陶瓷封装VDMOS功率器件粗铝丝超声键合工艺研究.pdf

陶瓷封装 VDMOS 功率器件粗铝丝超声键合工艺研究汪旭袁牟博康袁陶寅袁张云袁张荣臻袁李坤渊无锡中微高科电子有限公司袁 江苏无锡214035冤摘要院陶瓷封装垂直导电双扩散场效应管 渊VDMOS冤 功率器件广泛地应用在新能源设备尧 汽车电子和其他工业领域遥 为了满足 VDMOS 器件的高可靠性使用要求袁 有必要对 VDMOS 粗铝丝超声键合工艺展开深入研究遥通过工艺窗口定位及三因素三水平正交实验法探究粗铝丝超声键合工艺参数对键合点强度的影响情况遥 实验数据表明袁 超声功率是键合强度的主导因素袁 这是因为超声功率提供键合点金属扩散所需的绝大部分能量遥 此外袁超声时间及键合压力为键合点金属扩散区的形成提供生长时间及生长环境袁 同样直接影响键合点的强度遥 分析结果表明袁 在满足一定推力要求的条件下袁 使用最优工艺参数作业能够得到面积更小的键合点袁 这可以增加芯片的有效利用面积袁 从而为高密度集成及多管脚引出提供技术支撑遥关键词院垂直导电双扩散效应管曰 粗铝丝曰 超声键合曰 正交实验曰 高密度集成中图分类号院 TN 386文献标志码院 A文章编号院 1672-5468 渊2023冤 03-0071-05doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2023.03.012Research on Ultrasonic Bonding Process of ThickAluminum Wire for Ceramic Package VDMOS PowerDevicesWANG Xu袁 MU Bokang袁 TAO Yin袁 ZHANG Yun袁 ZHANG Rongzhen袁 LI Kun渊Wuxi Zhongwei high-tech Electronics Co.袁 Ltd.袁 Wuxi 214035袁 China冤Abstract院Ceramic package vertical conductive double diffusion field effect transistor 渊VDMOS冤power devices are widely used in new energy equipment袁automotive electronics and otherindustrial fields.In order to meet the high reliability requirements of VDMOS devices袁 it isnecessary to conduct an in-depth research on the ultrasonic bonding process of VDMOS coarsealuminum wires.The influence of process parameters of ultrasonic bonding of thickaluminum wire on the strength of the bond point is explored through process windowpositioning and three-factor three-level orthogonal experimental method.Experimental datashows that ultrasonic power is the dominant factor in bond strength because ultrasonic powerprovides the vast majority of the energy required for metal diffusion at the bonding point.Inaddition袁the ultrasonic time and bonding pressure provide the growth time and growthenvironment for the formation of the metal diffusion zone at the bonding point袁 which also directlyaffects the strength of the bonding point.The analysis results show that under the condition ofmeeting certain thrust requirements袁 the use of optimal process parameters can obtain bonding收稿日期院 2022-11-06修回日期院 2023-03-20作者简介院 汪旭 渊1988要冤袁 男袁 黑龙江哈尔滨人袁 无锡中微高科电子有限公司工程师袁 从事半导体封装研究工作遥通讯作者院 牟博康 渊1996-冤袁 男袁 山东滨州人袁 无锡中微高科电子有限公司工程师袁 硕士袁 从事高可靠电子封装研究工作遥电 子 产 品 可 靠 性 与 环 境 试 验耘蕴耘悦栽砸韵晕陨悦 孕砸韵阅哉悦栽 砸耘L陨粤月陨蕴I栽再 粤晕阅 耘晕灾陨R韵晕酝耘晕栽粤蕴 栽耘杂栽陨晕郧可靠性设计与工艺控制阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕71电子产品可靠性与环境试验阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕电子产品可靠性与环境试验2023 年points with a smaller area袁 which can increase the effective utilization area of the chip袁 thusproviding technical support for high-density integration and multi-pin lead-out.Keywords院VDMOS曰 thick aluminum wire曰 ultrasonic bonding曰 orthogonal experiment曰 high-density integration0引言垂直导电双扩散场效应管 渊VDMOS院 VerticalDouble-diffused Metal Oxide Semiconductor冤 具有高输入阻抗尧 低驱动功率尧 高开关速度和高热稳定性等特点袁 在 1979 年由 H W Collins 等人发明后便掀起了业内探究的热潮1遥 目前袁 陶瓷封装VDMOS电路作为一种高可靠器件袁 被广泛地应用在新能源设备尧 汽车电子和其他工业领域2-3遥VDMOS 芯片需要通过引线实现与封装体的互联遥 考虑到 VDMOS 器件在工作时会承载较大的电流及较高的频率袁 目前业内多选用粗铝丝作为芯片与封装体之间的互联线路4袁 这可以起到降低导通电阻袁 增加机械强度的作用遥 超声键合是一种使粗铝丝同 VDMOS 芯片及管壳键合指形成互联点的工艺袁 其作业参数的选择直接决定了键合点的强度遥 基于 VDMOS 器件的高可靠性使用要求袁 对VDMOS 粗铝丝超声键合工艺展开深入研究具有重大意义遥当前的研究中袁 许多学者对铝丝及超声键合工艺展开了细致的探讨遥 王福亮等5在研究中发现超声功率是影响超声键合的重要因素遥 当超声功率较低时袁 无法形成具有足够强度的键合点遥 而功率过大则会导致 野过键合冶袁 一方面会造成键合强度不足袁 另一方面还会破坏键合点下方的线路遥 杨汝靓6在研究粗铝丝键合时发现超声功率对键合强度具备最高的影响权重袁 键合压力尧 超声时间次之遥 同时袁 王福亮等7也指出袁 在不同超声功率下袁 键合强度对超声时间的敏感程度不一遥 综上可知袁 键合工艺参数的选择是一项多因素综合下的最优解问题遥在 VDMOS 器件键合过程中袁 不能单纯地将键合强度作为追求目标遥 这是因为过 野高冶 的键合参数可能造成电路焊盘出现严重的弹坑变形袁 损毁芯片表面的多晶硅保护层袁 进而造成栅氧破坏遥 这会导致 VDMOS 漏电流过大袁 从而引发器件失效遥 目前关于 VDMOS 粗铝丝超声键合工艺研究的相关报道较少袁 且多数研究重在关注单参数对键合效果的影响遥 在实际生产场景中袁 受投入产出比及不同作业条件的制约袁 明确多因素综合下的最优键合工艺参数是增加器件可靠性尧 提高企业生产效率的必要措施遥本文基于 VDMOS 粗铝丝超声键合工艺参数对键合点强度的影响情况展开深入研究遥 通过工艺窗口定位尧 三因素三水平正交实验等研究方法袁 对比分析了超声功率尧 键合压力和超声时间对键合效果的影响权重袁 进而确定了一定条件下陶瓷封装VDMOS 功率器件粗铝丝超声键合的最优工艺参数遥1实验与方法本研究中使用的 VDMOS 芯片采用硅基流片工艺袁 芯片尺寸为 8.32 mm 伊6.34 mm伊0.23 mm遥 芯片键合 PAD 材料为 Al袁 厚度为 6 滋m遥 芯片结构示意图如图 1a 所示遥 陶瓷管壳采用中电十三所生产的 TO-254 型管壳袁 管壳结构及外观如图 1 所示遥 管壳装片区与键合指区均作镀金处理袁 金层厚度为 1.3 滋m遥 粗铝丝选用直径为 囟380 滋m 和囟100 滋m 两种规格袁 分别连接 VDMOS 芯片的源极及栅极遥 本研究分为以下 2 个阶段院1冤 通过键合点推力测试及弹坑实验定位键合最优工艺参数窗口曰2冤 通过细化工艺参数并展开正交实验袁 明确多因素综合下键合强度的主导因素袁 获得键合工艺参数最优解遥aVDMOS 器件装片尧 键合示意图管壳装片区芯片键合丝键合指管脚1 漏极 2 源极 3 栅极bTO-254 型管壳外观图图 1 TO-254 型管壳的管壳结构和外观72阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕第 3 期VDMOS 芯片通过合金片烧结的方式粘接到管壳装片区 渊如图 1a 所示冤遥管壳装片区同管脚 1 存在互联袁 芯片底面为漏极袁 装片后漏极电流可以从管脚1 引出遥 采用全自动粗铝丝键合机对VDMOS 芯片源极尧 栅极 PAD 和键合指进行键合互联遥 由于源极需承载较大的工作电流袁 故使用两根 囟380 滋m 粗铝丝与键合指 2 互联袁 并经管脚 2 引出遥栅极通过一根 囟100 滋m 粗铝丝与键合指 3 互联袁 经管脚 3 引出遥键合完成后袁 首先袁 根据GJB128A要97 叶半导体分立器件试验方法曳 对键合点形貌和样品的键合拉力展开检测袁 筛选外观和拉力合格的样品遥 之后袁 使用推力测试仪对合格样品的其他键合点进行推力测试袁 并将所测数值作为键合点强度的评价指标袁 因为受键合引线抗拉强度测试中不同失效模式的影响袁 键合拉力不能准确有效地代表键合点强度遥 此外袁 在推力测试后需要记录键合点的形貌袁 因为键合丝被推开后袁 PAD/键合指表面会显现出键合点的金属扩散面积袁 结合键合推力数据可以进一步地获得键合点的剪切应力遥弹坑实验可以判定键合作业对 PAD 下层电路的影响8遥 配置一定浓度的 KOH 溶液袁 将键合点在溶液中浸泡 40 min袁 之后使用小刀轻轻刮去键合丝遥 如果 PAD 键合点区域呈现出明显的凹坑尧破损等痕迹袁 则表明存在过度键合5遥 通过结合弹坑实验及键合点推力测试结果可以双向快速地缩小键合工艺窗口袁 定位到最优键合工艺参数区间遥2实验结果与分析2.1 工艺窗口定位在阶段1冤 的实验中袁 参照行业研究结论6及作业经验假定超声功率为键合主要影响因子遥 对于 4 组测试样品分别设置超声功率为 15 渊组 1冤尧20 渊组 2冤尧 25 渊组 3冤尧 30 mW 渊组 4冤袁 其他参数保持一致遥 作业获得的代表性键合点形貌及弹坑形貌如图 2 所示遥 每组样品选取 58 根键合丝进行推力测试袁 得到 4 组平均键合推力数据如表 1所示遥图 2a 展示了代表性键合点的形貌外观袁 从图中可以看出袁 键合丝在劈刀及超声作用下产生形变形成键合点袁 键合点的宽度和长度分别为键合丝直径的 1.57尧 1.72 倍袁 符合 GJB 128A要97 的要求遥此外袁 键合点颈缩尧 键合丝起弧和键合点残余线长等其他关注项也都符合行业规范要求袁 因此判定各分组样品外观检合格遥 之后袁 对每组样品抽取部分键合丝进行拉力测试袁 测试结果均合格袁 此处不作详细论述遥根据键合推力测试结果进行超声功率下区间定位遥 从表 1 中可以看出袁 随着超声功率从 15 mW增加到 30 mW袁 键合点平均推力数值呈现先增大后减小的趋势袁 并在超声功率为 25 mW 时达到峰值遥 由此可以初步判定超声功率下区间应当为20 mW遥 之后袁 根据弹坑实验确定超声功率上区间遥 从图 2c 中可以看出袁 当超声功率为 30 mW时袁 键合点下方存在严重的弹坑痕迹袁 对键合点进行切片发现芯片内部出现较为明显的裂纹遥 而当超声功率减小到 25 mW 时袁 芯片 PAD 表面弹坑形貌正常袁 由此得到超声功率上区间为 25 mW遥 综上可知超声功率工艺窗口为 2025 mW遥 需要补充的分组超声功率/mW平均键合推力/gf1151 7252201 8783251 9354301 820表 1平均键合推力数据表图 2键合点及弹坑形貌a代表性键合点SEM 图像b组 13 任意键合点弹坑形貌c组 4 键合点弹坑形貌及切片图汪旭等院 陶瓷封装 VDMOS 功率器件粗铝丝超声键合工艺研究73电子产品可靠性与环境试验阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕电子产品可靠性与环境试验2023 年是袁 对于粗铝丝键合袁 目前国内相关标准均未给出推力判定依据袁 本研究通过与同行作业数据相比较袁 确保本实验所获得的推力数据合理遥2.2 正交实验在 2025 mW 超声功率窗口内袁 结合常规使用的键合压力尧 超声时间参数展开三因素三水平正交试验袁 通过对正交组样品进行推力测试获得键合强度数据袁 并据此对正交表展开求解遥 正交因素水平表设计如表 2 所示遥实验结果显示袁 超声功率尧 键合压力尧 超声时间的极差分别为 1 021.65尧 343.88尧 796.92袁 这说明超声功率是键合强度的主导因素袁 其次分别是超声时间和键合压力袁 这证实了阶段 1冤 实验假定的正确性遥 本研究发现袁 随着超声功率从 15 mW 增大到 25 mW袁 键合点强度存在明显的起伏波动袁具体表现为键合点推力数值出现先增大后减小的变化趋势遥 导致这一现象的原因是键合点在这一区间中存在正常键合尧 过键合甚至不完全键合的多种状态遥 在键合点形成的过程中袁 粗铝丝在超声作用下发生软化袁 软化后的粗铝丝在同 PAD 接触面发生摩擦时会去除表面的氧化层袁 从而暴露出清洁表面遥 在超声能量的驱动下袁 粗铝丝同芯片PAD 界面间发生快速原子扩散袁 从而形成牢固结合的键合点遥 如果超声功率施加不当袁 铝丝会出现软化不够或过度软化的现象袁 即出现不完全键合甚至过键合的多种状态袁 这时将无法形成有效的焊接面或出现过焊接的情形袁 焊接强度都将大大地降低袁 这一结论与杨阳9的研究结果一致遥相比于键合压力袁 超声时间对键合点强度存在更高权重的影响遥 这是因为在键合点金属扩散的过程中袁 合适的扩散时间有利于得到良好的扩散区体积遥 这既能保证焊点具有足够的连接强度袁 又可以防止出现过键合的现象遥 当然袁 键合压力同样是关系键合效果的关键因素袁 因为键合压力为键合点的形成提供了接触环境袁 并维持至键合过程结束遥各因素在不同水平下的结果趋势图如图 3 所示袁 根据图 3 中的数据可以得出袁 本正交实验的最优水平分别为院 超声功率 22 mW袁 超声时间 10 ms袁键合压力 630 cN遥 正交试验最优水平及最劣水平对应的键合点金属扩散区形貌图如图 4 所示袁 对其进行分析可以得知袁 最优水平下对应的焊点宽度相较最差水平下对应的焊点宽度要小 11.0%袁 焊点面积要小 18.1%袁 但其剪切强度却要大 21.6%遥 这表明在最优水平下袁 以更小的键合点面积可以获得更大的键合强度遥 同时袁 当键合强度要求一定时袁以最优水平参数作业可以获得面积更小的键合点遥这可以增加芯片的有效利用面积袁 提高系统管脚引出数量袁 为高密度集成电路的研发及生产提供技术支撑遥表 2三因素三水平正交表水平122630102236601232469015实验因素P/mWF/cNt/ms图 4最优及最劣水平对应键合点金属扩散区形貌图图 3三因素三水平结果趋势图5 2004 8004 4004 000单位面积推力/渊gf 窑 mm-2冤222324101215630660690超声功率/mW超声时间/ms键合压力/cNa 最优水平对应键合点金属扩散区形貌图b 最劣水平对应键合点金属扩散区形貌图74阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕第 3 期机器人靠新的“人工记忆”帮你找东西据报道袁 加拿大滑铁卢大学的工程师们发现了一种新方法袁 可对机器人进行编程袁 帮助痴呆症患者找到药品尧 眼镜尧 电话和其他他们需要但不知放在哪儿的物品遥 研究最初的重点是帮助特定人群袁但总有一天袁 任何人都可使用这项技术来寻找他们放错地方的东西遥 研究论文在最近的 2023 年ACM/IEEE 人机交互国际会议上发布遥痴呆症是一种限制大脑功能的疾病袁 会导致混乱尧 记忆力减退和残疾遥 这些患者中的许多人反复忘记日常物品的位置袁 这降低了他们的生活质量并给护理人员带来了额外的负担遥工程师们认为袁 在这种情况下袁 具有情景记忆的伴侣机器人可能会改变这种情况遥 他们成功地利用人工智能创造了一种新型的 野人工记忆冶遥 研究团队首先从一个名为 Fetch 的移动机械手机器人开始袁 它有一个摄像头来感知周围的世界曰 然后袁 研究人员使用对象检测算法袁 对机器人进行了编程袁使其能通过存储的视频检测尧 跟踪并在其相机视图中保存特定对象的记忆日志遥 由于机器人能够区分不同的物体袁 因此它可记录物体进入或离开其视野的时间和地点遥研究人员随后开发了一个图形界面袁 使用户能够选择他们想要跟踪的对象袁 输入对象名称后袁 在智能手机应用程序或计算机上搜索它们袁 机器人就可指出它最后一次观察到特定物体的时间和地点遥测试表明袁 该系统非常准确遥渊下载网址院 http:/ 下载日期院 2023-06-10冤3结束语本文探讨了陶瓷封装 VDMOS 功率器件粗铝丝超声键合工艺参数对键合点强度的影响情况遥 通过键合点推力测试及弹坑实验双向定位粗铝丝超声键合的最优工艺窗口遥 采用三因素三水平正交实验研究方法袁 明确了超声功率是键合强度的主导因素袁其次分别为超声时间和键合压力遥 通过对正交实验数据求解获得了最优水平下的最优键合工艺参数袁并发现使用最优键合工艺参数作业时袁 以更小的键合点面积可以获得更大的键合强度遥 或者在满足一定推力要求的条件下袁 使用最优工艺参数作业能够得到面积更小的键合点遥 这可以增加芯片有效利用面积袁 提高系统管脚引出数量袁 为高密度集成电路的研发及生产提供技术支撑遥参考文献院1 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