鋁帶鍵合小型功率器件互連新技術(shù)

鋁帶鍵合：小型功率器件互連新技術(shù)劉培生;成明建;王金蘭;仝良玉【摘要】隨著半導(dǎo)體封裝尺寸日益變小，普遍應(yīng)用于大功率器件上的粗鋁線鍵合技術(shù)不再是可行的選擇.新近推出的鋁帶鍵合突破了封裝尺寸的限制，實(shí)現(xiàn)了小功率器件封裝中鍵合工藝的強(qiáng)度和性能優(yōu)勢(shì).鋁帶鍵合提供了一個(gè)近乎完美的技術(shù)替代，且比現(xiàn)有技術(shù)更具吸引力.文中介紹了鋁帶鍵合工藝技術(shù)，著重關(guān)注其在小型分立器件中的應(yīng)用.就SOL8和更小型無引腳封裝的性能和制造能力從鍵合質(zhì)量、工藝能力以及設(shè)計(jì)要求等方面對(duì)其展開討論，并與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行性能和成本的比較，可發(fā)現(xiàn)其技術(shù)能力和潛力.【期刊名稱】《電子與封裝》【年(卷)，期】2011(011)001【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P5-8,25)【關(guān)鍵詞】鋁帶;鋁帶鍵合;小型功率器件;SOL8;PDFN【作者】劉培生;成明建;王金蘭;仝良玉【作者單位】南通大學(xué)杏林學(xué)院，江蘇省專用集成電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇，南通226019浦通富士通微電子股份有限公司，江蘇，南通226006浦通富士通微電子股份有限公司，江蘇，南通226006;南通大學(xué)杏林學(xué)院，江蘇省專用集成電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇，南通226019浦通大學(xué)杏林學(xué)院，江蘇省專用集成電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇商通226019【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TN305.941引言TO系列是標(biāo)準(zhǔn)的功率分立器件，在過去十幾年中一直處于緩慢的發(fā)展態(tài)勢(shì)，0.13mm~0.5mm線徑的粗鋁線鍵合是TO系列封裝的主要互連技術(shù)。SOL8等低功耗小型器件，主要采用的互連技術(shù)是0.03mm~0.08mm線徑金線鍵合。近年來，便攜式的應(yīng)用使得發(fā)展尺寸更小的功率器件顯得越來越重要，電信和計(jì)算機(jī)中的高端應(yīng)用也在尋求性能更高且引腳短小的器件，所有這些需求對(duì)開發(fā)新的封裝外形及新的互連技術(shù)都起到了重大的推動(dòng)作用。從經(jīng)濟(jì)角度講，功率器件的價(jià)格是隨芯片尺寸減小而降低的，小尺寸高功率芯片能夠?qū)崿F(xiàn)更小型的封裝，小型器件在電路板上占用更小的面積，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的成本降低?，F(xiàn)有的金線鍵合技術(shù)為滿足更高的電流要求而增加互連截面直接導(dǎo)致了金線材料成本的增加。為使主流功率器件應(yīng)用能夠受益于新近的功率芯片技術(shù)的發(fā)展，有必要開發(fā)全面有效、能實(shí)現(xiàn)高性能和低成本的互連新技術(shù)。2鋁帶鍵合鋁帶鍵合是粗鋁線鍵合技術(shù)的延伸和發(fā)展，是將尺寸范圍在0.5mmx0.1mm到2mmx0.25mm內(nèi)的鋁帶進(jìn)行超聲波焊接的一種新型互連工藝技術(shù)。鋁帶的矩形截面取代了鋁線的圓形截面，其材料組成和機(jī)械特性與粗鋁線幾乎一致。截面幾何形狀的改變，減小了線鍵合的強(qiáng)度和橫向靈活性，卻增加了縱向靈活性和鍵合設(shè)計(jì)的靈活性。橫向靈活性對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的互連很重要，是在較大受力角度下鍵合能力的體現(xiàn)，如TO系列封裝(見圖1(a))和多芯片中的應(yīng)用。圖1DPAK(a)和SOL8(b)鋁帶鍵合縱向靈活性表現(xiàn)在合適的縱橫比范圍內(nèi)選擇特定的鋁帶厚度和寬度，可以用少的鋁帶組成一個(gè)大的互連截面，鍵合在給定的焊接區(qū)域上。如表1所示，根據(jù)鋁帶的縱橫比，可用一根鋁帶取代線徑為雙倍鋁帶厚度的1.6根（5:1）和4.8根（15:1）鋁線。（表1中的計(jì)算結(jié)果主要依據(jù)典型焊線材料的電阻率p獲得：pAl=2.7x10-6Q-cm;pAu=2.3x10-6Q?cm;pCu=1.7x10-6Q?cm。）因鋁帶的厚度決定了弧的彎曲強(qiáng)度，縱向靈活性在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)短弧和超低弧的需求顯得特別重要，尤其是在薄型封裝器件中。表1典型焊線和鋁帶換算表？3小外型功率器件標(biāo)準(zhǔn)的功率SOL8封裝作為小外型功率器件的代表，因其比普通的TO系列封裝有著較高的芯片與外型比，一直受到業(yè)界普遍的關(guān)注。相比TO系列而言，SOL8封裝的芯片至弓I腳之間距離更短，這直接導(dǎo)致自回路電阻的降低。如圖1（a）DPAK的典型弧長(zhǎng)為2.5mm~3.0mm，而SOL8弧長(zhǎng)僅為1.0mm~1.5mm,為了在SOL8上產(chǎn)生如DPAK-樣的自回路電阻，其彎弧截面需減小50%。圖1（b）中標(biāo)準(zhǔn)的SOL8外形顯示這類封裝的布局比DPAK更適合鋁帶鍵合，其源極引腳更寬且有大比例的外露散熱片，這就允許在足夠大的芯片表面上鍵合一根或多根直鋁帶。近兩年來一種新型無引腳小外型功率器件PDFN也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，因其芯片與外型比更高，本質(zhì)上決定了有源區(qū)焊線引腳深度有限，鋁帶鍵合設(shè)計(jì)的靈活性正可以滿足這一特征，使得更大截面寬鋁帶短焊點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)成為可能。4封裝設(shè)計(jì)和工藝要求4.1鋁帶鍵合配置源極引腳尺寸很大程度上決定了鍵合的配置，引腳長(zhǎng)度（X）決定了平行鋁帶的寬度和數(shù)量，引腳深度（Y）決定了鍵合焊點(diǎn)的長(zhǎng)度。源極引腳的有限深度限制了鍵合焊點(diǎn)的最大長(zhǎng)度，如圖2。在多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)SOL8應(yīng)用上，建議設(shè)計(jì)者增加源極引腳深度至0.58mm，以保證鍵合焊點(diǎn)長(zhǎng)度至少為0.25mm，同時(shí)加固Y方向焊接的強(qiáng)度。根據(jù)已知焊點(diǎn)長(zhǎng)度如鋼嘴的寬度，在芯片表面接觸區(qū)域應(yīng)盡可能使用多次焊接。兩次鍵合代替一次鍵合能減小至少50%的擴(kuò)展電阻，三次鍵合代替兩次鍵合能減小17%，每增加一次鍵合擴(kuò)展電阻就會(huì)遞減，對(duì)于多數(shù)應(yīng)用來說，最好的配置就是性能與成本（生產(chǎn)效率）之間的統(tǒng)一。圖2源極引腳焊接1mmx0.1mm鋁帶雖然鋁帶厚度的稍微增加會(huì)導(dǎo)致回路電阻的減小，但相對(duì)于整個(gè)器件電阻來講，其絕對(duì)減小值卻是微乎其微的。相對(duì)于增加鋁帶厚度，增加鋁帶的寬度會(huì)更為有效，加寬的鋁帶也能使回路和擴(kuò)展電阻減小，而且對(duì)于不是特別高的鋁帶縱橫比，增加鋁帶寬度，其焊點(diǎn)和彎弧工藝方面的控制要比增加鋁帶厚度容易得多。4.2裝片鋁帶鍵合與所有的標(biāo)準(zhǔn)裝片工藝相兼容：鉛錫焊、焊骨和銀漿。與鋁線鍵合相比，鋁帶鍵合對(duì)于鋁帶垂直方向的芯片傾斜更敏感，實(shí)驗(yàn)證明，傾斜度在2°的情況下，鋁帶寬度和厚度的比例在10:1或更低的時(shí)候并不會(huì)對(duì)鍵合質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。導(dǎo)致芯片傾斜的工藝原因多數(shù)傾向于其對(duì)于焊料位置和濕度的敏感度，與此評(píng)估一致，在不同鋁帶鍵合應(yīng)用的大量試驗(yàn)中并沒有發(fā)現(xiàn)傾斜會(huì)帶來顯著的影響。對(duì)于任何類型的線鍵合，芯片表面沾污將會(huì)影響工藝的穩(wěn)定性，一般來說，如果裝片后需要進(jìn)行鍵合（如gate區(qū)），強(qiáng)烈推薦焊膏回流后進(jìn)行清洗以去除有機(jī)物沾污，對(duì)于裸銅或者鍍鎳框架，銀漿固化需要在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行以防止氧化。對(duì)于鋁帶鍵合，必須防止不完全的焊料回流或銀漿固化造成的裝片覆蓋率不夠，由于超聲震動(dòng)引起的鍵合表面不同反應(yīng)，它可能會(huì)導(dǎo)致鍵合過程的失效，如虛焊、焊不牢或焊不上，最糟糕的情況會(huì)產(chǎn)生芯片裂紋。4.3框架鍍層所有標(biāo)準(zhǔn)的鍍層，裸銅、鍍Ni、NiPdAu和鍍Ag的框架都適用于鋁帶鍵合。Ni是鋁帶鍵合需要的標(biāo)準(zhǔn)鍍層，Al-Ni在各種條件下都是最穩(wěn)健且可靠的合金系統(tǒng)，在汽車電子中也不例外。裸銅框架常用于粗鋁線鍵合，在鍵合能力和可靠性方面也同樣適用于鋁帶鍵合，在沒有嚴(yán)重氧化發(fā)生的情況下，其鍵合能力和鍍鎳層鍵合相差無幾。如果因銀漿固化弓1起了銅框架氧化，在選擇適當(dāng)?shù)暮割^、鍵合工藝參數(shù)和牢固的夾具情況下，使用鋁帶焊接的焊點(diǎn)相對(duì)于鋁線焊點(diǎn)會(huì)更牢固，但即使是很小的氧化，Al-Cu結(jié)合都要比Al-Ni結(jié)合弱得多。鍍銀框架雖提供了很好的鍵合性能，但由于相互擴(kuò)散和濕氣條件下的氧化，Al-Ag結(jié)點(diǎn)的合金性能會(huì)逐漸減弱，因此Al-Ag鍵合主要局限在可靠性要求不高的低端應(yīng)用。5鍵合工藝能力5.1鍵合強(qiáng)度大部分情況下，薄型封裝外的低弧鋁帶很難實(shí)現(xiàn)拉力測(cè)試，因此剪切力測(cè)試更適合評(píng)價(jià)鋁帶鍵合的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)證明，雖然從鍵合焊點(diǎn)側(cè)面進(jìn)行剪切測(cè)試是可行的，但是從鍵合焊點(diǎn)尾部進(jìn)行剪切力測(cè)試卻更為合適，圖3是典型的從焊點(diǎn)尾部做剪切力測(cè)試的鍵合圖片。這里需要使用一種特殊的剪切力工具來防止鍵合焊點(diǎn)尾部滑上測(cè)試工具，從而導(dǎo)致鍵合剝離而非剪切。實(shí)驗(yàn)表明，鍵合的剪切強(qiáng)度高于鋁帶的拉伸強(qiáng)度將足夠使其通過典型的可靠性測(cè)試，這和JEDEC標(biāo)準(zhǔn)中要求的最低剪切強(qiáng)度等同于材料拉伸強(qiáng)度的鋁線鍵合剪切力測(cè)試要求也是一致的。圖3鍵合焊點(diǎn)剪切力測(cè)試5.2鍵合弧高對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的功率SOL8封裝來講，1mmx0.1mm鋁帶的弧高目標(biāo)值在0.2mm~0.25mm范圍內(nèi)，隨著芯片厚度的變化，其最高和最低值的弧高規(guī)范為0.36mm和0.15mm。圖4(b)顯示了無引腳PDFN封裝，其1mm的封裝體厚度比標(biāo)準(zhǔn)SOL8提供了更大的彎弧空間，為滿足特殊用途而設(shè)計(jì)的1mm厚度標(biāo)準(zhǔn)SOL8封裝體，其芯片上表面至封裝體頂部表面之間的距離為0.4mm(如圖4(a))，而圖4(b)的PDFN封裝中距離可達(dá)0.56mm。無引腳PDFN封裝中采用同樣0.4mm高度的設(shè)計(jì)更可減小封裝體的厚度至0.86mm。以上所述的低弧能力，表明鋁帶鍵合可以實(shí)現(xiàn)有效互連，應(yīng)用于1mm厚度的SOL8及PDFN薄型功率器件以及未來的封裝和實(shí)際需求，并且隨著芯片厚度的變化，可減少封裝體厚度最低至0.8mm。圖4鋁帶鍵合弧高及弧長(zhǎng)6性能、可靠性、成本6.1電性能從芯片互連電阻分析，根據(jù)表1描述，1mm長(zhǎng)、截面尺寸為1mmx0.1mm的鋁帶其電阻約為0.26mQ,而1mm長(zhǎng)、線徑0.08mm的金線其電阻大約為5.04mQ。能夠鍵合在標(biāo)準(zhǔn)SOL8封裝的線最大數(shù)目受源極引腳的尺寸限制，根據(jù)引腳寬度的變化(3.25mm~3.55mm),0.08mm的線可鍵合14~18根，而0.05mm的線可鍵合20~22根。對(duì)于芯片尺寸為3.56mmx2.54mm且?guī)в?pm厚度的典型源極金屬層來講，芯片上兩次鍵合兩個(gè)平行的1mmx0.1mm鋁帶的互連電阻大約為0.5mQ，而對(duì)于14根0.08mm直徑的金線配置，其互連電阻大約為0.8mQ。18根0.08mm直徑的銅線是適合這個(gè)封裝的最大線的數(shù)目，最多也會(huì)產(chǎn)生0.5mQ的互連電阻，這和鋁帶配置相當(dāng)。6.2可靠性通過合適的芯片設(shè)計(jì)和封裝材料的選擇可以提高可靠性，但是優(yōu)化芯片互連技術(shù)從本質(zhì)上來講更容易被接受和實(shí)現(xiàn)，并且也更可靠，在運(yùn)行或熱循環(huán)條件下會(huì)有更低的敏感度。在幾項(xiàng)評(píng)估中，采用鋁帶鍵合的無引腳PDFN封裝通過了典型的可靠性測(cè)試：溫度循環(huán)(500個(gè)循環(huán)@-65°C/+150°C)、高溫存儲(chǔ)(1000h@175°C)、高壓蒸煮(168h@121C,RH=100%,15PSIG)、標(biāo)準(zhǔn)前處理?xiàng)l件下的2級(jí)吸濕(MSL2，如圖5),都沒有出現(xiàn)任何和鋁帶鍵合相關(guān)的失效。在芯片上單金屬鍵合的鋁帶鍵合部分可提高芯片工作結(jié)溫至175^（前提是柵極也是0.05mm或者0.08mm直徑的鋁線鍵合），這在汽車應(yīng)用中是非常需要的。而金線和銅線鍵合在標(biāo)準(zhǔn)的芯片表面鋁金屬層上將會(huì)降低芯片在如此溫度下的工作壽命，不適用于汽車電子。6.3成本因素半導(dǎo)體封裝中芯片互連的成本包含設(shè)備成本、耗材成本以及良率損失的成本，其中耗材成本占有最大的比重。金線材料的高成本是金球鍵合的主要弱點(diǎn)，在每盎司黃金1000美元的價(jià)格下，對(duì)于單個(gè)器件來講，總長(zhǎng)度為22mm的0.05mm金線的成本約為3.7美分，同樣尺寸的0.05mm或者更大線徑的銅線成本大約只占金線成本的1/20，而具有相當(dāng)電性能的2x1mmx0.1mm鋁帶3.5mm長(zhǎng)度的低弧成本約為0.2美分，這雖然和銅線材料的成本接近，但是仍然有降低成本的空間，這是由于目前鋁帶鍵合產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)規(guī)模不足導(dǎo)致所用鋁帶材料價(jià)格高于實(shí)際所需要的材料價(jià)格，一旦鋁帶鍵合的技術(shù)得到推廣，產(chǎn)能擴(kuò)充，這種情況必將得到改變。7結(jié)束語(yǔ)鋁帶鍵合是粗鋁線鍵合的進(jìn)一步改良，它保留了鋁線鍵合技術(shù)的強(qiáng)項(xiàng)，同時(shí)又增加了新的元素，這使得它非常有效地在更薄的功率器件上實(shí)現(xiàn)互連，尤其是PDFN封裝。鋁帶鍵合比金線鍵合提供了更好的電氣性能和更低的成本，在成本相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上提供了可與銅線相匹敵的電氣性能。鋁帶鍵合無引腳封裝還提供了與銅帶設(shè)計(jì)類似的熱性能，而且鋁帶鍵合的成本較低，整體效果更佳。所有這些封裝層面的優(yōu)勢(shì)都遵循現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不需要特殊的專有封裝和互連設(shè)計(jì)，因此它允許使用通用的工藝和設(shè)備，并可由多數(shù)封裝企業(yè)提供?？傊?，鋁帶鍵合是一種很有吸引力的芯片互連技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于主流設(shè)備上的小外形功率器件封裝。參考文獻(xiàn)：[1]葛勵(lì)沖.微電子封裝中芯片焊接技術(shù)及其設(shè)備的發(fā)展[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2000.[2]IPC/JEDECStandardJ-STD-020C.Moisture/ReflowSensitivityClassificationforNonhermeticSolidStateSurfaceMountDevices[EB/OL].2004,.[3]EIA/JEDECStandardEIA/JESD22-B116.WireBondShearTestMethod[P].item5.2,1998.[4]Luechinger,Ch.LargeAluminumRibbonBonding:AnAlternativeSolutionforPowerModule