摘要：随着半导体行业迅速发展，铜线键合技术已成为半导体封装的关键技术之一，影响键合质量的因素很多，但本文基于热超声键合工艺，在焊接过程影响键合质量的相关问题（芯片来料质量、主焊接参数等）进行研究分析，进而确定合理的的改善方案，有效预防焊盘裂纹的产生，为改善焊盘裂纹提供参考资料。
关键词：焊接参数；焊盘裂纹；焊盘结构；探针印迹
前言
由于铜线热导率高、电性能好、成本低，将逐渐代替传统金线。成本也是一方面的考虑因素，向着低成本、低投入的方向优化，以及焊盘结构的日益复杂多样，焊盘越来越薄，焊盘下面电路越来越多，造成焊盘铝层破裂或伤及焊盘下硅本体的风险增大；同时芯片焊盘结构设计，来料自身敏感（CUP结构），给WB的焊接工艺及制程管控也提出了新的挑战；本文主要介绍焊盘裂纹的产生机理及焊盘裂纹产生的因素对产品质量的影响，提出解决思路及预防方案。
1、焊盘裂纹问题失效机理
1.1、焊盘结构分析：
1.1.1.焊盘制程工艺有CU制程与AL制程：CU制程的抗裂纹能力相对较强，主要结构如（图1）
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图1
1.1.2.AL制程的抗裂纹能力相对较弱，主要结构如（图2）
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图2
1.2、焊盘裂纹产生的机理
Wafer工艺，未焊线产品存在焊盘裂纹且焊盘为CUP结构，来料针测印迹深，图4，将铝层扎透，未打线产品有焊盘裂纹，过程、制具管控及焊接参数设置未到最佳等，导致产品出现焊盘裂纹异常。
2、焊盘裂纹产生的机理
根据焊盘裂纹产生的原因，对机、料、法几方面的因素进行分析：
2.1. 机：
2.1.1. 设备超声阻抗异常：超声输出不稳定，生产过程不能有效的形成焊接，导致产品出现焊盘裂纹异常；
2.1.2. 设备一致性差异：同种机型不同设备间一致性存在差异，能量输出不稳定，导致产品出现焊盘裂纹异常；
2.1.3. 保护气嘴碳化：非金线产品设备气嘴碳化，在压焊制程中，则焊球变硬，打线出现裂纹异常。
2.1.4. 打火杆发黑：对于铜线产品要求较高，FAB的真圆度至关重要，生产过程中球形不良致使焊接过程参数对焊盘的破坏性极大，FAB球形不良，导致焊盘裂纹异常。
2.2. 料：
芯片自身存在缺陷：中测时探针印太深损伤焊盘，露出氧化层，特别是焊盘下有电路、器件等的芯片，则在未封装前已经出现了问题，打线过程造成异常进一步扩大。
2.3. 法：
2.3.1. 芯片平整度：DB粘片有翘曲、胶量不足等造成芯片不平整，压焊加工过程不稳定，其中主要有：同一芯片不同位置高度差异大、同一窗口不同芯片高度差异大、同一框架不同区域高度差异大，都有可能造成弹坑裂纹。
2.3.2. 芯片结构敏感：当焊盘设计为CUP结构或瓦棱状结构，焊接过程能量传输不能均匀，瓦棱状（MOS芯片）结合部位容易出现裂纹异常；
2.3.3. 参数使用不合理：焊接参数未优化到最佳，球底部未做平整，焊盘承受的在一个点上，没有使USG均匀受力，使之出现弹坑；
2.3.4. 劈刀选用不当：劈刀结构中影响第一焊点参数为CD、H、ICA，为保证焊接时球形的稳定性，劈刀型号选择时未依据选型原则选用，导致焊盘裂纹异常；
3、焊盘裂纹预防方案
3.1、设备超声阻抗改善方案
3.1.1扭力矩校准
硬件保障是前提，为了确保超声输出的稳定性，先确保制具的准确性，校准频次由现行的1次/年增加到1次/每月，同时在校准过程中发现有力矩不准，及时隔离报废，重新更换新扭力矩；
3.1.2劈刀螺丝寿命管控
劈刀螺丝也是影响超声输出主要因素之一，一般管控是按照滑丝或滑牙为依据来更换，不能做到提前预防的作用，必须制定时间寿命管控：1次/周；
3.1.3超声阻抗范围
超声阻抗进行范围管控（+/-3 Ohm），锁定上、下限，当更换完劈刀后，阻抗未到锁定的范围内，不允许加工，工程进行分析，并给定改善方案才能解锁，确认产品质量无异常后，再交付产线正常运行。
3.2、设备一致性差异改善方案
对于焊线设备的稳定性和一致性，是工艺稳定的保障，需要定期对设备焊接力、设备解析度、设备焊接水平高度、打火杆状态、打火间隙、设备温度等进行检测和校准。产品质量确认必须统一使用标准假片，同一供应商的焊丝，同一款劈刀确保推、拉力控制在一定范围内，同时确认推力、拉力、弹坑、IMC、球大小、厚度等的结果，才能确保设备一致性。
3.3、保护气嘴碳化改善方案
非金线产品如气嘴碳化引起球形不良，最终造成焊盘裂纹问题是比较隐形的，在线侧重管控气体流量设备报警，只要设备范围设定正常，内部默认为正常，气嘴的碳化执行目测更换，出现球形不良异常后更换，已是问题发生产生不良结果，不能做到提前预防的工作；只有对气嘴进行寿命管控做好管控，不同的机型固定新气嘴进行寿命跟踪，定期进行目测+FAB观察，评估出气嘴的管控寿命，定期更换，才能从根本上做到预防。
3.4、打火杆发黑改善方案
打火高度及保护气体气嘴位置的组合，决定产品的氧化程度，确认打火杆的上表面与对应的气体喷嘴的下表面应处在同一个平面上，以确保烧球时焊球保护良好；保护气体在易出现氧化的高压打火杆烧球点（EFO过程）与工作台的芯片加热区域，铜线流量一般（0.5-1.0）L/min之间，流量大小主要视铜球的氧化颜色与焊球的焊接外观而定，太大会出现高尔夫球情况，太小则会影响保护作用；
加工过程对打火高度及保护气体气嘴位置的组合应时时监控确认，可有效避免氧化发生。
3.5、芯片自身存在缺陷改善方案
探针印迹较深深度不能使焊点铝层被扎透，若中测时探针印太深，已经损坏焊盘、造成硅本体破裂，特别是焊盘下有电路、器件的芯片，在未封装前已经存在隐患，焊线后会使异常进一步加剧。通常要求探针印面积不能大于焊盘面积的25%，当面积大于25%时，其影响压焊焊球变形后与焊盘的有效接触面积，需要客户端从晶圆设计上做改善，配合封装提升产品品质。
3.6、芯片不平整改善方案
芯片平整度对压焊的加工起到至关重要的作用，尤其是300um*500um
之间的芯片，DB粘片易出现芯片翘曲异常，导致压焊加工过程中出现打不粘、Peeling等问题，加工过程不稳定，压焊会尝试重新做DOE参数，间接的引起焊盘裂纹异常，可以推荐使用DAF膜或刷胶工艺等方案改善，确保粘片的平整度。
3.7、参数使用不合理改善方案
压焊的焊接参数，在前期NPI导入阶段，必须经过系统的DOE验证，确定最佳参数范围。
压焊引线键合是指在一定温度下，采用超声加压的方式形成焊接，实现芯片内外部电路的连接。当超声值越大，则键合强度越好。但USG达到焊盘可承受极限时，再加大则会破坏焊盘，使之出现裂纹甚至弹坑，从而影响了产品的电性能，在确保焊接强度的前提下，尽可能降低焊球对焊盘的冲击，避免焊盘因冲击造成损伤，总结出了一套较为通用的参数模式，具体如下：
1.S-F模式
此模式使用Scrub、Force模式，当焊球接触到焊盘后，第一段参数使球发生形变，FAB球受力挤压成型为扁平状焊点。第二段参数生产IMC，达到使焊球与芯片焊盘焊接的作用，此模式焊接方式简单，适用于普通结构焊盘；
2.S-F-F模式
此模式使用Scrub、Force、Force模式，在焊球接触焊盘后，第一段研磨，使FAB渐变成扁平状焊点，第二段预生成IMC，第三段USG的方式，使焊球与焊盘焊接，此模式使焊球与焊盘的接触变的平滑而缓慢，能够很好的控制一焊点的点型。
3.F-S-F模式
此模式同样使用Force-Scrub-Force模式，但在接触焊盘后，第一段参数使焊球初步成型，第二段研磨，使焊球成型更好，预生产IMC，第三段参数将焊球与焊盘焊接，此模式焊球成型较柔和，成型后一致性较好，对于薄焊盘芯片具有良好的缓冲作用。因此在前期验证阶段设置压焊工艺参数时，必须经过系统的DOE试验后确定最佳参数范围，并将此范围进行锁定管理。
此三种焊接模式，在测试推球强度时，数值及CPK基本一致，并无明显差异；可以按照产品的特性进行推广应用。
ASM设备参数应用：
3.8、劈刀选用改善方案
对于劈刀的选型，不同的劈刀参数对裂纹的影响不同，影响第一焊点焊接的主要参数为CD、H、ICA，为保证焊接时球形的稳定性，劈刀选择必须依据芯片焊盘大小、焊点间距、焊丝规格等要求选择最佳型号，在满足选择依据的前提下，尽可能选CD较大的劈刀，可以保证球的接触面积，利于改善焊盘裂纹、失铝等诸多问题。
结论
本文通过对pad结构及相关数据分析，得出以下结论：
一、为改善焊盘裂纹首先要对所有外部因素包括生产过程中使用的设备一致性、劈刀的选用、客户来料芯片的质量、FAB真圆度等影响点的论证及其后续对生产过程的管控，来预防裂纹的发生。
二、在工艺参数方面，尽可能的使用三段参数模式，推荐使用摩擦，球底部做平整，做到面接触的理念，减缓焊球对焊盘本身的冲击，使焊接参数呈阶梯状输出，对焊接参数进行DOE优化，寻求最佳焊接参数。
当然对于弹坑裂纹问题要不断分析其产生的原因，也要深层次掌握其潜在的危害，考虑各种可以产生弹坑裂纹的可能性，从各种问题根本原因着手，预防弹坑裂纹的发生。
论文作者:白旭升,高玲
论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/21
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