芯片设计和制造对铜丝键合工艺的影响分析

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芯片设计和制造对铜丝键合工艺的影响分析作者：吕劲锋

来源：《中国科技纵横》2013年第13期

【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。