功率器件鍵合點外觀一致性提升的方法

徐世明

珠海格力新元電子有限公司 廣東珠海 519110

1 引言

半導體功率器件正在向著高度集成的方向發(fā)展，越來越多半導體功率器件中的芯片需要與引線框架進行鍵合。而鍵合質(zhì)量作為評估半導體功率器件可靠性的重要指標，越來越受到半導體廠家的重視。封裝制程中評估鍵合質(zhì)量的手段不斷發(fā)展，已經(jīng)不局限于傳統(tǒng)的推拉力測試、彈坑實驗，而轉(zhuǎn)向運用統(tǒng)計制程管理SPC等過程工具的趨勢，因此在滿足基本鍵合強度的基礎(chǔ)上，如何進一步提高鍵合點外觀的一致性及穩(wěn)定性，是目前本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的問題。

2 技術(shù)背景

現(xiàn)有鍵合技術(shù)一般是采用引線鍵合機將芯片的電極與引線框架的引腳進行鍵合，即引線鍵合機中的超聲波發(fā)生器產(chǎn)生高頻信號，由換能系統(tǒng)將高頻信號轉(zhuǎn)換為高頻機械振動，在一定時間內(nèi)將芯片的電極與引線框架的引腳鍵合形成共同結(jié)晶。目前用于承載引線框架的基塊均為金屬基座，金屬基座的鍵合區(qū)域用于承載引線框架，當引線框架在其上發(fā)生高頻機械振動時，往往使得引線框架在金屬基座上發(fā)生共振，進而造成鍵合點外觀毛刺（如圖1所示，以功率器件IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)為例，圖中紅色標注部分為金屬基座鍵合點外觀上的毛邊），影響鍵合點質(zhì)量。因此，如何有效地消除鍵合過程中引線框架與金屬基座間的共振，成為提升鍵合點外觀一致性的關(guān)鍵點。

3 改善方法

為了消除鍵合過程中引線框架與金屬基座產(chǎn)生的共振問題，經(jīng)過多次試驗研究，提出防震基座的概念。采用防震基座替代金屬基座，引線框架則直接與防震基座接觸，當引線框架發(fā)生高頻機械振動時，引線框架與金屬基座之間的震動會被防震基座吸收，從而避免引線框架在金屬基座上發(fā)生位置偏移，影響鍵合質(zhì)量。如此進行鍵合，可以有效的減少鍵合點結(jié)晶表面的毛刺，提高其外觀質(zhì)量。

3.1 防震基座材質(zhì)的選取

防震基座采用橡膠為減震的關(guān)鍵材料，橡膠既有高彈性又有高粘性，橡膠的彈性是由其卷曲分子構(gòu)象的變化產(chǎn)生的，橡膠分子間相互作用會妨礙分子鏈的運動，又表現(xiàn)出粘性特點，以致應力與應變往往處于不平衡狀態(tài)。橡膠這種卷曲的長鏈分子結(jié)構(gòu)及分子間存在的較弱的次級力，使得橡膠材料呈現(xiàn)出獨特的粘彈性能，因而具有良好的減震、隔音和緩沖性能。

橡膠作為防震基座的關(guān)鍵，必須選用合適厚度和硬度的橡膠，橡膠材質(zhì)的厚度太厚或者硬度太軟，都會造成鍵合點的虛焊，反之，厚度太薄或者硬度太硬則會影響減震效果。因此，經(jīng)過多次實驗總結(jié)得出，橡膠墊的厚度為1.55mm～1.65mm，邵氏硬度為64HA～66HA時，減震效果最佳，鍵合效果較好。另外，橡膠墊可以采用聚乙烯材質(zhì)制作形成，其中聚乙烯的緩沖性能較好，適合制作橡膠墊。

3.2 防震基座的制作

以功率器件IGBT封裝結(jié)構(gòu)為例，對OE7200HD鋁線鍵合設(shè)備的鍵合金屬基座進行改造優(yōu)化。

圖1 金屬基座鍵合點外觀

圖3 防震基座裝配后示意圖

圖2 防震基座裝配示意圖

圖4 鍵合示意圖

（1）選取厚度為1.6mm、邵氏硬度（A）65度、背面帶有粘性、材質(zhì)為氯乙烯的材料，并按照圖2中防震橡膠的形狀進行裁切，邊緣用鋒利的小刀去除毛刺，防震橡膠的面積必須覆蓋整個鍵合區(qū)域。

（2）制作如圖2所示的金屬基座，表面開槽的厚度為1.6mm，開槽的形狀及大小與防震橡膠一致，需保證開槽表面的平整度，以避免承載面不平導致鍵合不良。

（3）如圖3所示，貼付防震橡膠，將裁切好的防震橡膠帶有粘性的一面與金屬基座進行粘合，保證表面良好的平整度。以鑲嵌的方式將防震橡膠卡在槽中，可防止鍵合過程中的摩擦造成的移位，提高使用壽命。

（4）將裝配好的防震橡膠基座重新裝回鍵合設(shè)備的焊接區(qū)域。

（5）如圖4所示，裝配好的防震橡膠基座承載著整個引線框架的焊接區(qū)域，在鍵合過程中，可以吸收引線框架和金屬基座間的震動，使鍵合過程超聲波的輸出可以穩(wěn)定作用在鍵合點上，以便形成良好的鍵合點。

（6）在同一種類型芯片、不同位置的鍵合點上，使用相同功率、壓力、鍵合時間等參數(shù)進行鍵合，并對鍵合后的樣品使用顯微鏡觀察外觀，可發(fā)現(xiàn)使用防震基座的鍵合點外觀（如圖5所示）明顯改善，且無毛刺。

圖5 防震基座鍵合點外觀

圖6 金屬基座壓扁寬度的過程能力

（7）使用測量顯微鏡測量鍵合點的壓扁寬度，并對壓扁寬度進行制程統(tǒng)計分析，采用金屬基座鍵合壓扁寬度CPK為1.37（如圖6），采用防震基座鍵合壓扁寬度的CPK提升至1.74（如圖7），達到預期鍵合點外觀一致性提升效果。

圖7 防震基座壓扁寬度的過程能力

4 總結(jié)

在半導體功率器件高度集成化的趨勢下，引線框架設(shè)計的復雜性逐漸提高，內(nèi)部引腳間構(gòu)造的差異性愈發(fā)明顯，而這種差異性引發(fā)鍵合過程中不同共振的程度和方式，最終影響鍵合點外觀的一致性，嚴重的會造成鍵合點外觀不良。鍵合點的壓扁寬度可以反映出鍵合強度的大小，這是一種非破壞性的檢測方式，采取防震基座替代傳統(tǒng)的金屬基座，解決了共振問題帶來的鍵合點外觀不一致的問題，使我們可以采取非破壞性的檢測手段，替代原有的破壞性推拉力測試等評估方法，用更科學的過程監(jiān)測手段控制鍵合質(zhì)量，為半導體功率器件的可靠性發(fā)展提供有利的技術(shù)支持。

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