功率器件键合点外观一致性提升的方法

徐世明

珠海格力新元电子有限公司 广东珠海 519110

1 引言

半导体功率器件正在向着高度集成的方向发展，越来越多半导体功率器件中的芯片需要与引线框架进行键合。而键合质量作为评估半导体功率器件可靠性的重要指标，越来越受到半导体厂家的重视。封装制程中评估键合质量的手段不断发展，已经不局限于传统的推拉力测试、弹坑实验，而转向运用统计制程管理SPC等过程工具的趋势，因此在满足基本键合强度的基础上，如何进一步提高键合点外观的一致性及稳定性，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

2 技术背景

现有键合技术一般是采用引线键合机将芯片的电极与引线框架的引脚进行键合，即引线键合机中的超声波发生器产生高频信号，由换能系统将高频信号转换为高频机械振动，在一定时间内将芯片的电极与引线框架的引脚键合形成共同结晶。目前用于承载引线框架的基块均为金属基座，金属基座的键合区域用于承载引线框架，当引线框架在其上发生高频机械振动时，往往使得引线框架在金属基座上发生共振，进而造成键合点外观毛刺（如图1所示，以功率器件IGBT模块封装结构为例，图中红色标注部分为金属基座键合点外观上的毛边），影响键合点质量。因此，如何有效地消除键合过程中引线框架与金属基座间的共振，成为提升键合点外观一致性的关键点。

3 改善方法

为了消除键合过程中引线框架与金属基座产生的共振问题，经过多次试验研究，提出防震基座的概念。采用防震基座替代金属基座，引线框架则直接与防震基座接触，当引线框架发生高频机械振动时，引线框架与金属基座之间的震动会被防震基座吸收，从而避免引线框架在金属基座上发生位置偏移，影响键合质量。如此进行键合，可以有效的减少键合点结晶表面的毛刺，提高其外观质量。

3.1 防震基座材质的选取

防震基座采用橡胶为减震的关键材料，橡胶既有高弹性又有高粘性，橡胶的弹性是由其卷曲分子构象的变化产生的，橡胶分子间相互作用会妨碍分子链的运动，又表现出粘性特点，以致应力与应变往往处于不平衡状态。橡胶这种卷曲的长链分子结构及分子间存在的较弱的次级力，使得橡胶材料呈现出独特的粘弹性能，因而具有良好的减震、隔音和缓冲性能。

橡胶作为防震基座的关键，必须选用合适厚度和硬度的橡胶，橡胶材质的厚度太厚或者硬度太软，都会造成键合点的虚焊，反之，厚度太薄或者硬度太硬则会影响减震效果。因此，经过多次实验总结得出，橡胶垫的厚度为1.55mm～1.65mm，邵氏硬度为64HA～66HA时，减震效果最佳，键合效果较好。另外，橡胶垫可以采用聚乙烯材质制作形成，其中聚乙烯的缓冲性能较好，适合制作橡胶垫。

3.2 防震基座的制作

以功率器件IGBT封装结构为例，对OE7200HD铝线键合设备的键合金属基座进行改造优化。

图1 金属基座键合点外观

图3 防震基座装配后示意图

图2 防震基座装配示意图

图4 键合示意图

（1）选取厚度为1.6mm、邵氏硬度（A）65度、背面带有粘性、材质为氯乙烯的材料，并按照图2中防震橡胶的形状进行裁切，边缘用锋利的小刀去除毛刺，防震橡胶的面积必须覆盖整个键合区域。

（2）制作如图2所示的金属基座，表面开槽的厚度为1.6mm，开槽的形状及大小与防震橡胶一致，需保证开槽表面的平整度，以避免承载面不平导致键合不良。

（3）如图3所示，贴付防震橡胶，将裁切好的防震橡胶带有粘性的一面与金属基座进行粘合，保证表面良好的平整度。以镶嵌的方式将防震橡胶卡在槽中，可防止键合过程中的摩擦造成的移位，提高使用寿命。

（4）将装配好的防震橡胶基座重新装回键合设备的焊接区域。

（5）如图4所示，装配好的防震橡胶基座承载着整个引线框架的焊接区域，在键合过程中，可以吸收引线框架和金属基座间的震动，使键合过程超声波的输出可以稳定作用在键合点上，以便形成良好的键合点。

（6）在同一种类型芯片、不同位置的键合点上，使用相同功率、压力、键合时间等参数进行键合，并对键合后的样品使用显微镜观察外观，可发现使用防震基座的键合点外观（如图5所示）明显改善，且无毛刺。

图5 防震基座键合点外观

图6 金属基座压扁宽度的过程能力

（7）使用测量显微镜测量键合点的压扁宽度，并对压扁宽度进行制程统计分析，采用金属基座键合压扁宽度CPK为1.37（如图6），采用防震基座键合压扁宽度的CPK提升至1.74（如图7），达到预期键合点外观一致性提升效果。

图7 防震基座压扁宽度的过程能力

4 总结

在半导体功率器件高度集成化的趋势下，引线框架设计的复杂性逐渐提高，内部引脚间构造的差异性愈发明显，而这种差异性引发键合过程中不同共振的程度和方式，最终影响键合点外观的一致性，严重的会造成键合点外观不良。键合点的压扁宽度可以反映出键合强度的大小，这是一种非破坏性的检测方式，采取防震基座替代传统的金属基座，解决了共振问题带来的键合点外观不一致的问题，使我们可以采取非破坏性的检测手段，替代原有的破坏性推拉力测试等评估方法，用更科学的过程监测手段控制键合质量，为半导体功率器件的可靠性发展提供有利的技术支持。

[1] 王福亮, 韩雷, 钟掘. 超声功率对引线键合强度的影响[J]. 机械工程学报, 2007,3.

[2] 张玉奎. 半导体器件键合铝丝的发展趋势[J]. 轻合金加工技术,1994,5.

[3] 韩为民. 键合机中超声波的基本控制原理及方法[J] 电子工业专用设备,2003,5.