功率器件封裝中鋁引線焊點剝離失效機制研究

時間：2020-04-28作者：深圳市順昱自動化設備有限公司瀏覽：79

 摘要：比較回流焊前后兩組器件樣品的電學測量結(jié)果，并結(jié)合樣品的失效分析，發(fā)現(xiàn)引線框架氧化也是導致焊點剝離失效的一個重要因素，而且回流焊工藝下的熱機械效應，會加速原先潛在的焊點剝離失效的發(fā)生。樣品的連接性測試發(fā)現(xiàn)，在低峰值交流測試電壓下顯示開路，而高峰值測試電壓下顯示正常，可以將其歸結(jié)為典型的焊點剝離失效的測試現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)引線鍵合前的等離子清洗可以減少焊點剝離失效，并可使焊點的剪切強度提高25％。

Research on Failure Mechanism of Bonding Lift for Aluminum

Wire to Package of P0wer Devices

HE Lun-wen，ZHANG Lei，PAN Shao-hui，WANG Li-kang，ZHANG Wei

(ASIC & System state key lab,fudan University, 200433，China)

 

 Abstract：From electrical test results before and after IR reflow of two different group samples,coupled

 with devices failure analysis,it's found the oxidation of lead frame is an important factor for the mechanism of bonding lift,and the thermal mechanical effect in solder reflow can accelerate the occurrence of this potential failure.This kind of failure always demonstrates open in the condition of low peak ac voltage at open/short test,but normal in high peak voltage. Plasma cleaning before wire bonding process is effective to  reduce the occurrence of bonding 1ift,and the shear strength of welding point can be enhanced by 25% after it.

 Key words：power device;package;bonding lift;aluminum wire

 

 1     引言

功率電子的封裝正向著低成本、小尺寸、高性能以及高可靠性發(fā)展。**大部分功率電子產(chǎn)品的封裝內(nèi)互連依然采用了引線鍵合技術(shù)，同時和金線相比較，采用楔形焊技術(shù)的鋁線由于其成本優(yōu)勢應用也很普遍。S.Ramminger[1]和A.Hamidi[2]在功率IGBT封裝中，相繼發(fā)現(xiàn)了發(fā)生于鋁絲與芯片PAD處的焊點剝離失效，并從有限元熱機械應力模擬以及功耗循環(huán)可靠性測試方面，分析了材料的熱膨脹系數(shù)失配對失效的影響。生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，在板級封裝回流焊工藝后，器件鋁線與銅引線框架內(nèi)引腳焊點處也會經(jīng)常發(fā)生剝離。發(fā)生于回流焊后的失效，可認為是器件的早期可靠性問題，是由于器件封裝工藝條件不穩(wěn)定導致的焊點與引線框架黏附強度下降，但在封裝后自動化測試(final test)中很難檢測，而較終在回流焊的熱沖擊下體現(xiàn)了出來。本文從實驗中發(fā)現(xiàn)了銅引線框架氧化也是導致焊點剝離失效的一個重要因素，分析了回流焊前后焊點剝離失效在電測試中所體現(xiàn)出來的特殊現(xiàn)象，最后給出了相應的解決辦法。

 

2  實驗設計

實驗設計流程圖如圖1所示，其中A類銅引線框架置于清潔環(huán)境為10000級的封裝前道生產(chǎn)線中24 h使其表面發(fā)生明顯氧化；B類引線框架處于正常儲藏條件下。目的是為了在同一標準生產(chǎn)條件下(柵、源分別采用50，250μm 鋁引線，漏較是襯底，封裝形式為D-PAK)，比較回流焊前后不同的電性能。圖示儀常用來人工檢測樣品柵源引腳間連接是否良好?；亓骱盖皬膬深悩悠返倪B接性測量上看，并沒有反映出引線有開路.

 

 



 

圖1實驗設計流程

 

接著這20個樣品統(tǒng)一通過紅外回流焊爐，溫度曲線是根據(jù)C．Michael Gamer等人[3]提出的無鉛回流焊要求，峰值溫度為513 K?；亓骱负蟮倪B接性測量中發(fā)現(xiàn)，B類樣品都可以通過，但60％的A類樣品皆存在如下的測量現(xiàn)象(圖2)：在較低交流峰值電壓(4V)下測量顯示柵源間引腳連接開路，但當峰值電壓上升到6V左右時，顯示連接正接常，當再次降低峰值電壓時，依然顯示連接正常。實際上對于這些異常A類樣品，已經(jīng)表現(xiàn)出了不穩(wěn)定的電性能，根據(jù)生產(chǎn)線上的實際經(jīng)驗，當對這些樣品的引腳施以一定的作用力時，包括自動化測試設備的機械臂對引腳的作用力，都有可能使器件再次不能通過連接性測試。實驗中也發(fā)現(xiàn)，當對這些異常樣品引腳施以2 s的周期性作用力時，有5個樣品又重新在連接性測試中表現(xiàn)為回流焊后的結(jié)果，即低峰值電壓下開路，高電壓下正常。

圖3所示為對這些異常A類樣品進行化學開蓋分析具體的開路位置。為了防止開蓋過程對焊點有影響，在部分開蓋剛剛露出引線時，分別用探針檢測柵／源引線間以及柵／源引線與框架內(nèi)柵／源引腳間的連接性，發(fā)現(xiàn)是在柵引線與框架柵內(nèi)引腳間發(fā)生開路，而源引線連接良好。完全開蓋后，在SEM下觀測可明顯看到該處發(fā)生焊點剝離。圖3(a)中開路為柵引線與框架柵內(nèi)引腳間；正常為柵源引線間；短路為源引線與框架源內(nèi)引腳間。

 


 

 

3.  結(jié)果分析

由于采用氧化的引線框架導致較終樣品出現(xiàn)焊點剝離失效，說明氧化物的存在降低了焊點的黏附強度，所以保持引線框架表面清潔，防止氧化可以提高產(chǎn)品可靠性。

由回流焊前后A類樣品兩種不同的連接性測量結(jié)果可知，回流焊熱沖擊會加速原先潛在的焊點剝離失效的發(fā)生，即對于焊點黏附強度小的器件，回流焊下的熱張應力會**過其強度，導致失效。這是由于對于引線來說，其彎矩的作用本身就存在著剝離焊點的應力。在彈性應力范圍內(nèi)，可以用如下公式來描述界面的張應力[4]



 

 

式中：E為彈性模量；r為引線半徑；△a為熱膨脹系數(shù)差；T為溫度；L。是特征長度(與引線彎曲程序相關(guān))；tpad為PAD的厚度；RA為焊點變形部分寬度與厚度之比。從此公式中可知，張應力與熱膨脹系數(shù)差和溫度成正比，熱膨脹系數(shù)差反映的是材料間的熱失配程度，隨著溫度升高，應力會顯著增加，當增大到**過焊點黏附強度時，就會發(fā)生焊點剝離。另一方面，雖然公式中張應力也與引線發(fā)生焊點剝離，說明小半徑的引線焊點黏附強度也較小。

從電學測量結(jié)果可知，對于回流焊后的A類異常樣品，在連接性測試中表現(xiàn)出不穩(wěn)定的測量結(jié)果，即在低峰值交流電壓下(4 V)表現(xiàn)為開路，而當峰值電壓上升到6 V時測量結(jié)果又恢復正常，可以將其定義為典型的焊點剝離失效測量現(xiàn)象。這是因為焊點剝離是一種非常微弱的焊點開路失效機制，它強烈地依賴于外部作用“力”，即電學應力和機械應力。在高測量電壓下，短時間內(nèi)積累的熱量使焊點融化，可以消除焊點接觸面的部分缺陷，使得焊點看起來恢復正常，所以會在連接性測試下顯示為正常。但焊點這時候依然是很脆弱的，所以在周期性機械應力作用之后，測量結(jié)果又反映出焊點發(fā)生剝離。鑒于焊點剝離的連接性測量結(jié)果受各種因素制約，封裝后自動化測試中難以實現(xiàn)有效地檢測，所以必須在生產(chǎn)中嚴格控制工藝條件，保持引線框架表面清潔，防止氧化或者在引線鍵合工藝前增加清洗工藝。

 

4  等離子清洗對引線焊點的影響

等離子體清洗技術(shù)是近年來研究的熱點，很多文獻報道了金線球焊工藝前的等離子清洗可以有效提高焊點質(zhì)量[5-6]。對鋁引線楔形焊技術(shù)也不例外，去除引線框架表面氧化層，防止回流焊后的引線焊點脫離，對器件可靠性提高有著重要影響。實驗中采用氬氣等離子體清洗技術(shù)，因為氬離子的物理轟擊作用，不僅能夠有效去除引線框架表面氧化層，而且可以使表面粗糙[7]，進一步提高焊點黏附強度，并較終在焊點的剪切強度中體現(xiàn)出來。圖4 顯示了50μm 鋁線有／無等離子清洗兩種情況下焊點剪切強度的變化情況，可以看到等離子清洗后焊點剪切強度明顯增強，比無等離子清洗時的焊點剪切力上升25％，平均增幅達18．52g·f，而且引入等 離子體清洗工藝，重復實驗中的A類樣品，發(fā)現(xiàn)回流焊后并沒有出現(xiàn)焊點剝離現(xiàn)象.

 

 



 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5   結(jié)論

通過對鋁線焊點剝離失效機制的研究發(fā)現(xiàn)：①引線框架氧化也是導致焊點剝離失效的一個重要因素；②回流焊工藝下的熱機械效應，會加速原先潛在的焊點剝離失效的發(fā)生；③焊點剝離是一種非常微弱的焊點開路失效機制，低峰值交流電壓連接性測試下顯示開路，而高峰值電壓測試下顯示正常，是典型的焊點剝離失效的測試現(xiàn)象；④引線鍵合前的等離子清洗可以減少焊點剝離失效的發(fā)生，并可將焊點的剪切強度提高25％。

感謝fairchild(Suzhou)提供的支持與幫助。

 

參考文獻：

[1] RAMMINGER   S,TURKES P,WACHUTKA G.Crack mechanism in wire bonding joints [J]. Microelectronics Reliability 1998，38:1301-1305

[2] HAMIDI A,BECK N, THOMAS K, et al. Reliability and lifetime evaluation of  different wire bonding technologies for high power IGBT modules [J]. Microelectronics Reliability, 1991,39:1153-1158.

[3] GAMER C M,VIVEK G, VIVEK B, et al.Challenges in converting to lead-free electronics [C]// Electronics Packaging Technology Conference.2000:6-9.

[4] RAO RT,EUGENE JR.Microelectronics packaging handbook [M].New York:VNR,1997:407-408.

[5] LI Y Y,JOSEPH B B.Effect of the plasma cleaning process on plastic ball grid array package assembly reliability [J]. IEEE Transaction on Electronics Packaging Manufacturing ,2002,25(2):91-99

[6] WOOD L, FAIRFIEID C, WANG K. Plasma cleaning of chip scale packages for improvement of wire bond strength [C]// int’l symp on Electronic Materials & Packaging.2000:406-408

[7] 聶磊，蔡堅，賈松良．微電子封裝中等離子體清洗及其應用[J]．半導體技術(shù)，2004，29(12)：30—34．

 

諾發(fā)系統(tǒng)有限公司推出VECTOR Express

——PECVD薄膜工藝生產(chǎn)效率和技術(shù)良好者

 

2007年3月21日，中國上海-諾發(fā)系統(tǒng)有限公司(NOVELLUS)正式推出VECTOR Express?新產(chǎn)品。這是諾發(fā)公司300 mm PECVD平臺的較新增強版本，其工藝生產(chǎn)速度提高了40％，保持了業(yè)界良好的生產(chǎn)效率。此外，VECTOR Express還建立了薄膜工藝性能的新成員，使該設備能夠被延伸到45nm及以下工藝節(jié)點。

客戶評估結(jié)果顯示，將具備SmartSoak技術(shù)的VECTOR Express系統(tǒng)用于50 nmTEOS薄膜沉積時， 0.08μm大小的微粒缺陷水平是所有類似產(chǎn)品中較低的。進行4 nm柵側(cè)壁氧化膜沉積時，薄膜厚度控制水平在1個原子層之上，表明該系統(tǒng)在晶圓內(nèi)部以及晶圓與晶圓之間的薄膜厚度控制上具有非常出色的可重復性。

VECTOR Express采用了高精度和高速度的機械傳送零部件和晶圓自動監(jiān)測技術(shù)，使晶圓機械傳送和處理時間縮短了20％以上，采用**的材料傳輸新技術(shù)，進一步確保了該系統(tǒng)能夠被拓展到各  種薄膜沉積工藝中，2007年*2季度正式用于生產(chǎn)。

諾發(fā)于2000年推出VECTOR系統(tǒng)之后，徹底改變了300 mm PECVD市場。該系統(tǒng)能夠沉積**的雙嵌入式大馬士革結(jié)構(gòu)所需的各種電介質(zhì)薄膜，是大批量生產(chǎn)的可以選擇設備之一，也是裝機量較大的300 mm PECVD系統(tǒng)。該設備設計簡單，能夠確保系統(tǒng)具有較高的可靠性和正常工作時間。其占地面積只有競爭對手的2／3，大大節(jié)省了工廠潔凈室的地板空間。

諾發(fā)系統(tǒng)有限公司是**良好的半導體工藝設備供應商。通過創(chuàng)新性新技術(shù)的開發(fā)和值得信賴  的高生產(chǎn)效率的支持，該公司的產(chǎn)品能夠為客戶提供較大的應有**。諾發(fā)是一家標準普爾500指數(shù)公司，總部位于加州圣何塞，分支機構(gòu)跨越**各個國家和地區(qū)。

 


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• 功率器件封裝中鋁引線焊點剝離失效機制研究

  摘要：比較回流焊前后兩組器件樣品的電學測量結(jié)果，并結(jié)合樣品的失效分析，發(fā)現(xiàn)引線框架氧化也是導致焊點剝離失效的一個重要因素，而且回流焊工藝下的熱機械效應，會加速原先潛在的焊點剝離失效的發(fā)生。樣品的連接性測試發(fā)現(xiàn)，在低峰值交流測試電壓下顯示開路，而高峰值測試電壓下顯示正常，可以將其歸結(jié)為典型的焊點剝離失效的測試現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)引線鍵合前的等離子清洗可以減少焊點剝離失效，并可使焊點的剪切強度提高25％。 R