芯片焊盤(pán)起皮的成因解析

文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：趙先生

本文深入解析了焊盤(pán)起皮的成因、機(jī)制及其與工藝參數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)合微觀形貌圖和仿真分析，系統(tǒng)探討了劈刀狀態(tài)、超聲參數(shù)、滑移行為等關(guān)鍵因素的影響，并提出了優(yōu)化建議，為提高芯片封裝質(zhì)量和可靠性提供了重要參考。

焊盤(pán)起皮現(xiàn)象

部分焊盤(pán)表面（有時(shí)還會(huì)連帶一部分焊盤(pán)下方的氧化層）與焊球一同從焊盤(pán)上剝離的現(xiàn)象，被稱(chēng)作焊盤(pán)起皮（Bond Pad Metal Peeling Off）。

圖1a展示了金絲球鍵合后鋁焊盤(pán)起皮的微觀形貌。圖1b所示的焊盤(pán)，從上到下依次為AI層、MoSi?層、硼磷硅玻璃（BPSG）層和SiO?層?？梢郧逦乜吹剑l(fā)生起皮現(xiàn)象后，上面的3層從焊盤(pán)上剝離，露出了底部的SiO?層。

圖1 鋁焊盤(pán)脫落的SEM圖

圖2呈現(xiàn)了AI-Si-Cu焊盤(pán)和TiW層組成的多層復(fù)合焊盤(pán)起皮現(xiàn)象及其微觀形貌。

圖2 AI-Si-Cu焊盤(pán)和TiW層組成的多層復(fù)合焊盤(pán)起皮現(xiàn)象及微觀形貌

鍵合焊盤(pán)位于半導(dǎo)體器件的表面，會(huì)受到化學(xué)和機(jī)械載荷的作用?；瘜W(xué)載荷由前道晶圓制造過(guò)程引發(fā)，例如鈍化層開(kāi)窗、介質(zhì)層開(kāi)窗以及表面清洗等操作；機(jī)械載荷則由后道工序中的電測(cè)試和封裝過(guò)程所誘導(dǎo)。因此，焊盤(pán)需要具備足夠的強(qiáng)度，以承受這些載荷。

焊盤(pán)起皮問(wèn)題的核心，是焊球與焊盤(pán)表面鋁層之間的結(jié)合力，和焊盤(pán)表面鋁層及其附著層與硅基體之間的附著力之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。在這種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系中，當(dāng)焊球受到外力作用時(shí)，如果焊盤(pán)表面鋁層及其附著層與硅基體之間的附著力足夠強(qiáng)，那么就會(huì)表現(xiàn)為焊球與焊盤(pán)剝離或者焊球自身斷裂，這屬于正常情況。反之，當(dāng)焊盤(pán)表面鋁層與硅基體之間的附著力不夠大時(shí)，焊球與焊盤(pán)表面鋁層之間的結(jié)合力就會(huì)占據(jù)優(yōu)勢(shì)。此時(shí)，在外力的作用下，焊球會(huì)帶著焊盤(pán)表面鋁層及其附著層一起從硅基體上剝離，從而出現(xiàn)焊盤(pán)起皮現(xiàn)象。

一般來(lái)說(shuō)，焊球與焊盤(pán)表面鋁層之間的結(jié)合力是有限的。在承受外來(lái)載荷時(shí)，鍵合絲斷裂、焊球剝離應(yīng)該先于焊盤(pán)起皮發(fā)生。所以，如果在這種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系中焊盤(pán)處于劣勢(shì)，就意味著鋁焊盤(pán)的附著力較弱，存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

起皮現(xiàn)象的出現(xiàn)，往往伴隨著焊盤(pán)的內(nèi)傷。這些內(nèi)傷被認(rèn)為是在封裝鍵合過(guò)程中或者電性能探針測(cè)試時(shí)造成的。焊盤(pán)內(nèi)傷是引線鍵合過(guò)程中一種難以察覺(jué)的質(zhì)量隱患，嚴(yán)重的內(nèi)傷會(huì)導(dǎo)致焊盤(pán)分層或者直接剝離。存在這些質(zhì)量隱患的集成電路，在電性能測(cè)試中有可能被發(fā)現(xiàn)并剔除。然而，更多的內(nèi)傷處于臨界狀態(tài)，初始的電性能衰退并不明顯，只有在后續(xù)的篩選試驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)、熱沖擊、老化、機(jī)械振動(dòng)等測(cè)試后，才會(huì)暴露出問(wèn)題，表現(xiàn)為焊盤(pán)起皮、坑陷、引線脫鍵、電性能開(kāi)路等情況。

雖然在大多數(shù)情況下，可以通過(guò)優(yōu)化超聲參數(shù)、清潔劈刀、完善鍵合工藝過(guò)程等方式，來(lái)降低鍵合過(guò)程對(duì)焊盤(pán)產(chǎn)生的應(yīng)力。但在某些情況下，后道封裝工序所采取的措施，并不能完全解決焊盤(pán)起皮的問(wèn)題。這是因?yàn)樵谝恍┣闆r下，焊盤(pán)在芯片制造過(guò)程中由于控制不當(dāng)，本身就存在質(zhì)量隱患，這種內(nèi)傷是先天性的。在這種情況下，不應(yīng)該為了避免焊盤(pán)起皮而盲目降低工藝參數(shù)，因?yàn)檫@樣不僅無(wú)法彌補(bǔ)內(nèi)傷缺陷，反而會(huì)降低鍵合絲與焊盤(pán)之間的鍵合可靠性。對(duì)于這類(lèi)器件，比較合理的做法是進(jìn)行批次性檢查或者直接報(bào)廢，以防止這些薄弱環(huán)節(jié)在后續(xù)的篩選或使用過(guò)程中引發(fā)問(wèn)題。

超聲參數(shù)

有研究指出，焊盤(pán)起皮這一過(guò)程，最初源于鋁焊盤(pán)表面及其內(nèi)部金屬層出現(xiàn)裂紋，而不恰當(dāng)?shù)逆I合功率、鍵合力、時(shí)間以及溫度等參數(shù)組合是導(dǎo)致這種損傷的原因。在這些因素中，超聲功率的影響最為顯著，因?yàn)樗峁┑哪芰繒?huì)帶動(dòng)焊盤(pán)表層與內(nèi)層產(chǎn)生剪切作用。當(dāng)超聲功率過(guò)大時(shí)，會(huì)對(duì)焊盤(pán)金屬層造成損傷，進(jìn)而引發(fā)焊盤(pán)起皮現(xiàn)象。

對(duì)于鍵合力而言，由于劈刀對(duì)焊球施加的壓力能夠抑制剪切運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，使得球-焊盤(pán)整個(gè)鍵合體系需要更大的能量才能夠產(chǎn)生滑動(dòng)。所以，在引發(fā)焊盤(pán)起皮現(xiàn)象方面，增大壓力實(shí)際上起到了抑制超聲功率影響的作用，即增大壓力會(huì)減少焊盤(pán)起皮現(xiàn)象的發(fā)生。

預(yù)熱溫度能夠?qū)副P(pán)起到軟化作用，在相同條件下，提高預(yù)熱溫度有助于降低焊盤(pán)起皮的失效率。綜上所述，選用合適的超聲參數(shù)是避免因鍵合而導(dǎo)致焊盤(pán)內(nèi)傷的關(guān)鍵前提。

有研究人員針對(duì)138kHz超聲頻率下超聲振幅對(duì)焊盤(pán)應(yīng)力分布的影響進(jìn)行了有限元仿真分析，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，在鍵合過(guò)程中，應(yīng)力會(huì)隨著劈刀的移動(dòng)而變化，只有當(dāng)劈刀移動(dòng)到中心區(qū)域時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力分布對(duì)稱(chēng)的情況。進(jìn)一步的仿真分析顯示，焊盤(pán)中的鍵合應(yīng)力會(huì)隨著超聲振幅的提高而增大，具體情況如圖4所示。這些結(jié)果表明，超聲振幅在金屬絲鍵合過(guò)程中，對(duì)其應(yīng)力和變形有著顯著的影響。

圖3 不同時(shí)間應(yīng)力分布

圖4 超聲振幅對(duì)焊盤(pán)應(yīng)力的影響

劈刀

在鋁制程芯片的鍵合過(guò)程中，劈刀扮演著至關(guān)重要的角色。它作為將超聲參數(shù)精準(zhǔn)施加到焊盤(pán)上的關(guān)鍵載體，是整個(gè)能量傳遞環(huán)節(jié)中不可或缺的部分。倘若劈刀出現(xiàn)異常狀況，那么超聲功率與壓力就難以均勻且穩(wěn)定地作用于焊盤(pán)，從而嚴(yán)重干擾超聲能量的正常傳播，對(duì)鍵合質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

從另一個(gè)角度來(lái)看，據(jù)研究人員分析，當(dāng)劈刀經(jīng)歷了大量的鍵合操作后，受到污染的劈刀頭會(huì)發(fā)生一些變化。由于污染使得劈刀頭與焊球的接觸表面積增大，這就導(dǎo)致劈刀頭與焊球之間的附著力增強(qiáng)，同時(shí)垂直張力載荷的大小也會(huì)相應(yīng)增大。在劈刀抬起的過(guò)程中，垂直方向的載荷會(huì)依次傳遞，從劈刀傳遞至變形的焊球，隨后再傳導(dǎo)至焊盤(pán)。而這一垂直載荷，正是引發(fā)焊盤(pán)起皮的直接動(dòng)力來(lái)源。當(dāng)垂直方向的載荷作用于焊盤(pán)時(shí)，會(huì)促使焊盤(pán)產(chǎn)生裂紋。這些裂紋首先在區(qū)域a處萌生，隨后沿著界面向焊盤(pán)下方的氧化層延伸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致焊盤(pán)起皮現(xiàn)象的發(fā)生，如圖5所示的情況清晰地展示了這一過(guò)程。此外，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也反映出一個(gè)明顯的趨勢(shì)，在焊盤(pán)出現(xiàn)起皮現(xiàn)象的案例中，高達(dá)87%的情況里，所使用的劈刀其使用次數(shù)已經(jīng)超過(guò)了20萬(wàn)次，這進(jìn)一步表明了劈刀的使用狀況與焊盤(pán)起皮之間存在著緊密的聯(lián)系。

研究成果還表明，對(duì)于改善鋁制程芯片的焊盤(pán)起皮問(wèn)題，合理地選擇劈刀型號(hào)是一個(gè)關(guān)鍵的解決策略。當(dāng)我們選用錐角CA=70°且端部直徑CD較小的劈刀，并適度增大鍵合壓力時(shí)，能夠?qū)更c(diǎn)的塑形產(chǎn)生積極影響。這樣可以使焊點(diǎn)與焊盤(pán)之間實(shí)現(xiàn)良好、均勻且充分的接觸，有效避免了因焊點(diǎn)凸起而引發(fā)的局部應(yīng)力集中問(wèn)題。不僅如此，CA=70°的劈刀所形成的焊球，其擠壓斜面體積相對(duì)較薄，這一特性使得它在傳導(dǎo)超聲能量時(shí)的損耗較小。而且，與CA=120°的劈刀相比，CA=70°的劈刀在焊球中心區(qū)域的能量聚集程度更弱，從而能夠顯著緩解鍵合功率對(duì)焊盤(pán)中心區(qū)域鋁層的破壞程度，具體的差異和優(yōu)勢(shì)如圖6所示。

圖5焊盤(pán)起皮原因示意圖

圖6 不同錐角劈刀對(duì)鍵合影響對(duì)比

滑移

在某些情況下，即便對(duì)超聲功率、壓力以及預(yù)熱溫度進(jìn)行了優(yōu)化，鋁盤(pán)脫落（ABPO）率依舊無(wú)法降至零，這表明該批次產(chǎn)品出現(xiàn)ABPO現(xiàn)象至少還存在其他影響因素。研究人員經(jīng)探索發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，減少鍵合過(guò)程中出現(xiàn)的滑移（Skidding）現(xiàn)象，能夠顯著減輕劈刀與焊球之間的滑移程度。如此一來(lái)，焊盤(pán)內(nèi)部所承受的剪切應(yīng)力會(huì)大幅降低，從而有效避免焊盤(pán)出現(xiàn)內(nèi)傷，進(jìn)而消除ABPO現(xiàn)象。

圖7展示了焊球的滑移情況，從圖中可以清晰地看到滑移在金絲球上留下的痕跡。圖8則呈現(xiàn)了軟件優(yōu)化前后鍵合劈刀動(dòng)作的對(duì)比情況。

圖7 焊球滑移情況

圖8 軟件優(yōu)化前后鍵合劈刀動(dòng)作對(duì)比

研究人員借助激光共聚焦技術(shù)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)發(fā)生焊盤(pán)起皮的單元，其平均滑移深度為9.6μm；而在軟件優(yōu)化減少滑移后，平均滑移深度降至7.44μm。通過(guò)對(duì)金的維氏硬度進(jìn)行計(jì)算得出，發(fā)生焊盤(pán)起皮的單元，平均滑移力為48.7gf；軟件優(yōu)化減少滑移后，平均滑移力下降至29.2gf。有限元仿真結(jié)果顯示，由于滑移力的存在，發(fā)生ABPO的單元中BPSG的剪切強(qiáng)度為1.74GPa，而未發(fā)生ABPO的單元其剪切強(qiáng)度為1.29GPa。

工藝參數(shù)

部分研究人員認(rèn)為，預(yù)熱溫度、鍵合功率以及鍵合力等因素對(duì)焊盤(pán)起皮現(xiàn)象存在影響。具體的影響情況見(jiàn)表1。

表1預(yù)熱溫度、鍵合功率和鍵合力對(duì)焊盤(pán)起皮的影響

晶圓制造

在晶圓制造過(guò)程中，鹵族元素的殘留會(huì)對(duì)鋁焊盤(pán)及其氧化膜產(chǎn)生腐蝕作用。同時(shí)，盤(pán)內(nèi)金屬層會(huì)因吸潮，在升溫后出現(xiàn)汽化膨脹的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致分層，這些因素都對(duì)焊盤(pán)內(nèi)部金屬層附著力的下降產(chǎn)生了作用。通過(guò)對(duì)化學(xué)鍍鎳鈀浸金（ENEPIG）焊盤(pán)鍵合起皮后的SEM/EDX分析可知，氧化是致使Pd、Ni分層的主要原因。圖9展示了ENEPIG焊盤(pán)脫鍵后焊盤(pán)和引線的微觀形貌，圖10所示的聚焦離子束（FIB）截面圖分別呈現(xiàn)了穿過(guò)掉鋁區(qū)域、離開(kāi)掉鋁區(qū)域稍遠(yuǎn)一點(diǎn)引線脫離的區(qū)域以及常規(guī)參考區(qū)域這三個(gè)不同區(qū)域的情況。

圖9 ENEPIG焊盤(pán)脫鍵后焊盤(pán)和引線的微觀形貌

圖10 FIB截面圖

有研究指出，對(duì)于多層焊盤(pán)結(jié)構(gòu)，設(shè)置了250nm、330nm、450nm、550nm和650nm這五種不同厚度的表面鋁層（M2）。經(jīng)過(guò)200℃、3h的老化處理后，結(jié)果表明，較薄的M2層更容易出現(xiàn)球頸破壞、起墊和起球失效等情況，具體可參考圖11 - 圖13。

圖11 芯片鋁焊盤(pán)

圖12 拉力測(cè)試中的典型失效模式

圖13 鍵合拉力試驗(yàn)中起皮和焊球脫鍵失效模式占總體失效模式比例隨M2厚度變化