半导体芯片封装之贴片键合概述-聂仁勇

-1-半导体芯片封装之贴片键合概述作者：聂仁勇海太半导体(无锡)有限公司引言半导体芯片封装是指利用精密焊接技术，将芯片粘贴并固定在框架或PBC板等基座上，并通过金丝、铜丝、铝丝或其他介质将芯片的键合区与基座连接起来，再用绝缘材料将它们保护起来，构成独立的电子元器件的工艺。半导体芯片封装的目的，在于保护芯片不受或少受外界环境的影响，并为它提供一个发挥半导体芯片功能的良好工作环境，以使之稳定、可靠、正常地完成相应的功能。但是芯片的封装只会限制而不会提高芯片的功能。在这样的情况下，全世界都在努力研究并并不断推出新的封装形式，以最大限度地发挥半导体芯片尤其是半导体集成电路本应有的功能，减小因封装对芯片功能产生的影响。半导体芯片封装流程可以分为“前道”流程和“后道”流程两部分。其中，“前道”流程包括贴片（DieBonding）和键合（WireBonding）两道工序，是整个半导体芯片封装流程中至关重要的两道工序，它们决定了整个封装流程的成败；“后道”流程则包括塑封、后固化、高温贮存、去飞边、浸锡（电镀）、切筋（打弯）、测试分类、mark、包装等工序，“后道”流程中测试分类也是比较重要的一道工序，它决定了产品的“去留”。本文将着重介绍贴片和键合这两道工序。贴片（DieBonding）贴片（DieBonding），是将半导体芯片固定于基板或引线框架的Pad上的工艺工程。装片需要选择与芯片相匹配的基座或Pad的引线框架，因为若基座或Pad太大，则会使内引线宽度太大，在“后道”塑封过程中会由于塑封体流动产生的应力而造成内引线断裂、塌丝等现象，从而导致TEST不良品增多。另外，为了形成良好的装片成品率，还需要完善的工艺要素与之相配合，主要包括：温度、时间、气氛、压力等几种因素。工艺要素作用温度两种材料合金，需在共熔点的温度下进行。压力合金过程需通过加压或超声波振动，破坏两者表面的氧化层，形成熔焊面均匀、接触牢固的欧姆接触。时间两种材料达到共熔合金需要时间。气氛为了防止高温下金属氧化，需要气体保护。-2-因此装片工序有两大质量要求：产品质量要求和工艺质量要求。装片的产品质量要求：芯片与引线框架的连接机械强度高，导热性能好（△VBE小）和导电性能好（VCEsat小），装配平整，焊料厚度适中，定位准确，能满足键合的需要，能承受键合或塑封时可能有的高温，保证器件在各种条件下使用都具有良好的可靠性。装片的工艺质量要求：芯片位置正确；芯片无沾污、无碎裂、无划伤、无倒装、无误装、无扭转；引线框架无污染、无气泡、无氧化、无变形；焊料熔融良好，无氧化、无漏装、无结球、无翘片、无空洞。良好的成品率不但要有合适的工艺条件，而且要有理想的合金材料，理想的材料应有以下特点：1、在半导体晶片中的溶解度高，这样制成的欧姆接触电阻就小；2、具有较低的蒸气压，即在合金温度下不应大量蒸发；3、熔点应低于芯片表面的铝与半导体的合金温度，否则会影响器件的电参数；4、机械性能良好，要有延展性而且热膨胀性能与半导体材料、衬底材料的热膨胀性能相接近或相匹配；但装片的方式又多种多样，目前比较主流的方式主要有以下4种，分别是：树脂粘接（分导电或非导电树脂）、共晶焊接、银浆或银泥烧结和铅锡合金焊接。1）树脂粘接（分导电或非导电树脂）常用的树脂由环氧、聚酰亚胺、酚醛、聚胺树脂及有机硅树脂组成作为粘接剂，加入银粉的称导电树脂（或导电胶）；有的加入氧化铝粉填充料，导热性好，绝缘性也好，称非导电树脂（或非导电胶），适用于集成电路与小功率的晶体管。树脂粘接会产生一系列的问题：生产过程中因芯片放置不当（如翘片等）形成空洞率（如图1所示）过高（后面章节即将介绍到的合金焊料装片更容出现这样的情况）；空洞率过高直接导致热阻偏大、高应力；树脂滴在引脚上造成搭桥现象，引起内连接问题，在内引线键合时造成框架翘曲，使得一边内引线应力大，一边内引线应力小。图1-a装片空洞率不合格样品图1-b装片空洞率较小合格样品（空洞大、集中）（空洞小、分散且少）树脂粘接装片后需要进行固化处理，环氧树脂粘贴剂的固化条件一般是150℃，固化时间为半-3-小时（此数据为KEC-WTO-220IS-4的参数）；聚酰亚胺粘贴剂的固化温度要高一些，时间也更长；不同粘贴剂的固化工艺条件都不尽相同，需要相关的实验来确定。2）共晶焊接共晶焊接是利用芯片背面的金硅合金和基座或引线框架上镀的金属（银层）在高温氮保护和400~440℃高温下形成合金的办法固定芯片，这种方法需要有相应的背面蒸金的芯片才能进行焊接，导电导热性能都很好，适用于较小尺寸的芯片。特别适用于功率三极管芯片，这样的装片方式比合金焊料装片方式更有助于工作中芯片的散热。芯片背面不同的合金材料在装片过程中芯片周围将出现不同的溢料现象，五层背金、六层背金芯片的周围没有合金溢出痕迹，而AuGe背金芯片的周围则有明显的合金溢出痕迹。（图2）图a五层背金、六层背金图bAuGe背金图2不同合金背金现象共晶焊接装片工艺也存在一定的缺陷，因为共晶装片是要靠机械手向下的压力才能有好的共晶出现的，如果装片的机械手上吸嘴的截面与芯片不平行，则会导致芯片的受力不均，从而出现芯片一边已与银形成合金粘牢，另一边未粘牢的现象。3）银浆或银泥烧结银浆或银泥烧结是利用银浆或银泥中的氧化银，高温下分解还原成银来固定芯片，导电和导热性能均较好。适用于小功率晶体管和结深较浅的超高频或微波小功率晶体管。银浆或银泥烧结方式装片也需采用氮气保护，烧结温度为380～400℃，这种方法最大的特点是成本低、效率高,但高低温热性能、电耐久性、工艺重复性差。4）铅锡合金焊接铅锡合金焊接是利用铅锡合金作焊料，把背面已蒸金（银）或镀镍的芯片，焊接在镀银或镀镍的基座或引线框架上，这种装片方式的导电导热性比共晶都要稍差些，但成本更低，适用于中大功率晶体三极管及集成电路。现在，随着欧盟等一些地区或国家相继加大了对环保的投入，大力发展无铅绿色环保产品。为-4-了顺应历史发展趋势，科学家们研制出了新型的合金焊料，即在原有的铅锡合金的基础上，用一定比例的“锑+银”或“锑+镍+磷”来替代铅。而且后两者比前者有着巨大的优势：首先，是达到了绿色环保的目的。其次，后两者形成的合金熔点比前者要低100℃左右，节约了大量的电力能源，符合目前国家正在大力倡导的节能减排要求。第三，后两者可以直接与裸铜在氢氮混合保护气体下焊接，这样就无需再在铜材上镀银或镍，简化了基座或引线框的生产工序，节约了大量资源，减少了成本，也减轻了对环境的污染。第四，后两者在高温、保护气氛下的流动性、浸润性比前者要好，有助于装片空洞率的降低，提高产品的成品率。（图3显示了装片后两种焊料的不同状态）图a理想的装配图b非理想的装配图3两种焊料的不同状态键合（WireBonding）键合就是用金丝、铜丝或铝丝将半导体器件芯片表面的电极引线与底座或引线框架外引线相连接起来。键合的目的是把半导体器件芯片表面的电极与引线框架的外引线连接起来（如图4）。图4键合的实例照片-5-与装片相对应的是，键合也有其相应的工艺要素，分别是超声功率、压力、时间、温度（相对于金、铜丝键合而言）。它们各自的作用见表2.表2键合工艺要素及其作用工艺要素作用超声功率利用超声波的能量、振动，达到降低合金温度。压力合金过程需通过加压或超声波振动，破坏两者表面的氧化层，形成熔焊面均匀、接触牢固的欧姆接触。时间两种材料达到共熔合金需要时间。温度两种材料合金，需在共熔点的温度下进行。因此键合工序也有两大质量要求：产品质量要求和工艺质量要求。键合的产品质量要求：内引线与芯片和外引线要形成低电阻欧姆接触，压点的位置准确，结合力要强；内引线要有足够的电流容量，抗拉强度要强，有理想的压点和弧度。键合的工艺质量要求：配线正确（线径、根数、极性）、无漏键、无错键；压点位置正确、形状理想，无键偏、无根切、无虚焊；弧度合理，无塌丝、无拉丝、无尾丝；测克强度符合要求。良好的成品率不但要有合适的工艺条件，而且要有理想的引线材料，理想的材料应有下特点：1、能与半导体材料形成低电阻的欧姆接触；2、化学性能稳定，不会形成有害的化合物；3、与半导体材料之间的结合力强；4、电阻率低，具有良好的导电性能；5、可塑性好，容易焊接；6、在键合过程中能保持一定的几何形状。通过以上分析，理想的引线材料有：1、纯铝丝2、硅铝丝3、金丝目前，主要的键合技术有：热压键合（ThermocompressionBondingT/CBonding）（T：330～350℃）、热超声波键合（ThermosonicBonding,T/SBonding）（T：250℃左右）和超声波键合（UltrasonicBonding,U/SBonding）（T：常温）三种。1)热压键合热压焊接的原理：首先，由于金属丝和芯片上的铝层同时受热受压，接触面便产生塑性形变并破坏了界面的氧化膜，使两者接触面几乎接近原子引力范围，金属丝表面原子与铝层表面原子之间产生吸引力而达到键合的目的。其次，是由于金属丝和铝层表面的不平整，加压后高低不平处相互填充而产生弹性嵌合作用，使两者紧密结合在一起。因此加压后接触面积越大，结合牢固度也越好。热压焊和电阻焊、锡焊、铜焊的区别：-6-热压焊和电阻焊的区别在于热压焊时没有电流通过材料。热压焊与锡焊和铜焊的区别是热压焊不用助熔剂或第三种材料热压焊接是利用加热和加压力，使金属丝和芯片的铝层焊在一起，将芯片的电极引线和管座相应电极外引线连接起来。2)热超声波键合热超声键合是利用加热、加压力和加超声的方法，三者相结合使金属丝和芯片的铝层焊在一起，将芯片的电极引线和管座相应电极外引线连接起来。主要适用于金丝或铜丝等材质较软、线径较细的引线材料。下面以相关图例介绍一下热超声键合的相关原理（以“金丝球焊”为例）。一、金丝球焊的分解过程（图5）：【图5金丝球焊的分解过程】二、金丝球焊过程（图6）：【图6金丝球焊过程】三、金丝球焊合格焊点形状与不合格焊点形状的对比（图7）：-7-图a合格的球焊点图b楔焊点形状图c不合格的球焊点图d楔焊点形状【图7金丝球焊合格焊点形状与不合格焊点形状的对比】四、理想的金丝球焊弧度形状（图8）【图8理想的金丝球焊弧度形状】以上大致介绍了热超声键合的相关原理及相关技术参数间的关系等。3）超声波键合超声波键合是利用加压力和加超声的方法，两者相结合使金属丝和芯片的铝层焊在一起，将芯片的电极引线和管座相应电极外引线连接起来。主要适用于铝丝。铝丝键合与金丝球焊相比，除了能提高质量和保证器件在高温下稳定可靠工作以外，还具有：1、不需加温，在常温下即可进行。这对器件本身的特性不会的影响，而且能提高焊接速度。-8-2、不必加电流，不会发生熔化，也不需要用焊剂，所以对材料的物理、化学性能没有任何影响，也不会形成任何化合物而影响器件的可靠性。（电阻焊、锡焊）3、可根据不同需要，改变键合条件来焊接粗细不等的铝丝和宽的铝带。4、焊接强度高于金丝焊接。5、材料成本低。下面以相关图例介绍一下超声波键合的相关原理（以铝丝键合技术为例）。一、铝丝键合的过程（图9）：【图9铝丝键合的过程】三、铝丝键合合格压点与不合格压点形状的比较（V型槽劈刀）（图10）图图a合格图b不合格【图10铝丝键合压点形状】4）键合常见的质量问题及可能原因一、键合常见的质量问题：1、虚焊；2、断丝；3、塌丝；4、键偏；5、键合应力过大损伤硅片。二、可能的原因：-9-1、虚焊（1）待焊接件（芯片或管座）松动（2）待焊接件（芯片或管座）表面沾污、氧化（3）待焊接面的平整度差（4）焊丝（铝丝或金丝）的清洁度差（5）劈刀的清洁度差（6）劈刀的垂直度不够或紧固度差（7）设备故障（无功率输出等）（8）键合功率、压力、时间、温度选择不当（9）功率发生与劈刀和焊接面接触时不同步2、断丝：丝材质差、钩断、拉丝太紧、功率不当3、塌丝：丝材太软、碰撞、拉丝太长、振动4、键偏：对位未调准、装片一致性差5、键合应力过大损伤硅片：功率大、压力大或劈刀高度偏低小结本文根据工作重点整理半导体芯片封装的贴片和键合工序。虽然其他工序没有进行整理，但在真正的生产过程中每一