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功率器件封装中铝引线焊点剥离失效机制研究

功率器件封装中铝引线焊点剥离失效机制研究

作者:
顺昱自动化
来源:
复旦大学微电子专用集成电路与系统国家重点实验室
发布时间:
2020/04/16
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   摘要:比较回流焊前后两组器件样品的电学测量结果,并结合样品的失效分析,发现引线框架氧化也是导致焊点剥离失效的一个重要因素,而且回流焊工艺下的热机械效应,会加速原先潜在的焊点剥离失效的发生。样品的连接性测试发现,在低峰值交流测试电压下显示开路,而高峰值测试电压下显示正常,可以将其归结为典型的焊点剥离失效的测试现象。发现引线键合前的等离子清洗可以减少焊点剥离失效,并可使焊点的剪切强度提高25%。

Research on Failure Mechanism of Bonding Lift for Aluminum

Wire to Package of P0wer Devices

HE Lun-wen,ZHANG Lei,PAN Shao-hui,WANG Li-kang,ZHANG Wei

(ASIC & System state key lab,fudan University, 200433,China)

 

 Abstract:From electrical test results before and after IR reflow of two different group samples,coupled

 with devices failure analysis,it's found the oxidation of lead frame is an important factor for the mechanism of bonding lift,and the thermal mechanical effect in solder reflow can accelerate the occurrence of this potential failure.This kind of failure always demonstrates open in the condition of low peak ac voltage at open/short test,but normal in high peak voltage. Plasma cleaning before wire bonding process is effective to  reduce the occurrence of bonding 1ift,and the shear strength of welding point can be enhanced by 25% after it.

 Key words:power device;package;bonding lift;aluminum wire

 

 1     引言

功率电子的封装正向着低成本、小尺寸、高性以及高可靠性发展。全球大部分功率电子产品的装内互连依然采用了引线键合技术,同时和金线相比较,采用楔形焊技术的铝线由于其成本优势应用也很普遍。S.Ramminger[1]和A.Hamidi[2]在功率IGBT封装中,相继发现了发生于铝丝与芯片PAD处的焊点剥离失效,并从有限元热机械应力模拟以及功耗循环可靠性测试方面,分析了材料的热膨胀系数失配对失效的影响。生产实践中发现,在板级封装回流焊工艺后,器件铝线与铜引线框架内引脚焊点处也会经常发生剥离。发生于回流焊后的失效,可认为是器件的早期可靠性问题,是由于器件封装工艺条件不稳定导致的焊点与引线框架黏附强度下降,但在封装后自动化测试(final test)中很难检测,而最终在回流焊的热冲击下体现了出来。本文从实验中发现了铜引线框架氧化也是导致点剥离失效的一个重要因素,分析了回流焊前后焊点剥离失效在电测试中所体现出来的特殊现象,最后给出了相应的解决办法。

 

2  实验设计

实验设计流程图如图1所示,其中A类铜引线框架置于清洁环境为10000级的封装前道生产线中24 h使其表面发生明显氧化;B类引线框架处于正常储藏条件下。目的是为了在同一标准生产条件下(栅、源分别采用50,250µm 铝引线,漏极是衬底,封装形式为D-PAK),比较回流焊前后不同的电性能。图示仪常用来人工检测样品栅源引脚间连接是否良好。回流焊前从两类样品的连接性测量上看,并没有反映出引线有开路.

 

 

 

图1实验设计流程

 

接着这20个样品统一通过红外回流焊炉,温度曲线是根据C.Michael Gamer等人[3]提出的无铅回流焊要求,峰值温度为513 K。回流焊后的连接性测量中发现,B类样品都可以通过,但60%的A类样品皆存在如下的测量现象(图2):在较低交流峰值电压(4V)下测量显示栅源间引脚连接开路,但当峰值电压上升到6V左右时,显示连接正接常,当再次降低峰值电压时,依然显示连接正常。实际上对于这些异常A类样品,已经表现出了不稳定的电性能,根据生产线上的实际经验,当对这些样品的引脚施以一定的作用力时,包括自动化测试设备的机械臂对引脚的作用力,都有可能使器件再次不能通过连接性测试。实验中也发现,当对这些异常样品引脚施以2 s的周期性作用力时,有5个样品又重新在连接性测试中表现为回流焊后的结果,即低峰值电压下开路,高电压下正常。

图3所示为对这些异常A类样品进行化学开盖分析具体的开路位置。为了防止开盖过程对焊点有影响,在部分开盖刚刚露出引线时,分别用探针检测栅/源引线间以及栅/源引线与框架内栅/源引脚间的连接性,发现是在栅引线与框架栅内引脚间发生开路,而源引线连接良好。完全开盖后,在SEM下观测可明显看到该处发生焊点剥离。图3(a)中开路为栅引线与框架栅内引脚间;正常为栅源引线间;短路为源引线与框架源内引脚间。

 


 

 

3.  结果分析

由于采用氧化的引线框架导致最终样品出现焊点剥离失效,说明氧化物的存在降低了焊点的黏附强度,所以保持引线框架表面清洁,防止氧化可以提高产品可靠性。

由回流焊前后A类样品两种不同的连接性测量结果可知,回流焊热冲击会加速原先潜在的焊点剥离失效的发生,即对于焊点黏附强度小的器件,回流焊下的热张应力会超过其强度,导致失效。这是由于对于引线来说,其弯矩的作用本身就存在着剥离焊点的应力。在弹性应力范围内,可以用如下公式来描述界面的张应力[4]

 

 

式中:E为弹性模量;r为引线半径;△a为热膨胀系数差;T为温度;L。是特征长度(与引线弯曲程序相关);tpad为PAD的厚度;RA为焊点变形部分宽度与厚度之比。从此公式中可知,张应力与热膨胀系数差和温度成正比,热膨胀系数差反映的是材料间的热失配程度,随着温度升高,应力会显著增加,当增大到超过焊点黏附强度时,就会发生焊点剥离。另一方面,虽然公式中张应力也与引线发生焊点剥离,说明小半径的引线焊点黏附强度也较小。

从电学测量结果可知,对于回流焊后的A类异常样品,在连接性测试中表现出不稳定的测量结果,即在低峰值交流电压下(4 V)表现为开路,而当峰值电压上升到6 V时测量结果又恢复正常,可以将其定义为典型的焊点剥离失效测量现象。这是因为焊点剥离是一种非常微弱的焊点开路失效机制,它强烈地依赖于外部作用“力”,即电学应力和机械应力。在高测量电压下,短时间内积累的热量使焊点融化,可以消除焊点接触面的部分缺陷,使得焊点看起来恢复正常,所以会在连接性测试下显示为正常。但焊点这时候依然是很脆弱的,所以在周期性机械应力作用之后,测量结果又反映出焊点发生剥离。鉴于焊点剥离的连接性测量结果受各种因素制约,封装后自动化测试中难以实现有效地检测,所以必须在生产中严格控制工艺条件,保持引线框架表面清洁,防止氧化或者在引线键合工艺前增加清洗工艺。

 

4  等离子清洗对引线焊点的影响

等离子体清洗技术是近年来研究的热点,很多文献报道了金线球焊工艺前的等离子清洗可以有效提高焊点质量[5-6]。对铝引线楔形焊技术也不例外,去除引线框架表面氧化层,防止回流焊后的引线焊点脱离,对器件可靠性提高有着重要影响。实验中采用氩气等离子体清洗技术,因为氩离子的物理轰击作用,不仅能够有效去除引线框架表面氧化层,而且可以使表面粗糙[7],进一步提高焊点黏附强度,并最终在焊点的剪切强度中体现出来。图4 显示了50µm 铝线有/无等离子清洗两种情况下焊点剪切强度的变化情况,可以看到等离子清洗后焊点剪切强度明显增强,比无等离子清洗时的焊点剪切力上升25%,平均增幅达18.52g·f,而且引入等 离子体清洗工艺,重复实验中的A类样品,发现回流焊后并没有出现焊点剥离现象.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5   结论

通过对铝线焊点剥离失效机制的研究发现:①引线框架氧化也是导致焊点剥离失效的一个重要因素;②回流焊工艺下的热机械效应,会加速原先潜在的焊点剥离失效的发生;③焊点剥离是一种非常微弱的焊点开路失效机制,低峰值交流电压连接性测试下显示开路,而高峰值电压测试下显示正常,是典型的焊点剥离失效的测试现象;④引线键合前的等离子清洗可以减少焊点剥离失效的发生,并可将焊点的剪切强度提高25%。

感谢fairchild(Suzhou)提供的支持与帮助。

 

参考文献:

[1] RAMMINGER   S,TURKES P,WACHUTKA G.Crack mechanism in wire bonding joints [J]. Microelectronics Reliability 1998,38:1301-1305

[2] HAMIDI A,BECK N, THOMAS K, et al. Reliability and lifetime evaluation of  different wire bonding technologies for high power IGBT modules [J]. Microelectronics Reliability, 1991,39:1153-1158.

[3] GAMER C M,VIVEK G, VIVEK B, et al.Challenges in converting to lead-free electronics [C]// Electronics Packaging Technology Conference.2000:6-9.

[4] RAO RT,EUGENE JR.Microelectronics packaging handbook [M].New York:VNR,1997:407-408.

[5] LI Y Y,JOSEPH B B.Effect of the plasma cleaning process on plastic ball grid array package assembly reliability [J]. IEEE Transaction on Electronics Packaging Manufacturing ,2002,25(2):91-99

[6] WOOD L, FAIRFIEID C, WANG K. Plasma cleaning of chip scale packages for improvement of wire bond strength [C]// int’l symp on Electronic Materials & Packaging.2000:406-408

[7] 聂磊,蔡坚,贾松良.微电子封装中等离子体清洗及其应用[J].半导体技术,2004,29(12):30—34.

 

诺发系统有限公司推出VECTOR Express

——PECVD薄膜工艺生产效率和技术领先者

 

2007年3月21日,中国上海-诺发系统有限公司(NOVELLUS)正式推出VECTOR Express?新产品。这是诺发公司300 mm PECVD平台的最新增强版本,其工艺生产速度提高了40%,保持了业界领先的生产效率。此外,VECTOR Express还建立了薄膜工艺性能的新标杆,使该设备能够被延伸到45nm及以下工艺节点。

客户评估结果显示,将具备SmartSoak技术的VECTOR Express系统用于50 nmTEOS薄膜沉积时, 0.08µm大小的微粒缺陷水平是所有类似产品中最低的。进行4 nm栅侧壁氧化膜沉积时,薄膜厚度控制水平在1个原子层之上,表明该系统在晶圆内部以及晶圆与晶圆之间的薄膜厚度控制上具有非常出色的可重复性。

VECTOR Express采用了高精度和高速度的机械传送零部件和晶圆自动监测技术,使晶圆机械传送和处理时间缩短了20%以上,采用先进的材料传输新技术,进一步确保了该系统能够被拓展到各  种薄膜沉积工艺中,2007年第2季度正式用于生产。

诺发于2000年推出VECTOR系统之后,彻底改变了300 mm PECVD市场。该系统能够沉积先进的双嵌入式大马士革结构所需的各种电介质薄膜,是大批量生产的首选设备之一,也是装机量最大的300 mm PECVD系统。该设备设计简单,能够确保系统具有最高的可靠性和正常工作时间。其占地面积只有竞争对手的2/3,大大节省了工厂洁净室的地板空间。

诺发系统有限公司是全球领先的半导体工艺设备供应商。通过创新性新技术的开发和值得信赖  的高生产效率的支持,该公司的产品能够为客户提供最大的应有价值。诺发是一家标准普尔500指数公司,总部位于加州圣何塞,分支机构跨越全球各个国家和地区。