應(yīng)的區(qū)域是劈刀的前角位置，如圖5所示，通過掃描電鏡對(duì)刺突位置的鋁線變形狀態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鋁線斜下方有被劈刀前角刮蹭痕跡，如圖6所示。針對(duì)劈刀楔形槽前角刮蹭鋁線的產(chǎn)生原因，對(duì)焊點(diǎn)在焊接區(qū)域的鋁線變形厚度的狀態(tài)做進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)在焊點(diǎn)頭部區(qū)域，即刺突發(fā)生位置，鋁線變形厚度有凹陷趨勢(shì)，如圖7所示。焊點(diǎn)頭部區(qū)域的鋁線變形厚度凹陷，說明劈刀楔形槽在焊接過程中同時(shí)對(duì)鋁線產(chǎn)生了縱向的摩擦，劈刀前角在凹陷坡度區(qū)域縱向刮蹭鋁線，從而導(dǎo)致鋁線撕裂，形成側(cè)邊刺突。

圖5 焊點(diǎn)側(cè)邊刺突發(fā)生位置對(duì)應(yīng)劈刀位置

圖6 刺突位置鋁線變形形狀分析

圖7 焊點(diǎn)變形厚度狀態(tài)分析

對(duì)于上述鋁線變形厚度在頭部區(qū)域的凹陷情況，對(duì)芯片鍵合位置焊接前鋁線線尾在劈刀楔形槽內(nèi)的狀態(tài)做進(jìn)一步分析。根據(jù)圖8管腳位置焊接后切刀切割鋁線示意圖，在完成管腳位置焊接后，焊接工具后移一段距離CutXY1，然后切割鋁線，在芯片鍵合位置預(yù)留下一根線要焊接的線尾，如圖9所示。因?yàn)樵诠苣_位置焊接后，往后移動(dòng)Cut XY1距離的過程中，鋁線受到拉伸力而使得鋁線拉伸變細(xì)，在Cut XY1的前2/3區(qū)域，鋁線的直徑從細(xì)變粗，到達(dá)最后1/3區(qū)域的時(shí)候，又恢復(fù)到線的原始直徑10 mils（0.254 mm）。在完成移動(dòng)Cut XY1距離后，由切刀切割鋁線，預(yù)留下一焊點(diǎn)的線尾，同時(shí)發(fā)現(xiàn)預(yù)留下一焊點(diǎn)在劈刀楔形槽內(nèi)線尾中，有一部分（頭部區(qū)域）是已被拉神變細(xì)的鋁線。因此，由于劈刀楔形槽內(nèi)線尾在頭部變細(xì)，在焊接過程中施加超聲振動(dòng)，劈刀楔形槽摩擦鋁線，劈刀楔形槽前角刃口會(huì)在變細(xì)鋁線的坡度上產(chǎn)生縱向的摩擦，從而導(dǎo)致撕裂，形成側(cè)邊刺突鋁屑。

圖8 管腳位置焊接后切刀切割鋁線示意圖

圖9 切刀切割鋁線后預(yù)留劈刀楔形槽內(nèi)部線尾

設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)如下頁圖10所示，在焊接管腳位置后，對(duì)比不同Cut XY1距離對(duì)劈刀楔形槽內(nèi)線尾形狀的影響，目前Cut XY1設(shè)置為650 μm，對(duì)應(yīng)劈刀楔形槽內(nèi)線尾直徑的粗細(xì)程度不一致（在劈刀前角刃口位置鋁線偏細(xì)）。將Cut XY1增大到750 μm，劈刀楔形槽內(nèi)部線尾就避開了被拉伸變細(xì)鋁線部分，劈刀楔形槽內(nèi)線尾直徑一致。然后在Cut XY1設(shè)置為650 μm和750 μm情況下，分別生產(chǎn)10個(gè)批次（4 400 units/lot）產(chǎn)品，并檢查下一焊點(diǎn)的鋁線變形狀態(tài)和側(cè)邊刺突比率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在Cut XY1為750 μm時(shí)，焊點(diǎn)的鋁線變形厚度在焊接區(qū)域一致，側(cè)邊刺突（unit level）比率為0，相較于現(xiàn)在將Cut XY1設(shè)置為650 μm的情況，改善效果明顯，如表2所示。因此Cut XY1的設(shè)置會(huì)影響下次焊接前線尾在劈刀楔形槽內(nèi)的形狀，從而影響焊接的狀態(tài)，以及焊接前劈刀楔形槽內(nèi)鋁線直徑的不一致（劈刀前角區(qū)域鋁線已被拉伸變細(xì)），在焊接過程中劈刀的楔形槽前角會(huì)在變細(xì)鋁線的坡度上產(chǎn)生縱向的摩擦，從而導(dǎo)致撕裂，形成側(cè)邊刺突鋁屑。

圖10 不同Cut XY1距離（650 μm及750 μm）對(duì)應(yīng)下一點(diǎn)焊點(diǎn)前線尾在劈刀楔形槽內(nèi)形狀

1.2.3 焊點(diǎn)頭部刺突鋁屑分析

在焊接過程中，管腳位置完成焊接后，焊接工具（劈刀，切刀，導(dǎo)線器）后移Cut XY1的距離后切斷鋁線，切后的線尾被焊接到芯片鍵合位置，在芯片鍵合焊點(diǎn)的頭部發(fā)現(xiàn)刺突，如圖11所示。在頭部刺突相對(duì)應(yīng)的切刀切割鋁線斷裂面，即管腳位置的鋁線斷裂面同樣發(fā)現(xiàn)刺突。通過電鏡分析，在切刀切割后的切槽處，產(chǎn)生了堆積的鋁屑，其中剝落的鋁屑大小為3~9 mils（76.2~228.6 μm），形狀與前述的頭部刺突鋁屑基本一致，如圖12所示。

圖11 焊接過程中的頭部刺突

圖12 切刀切割鋁線后切槽處堆積鋁屑

在切刀切槽處堆積的鋁屑是由切刀在切割過程中鋁線擠壓到切槽處造成的，如圖13所示。切斷鋁線后，在切槽處堆積的鋁屑被粘連到線尾，然后帶有鋁屑的線尾被焊接到芯片鍵合位置，如下頁圖14所示。分析不同類型切刀在切槽處的鋁屑堆積/撕裂狀態(tài)，共有3種類型，類型一是現(xiàn)在生產(chǎn)用的刀型，在切槽處有堆積/撕裂鋁屑，類型二為單刃口并且刀鋒角度更小，類型三為雙刃口刀型。類型二和三在切槽處沒有發(fā)現(xiàn)鋁屑堆積/撕裂情況，如下頁圖15所示。因此，不同切刀刀鋒設(shè)計(jì)影響著在切槽處的鋁屑堆積/撕裂狀態(tài)，切槽處堆積的鋁屑被粘連到線尾，然后帶有鋁屑的線尾被焊接到芯片鍵合位置，從而影響芯片鍵合位置焊點(diǎn)的頭部刺突狀態(tài)。

圖13 切刀切割處擠壓鋁線形成鋁屑

圖14 切刀切槽處鋁屑粘連到線尾被焊接到芯片鍵合位置

圖15 不同類型切刀在切槽處鋁屑堆積狀態(tài)

2 結(jié)論

1）對(duì)鋁屑次品進(jìn)行歸類分析，將鋁屑分為三種類型，比例最高的類型是焊點(diǎn)側(cè)邊刺突，占比76%；第二種類型是焊點(diǎn)頭部刺突，占比18%；最后一種是在芯片表面的微細(xì)鋁屑，占比6%。并對(duì)前兩種鋁屑類型進(jìn)行原因調(diào)查研究。

2）針對(duì)焊點(diǎn)側(cè)邊刺突鋁屑產(chǎn)生原因進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在完成管腳位置焊接后，焊接工具后移距離的大小會(huì)影響切割鋁線后線尾在劈刀楔形槽的形狀，芯片鍵合位置焊接前劈刀楔形槽內(nèi)線尾的直徑不一致（部分區(qū)域被拉伸變細(xì)）會(huì)導(dǎo)致在焊接過程中劈刀的楔形槽前角在變細(xì)鋁線的坡度上產(chǎn)生縱向的摩擦，從而導(dǎo)致撕裂，形成側(cè)邊刺突鋁屑。

3）針對(duì)頭部刺突鋁屑產(chǎn)生原因進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，不同切刀刀鋒設(shè)計(jì)影響在切槽處的鋁屑堆積/撕裂狀態(tài)，切槽處堆積的鋁屑被粘連到線尾，然后帶有鋁屑的線尾被焊接到芯片鍵合位置，從而影響芯片鍵合位置焊點(diǎn)的頭部刺突狀態(tài)。

4）此次對(duì)鋁屑產(chǎn)生原因的研究成果，為解決鋁線超聲楔形焊接過程中鋁屑產(chǎn)生問題，及提高芯片封裝良品率提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。