芯片设计和制造对铜丝键合工艺的影响分析

【摘 要】 以实际案例为基础分析，从三极管芯片设计和制造上解决铜丝键合工艺容易造成芯片弹坑损伤的问题。

【关键词】 铜丝键合 弹坑 芯片结构

1 概要

在半导体铜丝键合工艺中讨论最多的都是在封装键合领域内讨论如何改进设备，材料和工艺方法去匹配铜丝工艺，提升铜丝工艺的可靠性和实用性，但很少有讨论在芯片设计和制造方面能做多少改进。本文重点分析芯片设计制造对铜丝工艺的的影响。

从铜丝键合工艺主要的失效分析统计来看，铜丝工艺在铝层弹坑损伤上要比金丝工艺严重得多。弹坑损伤在封装工艺上总存在工艺宽容度窄，控制难度高的问题，容易影响三极管的良品率和可靠性。所以改进的目标就定在如何能把芯片键合区设计成能经受住铜丝键合高强度冲击而又不容易发生弹坑损伤或是能够缓冲铜丝键合冲击应力的键合区结构上。

2 键合区铝层的分析

键合区铝层是的主要作用是芯片电极的引出，作为芯片与铜线连接的地方，连接的好坏关系到芯片的电参数能否可靠输出。铝层除了起到连接作用外，在焊线键合当中还起到一个关键的缓冲作用。因为铝金属硬度比金，铜都低，所以在键合过程中，铝层像一张“海绵垫子”一样铺在材质脆弱的硅片上面，这样当坚硬的铜球快速打在硅片上时，巨大能量和作用力才不能直接接触硅片，而是大部分被铝层吸收消化掉了。这个过程即完成了铜球与铝层的连接，也保护了易碎的硅片表面基本不受损。

要是想减少铜球对芯片的损伤，增加铝层厚度是最有效最直接的办法。铝层厚度增加后肯定能吸收更多的能量，起到更好的缓冲作用。为了确定铝层厚度增量，在原铝层3um厚的基础上用三个型号芯片各做出增量0.5um一档的四种厚度的实验片，分别为3.5um，4um，4.5um，5um。芯片的型号也是生产中铜丝工艺弹坑出现比较多的BUL4XXA，BUL4XXB和BUL4XXC。再把几种芯片在同等封装工艺条件下进行铜丝键合对比。判断的方法是看在设备的最小允许工艺条件下哪一个铝层厚度的芯片弹坑出现的比例最少或是没有。分3组试验，每组各型号厚度样品各20个（如图1，2，3）。

综合三组试验的结构来看，铝层的增加的确能降低芯片弹坑的产生数量，不同型号的芯片抵抗弹坑的能力有不一样，所以会存在差异，但是总的趋势是一致的。

3 键合铝层表面状态的分析

芯片铝层的表面状态主要是指键合区铝层的光滑和粗糙程度，通俗叫法为粗糙度，用可测量的表达就是铝层表面的反射率。反射率是通过仪器测量铝层表面对光束的反射能力，表面光滑反射的光就多，反射率就大，反之表面粗糙反射光就少，反射率就小。由于芯片制造工艺控制的差异，还有就是芯片设计的差异，在铝层表面会出现如图1的这种差异。a图属于铝层粗糙度很高的状态，它的反射率测试是38；b图属于粗糙度中等的状态，它的反射率测试是98；c图属于粗糙度最低的状态，表面接近镜面，它的反射率测试是233。从三幅图片直观的看出，同一款芯片的铝层表面状态差异还是非常大的。

为了确认这三种状态的芯片铝层抗铜丝键合冲击的能力，也和前面的实验一样，在同等条件下做弹坑试验。

试验结果得出，图1-c的铝层状态在各种芯片上的表现都要优于其他两种状态的铝层，抗铜丝球冲击的能力明显更强。

找出了更适合铜丝工艺的芯片铝层表面状态，需要从机理上分析原因。铝层反射率高，说明它的铝层表面更光滑，图2是在显微镜下放大100倍后的铝层表面状况，2-a图为反射率低的铝层，可以看到表面铝层的颗粒比较大，突起也比较多，像平整但不齐的“沙地”；而2-b图为反射率高的铝层，可以看到表面铝层的颗粒要比2-a图的细腻很多，也看不到明显的突起，呈现出铝金属的银白色光泽。

从光学原理来看，2-a图颗粒大的铝层由于表面凹凸不平，光线射到表面发生漫反射，从上面直射的光会向四面八方散射，从显微镜上看要暗一点；2-b图颗粒细，能组成统一光滑的平面，直射的光线在它表面发生镜面反射，从显微镜看光线就很充足会亮一点。由于铝层是通过金属进行高温蒸发制作上去的，在同等条件下，颗粒小的铝层结合得会更紧密，铝金属的质地就更坚实。所以从这里分析看，致密的铝层之所以耐冲击能力要强一些，主要靠的就是致密的铝层对铜丝球的冲击力提供了更为可靠的缓冲，而疏松的铝层抵御冲击的能力要差。

为了证实铝层致密性的差异，从键合原理分析，致密的铝层应该和铜球的键合会更紧密。为了验证假设的结果，还做了致密铝层和疏松铝层的焊球剪切力对比。在同一条件下对比结果如下（如表4）：

试验的假设明显成立，所以致密的铝层不仅有很强的抗铜丝冲击的能力，而且还能提高铜丝球的键合强度。

4 铝层下介质材料的分析

在试验过程中发现一个现象，就是有部分型号的芯片有弹坑损伤总出现在发射极压焊区一边的现象。从这个现象判读，芯片两个压焊区直接存在着某个方面的差异。用出现这个现象最明显的芯片BUL4XXB来对比。在统计的100个发生弹坑的样本中，发射级E区有弹坑的为96%，基极B区有弹坑的为4%，绝大部分弹坑都发生在芯片的发射级E区上。从表象上分析能说明基极比发射极更耐冲击。

通过解剖芯片发现，铝层下的发射极和基极的介质材料是不一样的，发射极基底材料为二氧化硅，而基极的基底材料为硅。从有此类设计的芯片中都发现了在同一冲击力下二氧化硅材质容易产生弹坑的的现象可以说明，硅基底要比二氧化硅基底更硬。分析完这两者之间的差异后，设计芯片版图时两个键合区下的介质层都设计成硅材料的结构，这在设计方法上是完全可行的。

5 发射极二极管的版图分析

由于大部分发射极有二极管设计的芯片存在着较高比例的弹坑损伤失效，这最后的问题就需要分析发射极上的二极管结构了。

带二极管系列的这类芯片，从失效的情况来看，大部分弹坑发生的地方也都是二极管所在的发射极上，所以失效的因素肯定和二极管结构相关。从生产线上统计，弹坑最严重的产品为BUL4XXC这个产品，即使在铝层已经加厚到5um厚的情况下，还会有4%的弹坑失效存在，而同样是二极管系列的芯片BUL2XXD在铝层厚度4um的情况下只有2.3%的弹坑失效。如图3-a为BUL4XXC，3-b为BUL2XXD左边的键合区就是三极管的发射极，里面都有一个长方形的结构，这就是二极管结构。

总结了二极管弹坑位置的图像发现，容易发生弹坑的区域还是有特点的。从图4中可以发现产生弹坑的区域总是在键合区内有线条的图形上，a图和b图都在二极管的边线上，c图上面的坏点则压到了一个圆形的引线孔上，而下面没有压到的焊点则没有损坏。

用KOH溶液把芯片铝层去掉后观察发现，方条形的二极管和圆孔的引线孔都是用光刻刻出来的窗口，刻出来的窗口与二氧化硅层有1.2um的高度差，也就是说两者之间存在一个阶梯状的台阶。铜球压在台阶上容易造成弹坑损伤。

综上分析，键合区里任何结构的台阶设计，只要铜球压点压在这样的台阶上，受力点就不在一个平面上，强大的冲击力完全作用到台阶的上沿，接触面积变小，压强增大，致使台阶上沿承受不了而产生裂纹，细小的裂纹很容易沿着硅片的解理面裂开，在最终的压力下形成弹坑。最后解决的方式就是版图设计时把二极管宽度尺寸扩大，能容下相应尺寸的铜球既可。

6 结语

如此经过这一系列的键合区铝层结构的调整，找出了增强芯片铝层抗冲击力的设计方法，基本解决了铜丝键合的弹坑损伤问题。减轻了铜丝工艺在封装键合时工艺宽容度窄的问题，提升了铜丝工艺的可靠性和市场竞争力。