國(guó)內(nèi)外銅線鍵合拉力試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

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張秋?閆美存

中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院

摘要：

為滿足銅線鍵合拉力試驗(yàn)需求，從拉力施加位置、失效模式分類、最小拉力值以及試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用等4 個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)外銅線鍵合拉力試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比分析，并提出國(guó)內(nèi)試驗(yàn)方法的修訂建議。

1?鍵合拉力試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

半導(dǎo)體器件需要利用引線鍵合方式實(shí)現(xiàn)芯片與基底或引線框架的電氣連接，引線鍵合的質(zhì)量直接影響器件的性能和可靠性，因此半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)過(guò)程以及鑒定檢驗(yàn)中，需要抽取一定數(shù)量的樣品進(jìn)行破壞性鍵合拉力試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)鍵合工藝的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的內(nèi)引線主要是金線和鋁線，為降低成本，業(yè)界開(kāi)發(fā)了銅線鍵合工藝，經(jīng)過(guò)近 20 年的發(fā)展和應(yīng)用，目前銅線鍵合技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。與金線和鋁線相比，銅線的硬度較大，鍵合時(shí)需要更大的能量，更容易產(chǎn)生金屬間化合物，降低鍵合強(qiáng)度，因此需要對(duì)采用銅線鍵合的器件的鍵合強(qiáng)度進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)和考核。

國(guó)內(nèi)目前參考 GB/T 4937.22—2018《半導(dǎo)體器件 機(jī)械和氣候試驗(yàn)方法 第 22 部分：鍵合強(qiáng)度》 [1]條件 B“引線拉力 ( 雙鍵合點(diǎn) )”對(duì)銅線鍵合進(jìn)行破壞性鍵合拉力試驗(yàn)，該方法轉(zhuǎn)化自 IEC 60749-22:2002《半導(dǎo)體器件 機(jī)械和氣候試驗(yàn)方法 第 22 部分 ：鍵合強(qiáng)度》 [2] ，技術(shù)內(nèi)容落后，并且缺少具體操作細(xì)節(jié)，已經(jīng)無(wú)法滿足銅線鍵合拉力試驗(yàn)的需求。

固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì) (JEDEC) 于 2022 年 11 月發(fā)布了JESD 22-B120:2022《引線鍵合拉力試驗(yàn)方法》 [3] ，該標(biāo)準(zhǔn)提供了更多的技術(shù)細(xì)節(jié)，可以更好地指導(dǎo)銅線鍵合拉力試驗(yàn)。

GB/T4937.22—2018 條件 B“引線拉力 ( 雙鍵合點(diǎn) ) 和 JESD 22-B120 規(guī)定的破壞性引線鍵合拉力試驗(yàn)的原理相同，都是在引線下插入一個(gè)鉤子，施加拉力將引線拉斷，但在拉力施加位置、失效模式分類、最小拉力值以及試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用等 4 個(gè)方面存在較大差異，筆者將重點(diǎn)從這 4 個(gè)方面對(duì)這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比分析。

2?拉力施加位置

GB/T4937.22—2018 條件 B( 雙鍵合點(diǎn) ) 對(duì)拉力施加的位置規(guī)定比較籠統(tǒng)，僅規(guī)定“在連接芯片或基底和引出端的引線下插一個(gè)鉤子，盡量在引線中央施加拉力”。在實(shí)際操作過(guò)程中，引線材料、鍵合工藝和鍵合方式 ( 如標(biāo)準(zhǔn)鍵合、反向鍵合、多點(diǎn)鍵合 ) 都會(huì)影響引線的形狀，很難確定引線中間位置。

為解決該問(wèn)題，JESD 22-B120 定義了“中跨”的概念，即兩個(gè)鍵合點(diǎn)水平間距的中間點(diǎn)。見(jiàn)圖 1。

JESD22-B120 規(guī)定試驗(yàn)時(shí)鉤子應(yīng)鉤在引線的中跨附近，為進(jìn)一步提高可操作性，該標(biāo)準(zhǔn)提供了魚(yú)尾形鍵合、超聲鍵合 ( 芯片 - 基底 ) 等 6 種主要鍵合方式的拉力施加位置示意圖，并配有詳細(xì)的說(shuō)明，見(jiàn)圖 2~ 圖 7。

3?失效模式的分類及排序

3.1?GB/T?4937.22—2018

GB/T4937.22—2018 將引線或鍵合點(diǎn)的失效模式分為以下 8 類 ：

a. 引線在頸縮點(diǎn)斷開(kāi) ( 由于鍵合工藝引起截面減小的位置 ) ；

b. 引線在非頸縮點(diǎn)斷開(kāi) ；

c. 芯片上的鍵合 ( 引線和金屬化層之間的界面 )失效 ；

d. 基底、封裝接線柱或非芯片位置上的鍵合 ( 引線和金屬化層之間的界面 ) 失效 ；

e. 金屬化層從芯片翹起 ；

f. 金屬化層從基底或封裝接線柱翹起 ；

g. 芯片破裂 ；

h. 基底破裂。

上述失效模式分類存在的主要問(wèn)題有：

(1) 失效模式分類是按照失效模式被認(rèn)知的過(guò)程不斷累積增加的，因此順序比較混亂。

(2) 失效模式僅適用于標(biāo)準(zhǔn)鍵合 ( 即引線一端鍵合在芯片上，另一端鍵合在基板上 )，并不完全適用于反向鍵合、芯片—芯片鍵合、基板—基板鍵合以及多路鍵合等新型鍵合方式。

(3) 缺少圖形示例，加上部分內(nèi)容翻譯的不準(zhǔn)確，執(zhí)行過(guò)程中容易引起誤解。

3.2?JESD?22-B120

JESD22-B120 按照失效模式的位置順序給出了10 種通用的鍵合拉力失效模式分類，并用數(shù)字代碼的形式表示，見(jiàn)圖 8。

●失效模式 0 ：與操作人員失誤或試驗(yàn)前引線損傷有關(guān)。

●失效模式 1、2 和 3 ：與芯片相關(guān)失效。

●失效模式 5 ：引線斷裂。

●失效模式 6、7、8、9 ：與引線框架、基底有關(guān)失效。

失效模式分類與 IEC 60749-22(GB/T 4937.22—2018) 的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表 1。

為便于操作人員更準(zhǔn)確的理解失效模式的具體要求，JESD 22-B120 為每種失效模式提供了示意圖，見(jiàn)圖 9。

4?鍵合拉力極限值

半導(dǎo)體器件鑒定檢驗(yàn)和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控需要選取樣品進(jìn)行破壞性鍵合拉力試驗(yàn)，并將拉力的數(shù)值與規(guī)定的極限值進(jìn)行對(duì)比，以判定鍵合強(qiáng)度是否合格。

4.1?GB/T?4937.22—2018

GB/T4937.22—2018 轉(zhuǎn)化自 IEC 60749-22:2002 《半導(dǎo)體器件 機(jī)械和氣候試驗(yàn)方法 第 22 部分 ：鍵合強(qiáng)度》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求是基于 20 多年前的技術(shù)水平制定的，已無(wú)法滿足當(dāng)前銅線鍵合器件的鍵合拉力試驗(yàn)要求，就鍵合拉力極限值來(lái)看，主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)。

一是 GB/T 4937.22—2018 未規(guī)定銅線的鍵合拉力極限值，部分廠商參考該標(biāo)準(zhǔn)給出的金線鍵合拉力極限值用于對(duì)銅線的鍵合強(qiáng)度檢驗(yàn)。由于銅線鍵合強(qiáng)度理論上優(yōu)于金線，部分單位以金線鍵合拉力極限值為基礎(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整作為銅線的鍵合拉力極限值。例如，雷神公司以 2 倍金線鍵合拉力作為銅線鍵合拉力極限值。鍵合拉力極限判據(jù)的缺失導(dǎo)致目前行業(yè)對(duì)銅線鍵合強(qiáng)度的考核比較混亂。

二是GB/T 4937.22—2018的表2僅給出了0.018 mm、0.025 mm、0.033 mm、0.038 mm 和 0.075 mm 5 種 直徑的金線和鋁線密封前和密封后的最小拉力值判據(jù)，其他直徑的引線需要按照該標(biāo)準(zhǔn)中圖 3給出的曲線來(lái)確定鍵合拉力的極限值。GB/T4937.22—2018 規(guī)定的引線直徑數(shù)量較少，不能覆蓋常用的鍵合絲直徑，而且由于該標(biāo)準(zhǔn)中圖 3 的精度較低，因此不同人員利用該曲線確定的拉力極限值往往存在一定的差異，容易造成爭(zhēng)議。

4.2?JESD?22-B120

JESD22-B120 編制組對(duì)現(xiàn)有鍵合拉力判據(jù)對(duì)銅線鍵合的適用性進(jìn)行了研究。現(xiàn)有鍵合拉力極限值是50 多年前基于少數(shù)幾種直徑的金絲和鋁絲的拉力試驗(yàn)數(shù)據(jù)制定的，而且試驗(yàn)樣品的鍵合工藝主要是超聲鍵合工藝。此后，雖然鍵合技術(shù)在不斷發(fā)展，銅線制作的鍵合絲成為市場(chǎng)主流產(chǎn)品，常用鍵合絲的直徑由幾十微米擴(kuò)展到 600 多微米，鍵合工藝增加了熱壓焊和熱超聲焊，但判據(jù)并未進(jìn)行過(guò)更新或重新驗(yàn)證。

JESD22-B120 編制組發(fā)現(xiàn)，業(yè)內(nèi)長(zhǎng)期按照金線的鍵合拉力判據(jù)作為銅線的鍵合拉力判據(jù)，未發(fā)生重大技術(shù)問(wèn)題。如果針對(duì)銅線制定鍵合拉力判據(jù)，需要考慮到不同類型銅線材料 ( 純銅或鍍鈀銅線 ) 的差異、不同鍵合界面的差異、不同鍵合工藝的差異，試驗(yàn)驗(yàn)證的工作量非常巨大。因此，JESD 22-B120 編制組決定采用金線的鍵合拉力判據(jù)作為銅線的鍵合拉力判據(jù)。

針對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的引線直徑數(shù)量較少、不能覆蓋市場(chǎng)上主流產(chǎn)品這一問(wèn)題，JESD 22-B120 編制組對(duì)金線、銅線和鋁線常見(jiàn)直徑進(jìn)行了調(diào)查，并直接給出了 17 種常見(jiàn)直徑鍵合絲的鍵合拉力判據(jù)。

按照 JEDEC 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容的統(tǒng)一規(guī)定，試驗(yàn)方法僅規(guī)定試驗(yàn)方法，具體的判據(jù)由通用規(guī)范規(guī)定。2022 年 12 月，JEDEC 發(fā)布了 JESD 47《基于應(yīng)力試驗(yàn)的集成電路鑒定要求》L 版[4] ，在該標(biāo)準(zhǔn)第 7 章增加了鍵合拉力的極限值判據(jù)。

目前市場(chǎng)上主流半導(dǎo)體器件的封裝形式是塑封封裝，而塑封器件開(kāi)封可能會(huì)對(duì)鍵合絲或鍵合點(diǎn)造成一定的破壞，影響鍵合拉力試驗(yàn)的結(jié)果，因此JESD 47L 不要求進(jìn)行開(kāi)封后的鍵合拉力試驗(yàn)，未規(guī)定器件開(kāi)封后的鍵合拉力判據(jù)。

JESD 47L規(guī)定的鍵合拉力判據(jù)見(jiàn)表 2。

5?增加對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用指導(dǎo)

GB/T4937.22—2018 僅規(guī)定了試驗(yàn)程序和判據(jù)，未給出如何應(yīng)用鍵合拉力試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)的指導(dǎo)。針對(duì)這一問(wèn)題，JESD 22-B120 提供了以下對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用指導(dǎo)。

(1) 通用規(guī)范中規(guī)定進(jìn)行鍵合拉力試驗(yàn)的目的是確認(rèn)不可接受的鍵合 ( 即器件在壽命周期內(nèi)可能會(huì)發(fā)生失效)，因此理想的失效模式是鍵合絲被拉斷(失效模式 5)，這表示鍵合強(qiáng)度高于引線的強(qiáng)度。鍵合拉力的大小還受鍵合界面的材料成分、鍵合工藝條件的影響，因此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小鍵合拉力值受遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)測(cè)值。因此，制造商應(yīng)對(duì)鍵合拉力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制，對(duì)拉力值滿足最小值要求但偏離正常平均值的產(chǎn)品進(jìn)行分析并制定后續(xù)處理措施。

(2) 只有失效模式 5 是可以接受的。出現(xiàn)其他失效模式時(shí)均應(yīng)分析出現(xiàn)失效的原因。出現(xiàn)失效模式4 和失效模式 6 時(shí)，建議首先從內(nèi)引線材料和鍵合工藝方面分析原因。出現(xiàn)失效模式 1、2、3、7、8 和 9 時(shí)，建議除內(nèi)引線材料和鍵合工藝外，還應(yīng)該從鍵合界面分析原因。

6?下一步工作建議

銅線已經(jīng)成為當(dāng)前半導(dǎo)體器件主要的內(nèi)部互聯(lián)材料，銅線的鍵合拉力試驗(yàn)是評(píng)價(jià)器件內(nèi)部互聯(lián)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)手段?，F(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 4937.22—2018 規(guī)定的鍵合拉力試驗(yàn)方法已經(jīng)不能滿足銅線鍵合的質(zhì)量評(píng)價(jià)需求，建議參考 JESD 22-B120 的技術(shù)要求，從拉力施加位置、失效模式分類、最小拉力值以及試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用等方面對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行研究，并盡快開(kāi)展 GB/T 4937.22—2018 的修訂工作。

審核編輯 黃宇