铝线键合机理和ORT失效案例分析

来源:收集 点击数:242 更新时间:2018/10/9 9:49:17

铝线键合机理和ORT失效案例分析
 


引线键合COB (Chip on Board) 是减少电子产品元器件数量和降低制造成本的技术方案之一。微芯片(Die)通过引线键合工艺与印制线路板连接,以取代传统的元器件封装。COB技术早期应用于数字时钟和手表,现已广泛应用到多种电子产品中,如数码相机、电子娱乐产品、射频识别产品、电子安全密匙、LED和医疗设备等。

COB是一种用于硅芯片和半导体封装外延引脚电气连接的制程工艺,材质一般为金、铝或铜质细导线。尽管COB工艺已经成熟应用多年,但还是会因为各种原因而出现一些制造不良,如晶片破裂、陷坑、漏键合、导线形变过大或过小,跟部断裂,键合翘起等。

一、ORT失效案例

1、某产品ORT(On Going Reliability,持续可靠性测试)缺陷率突然飙升,主要缺陷现象是无数字显示或部分数字缺失 ,如图所示。此产品有一个6位数显的LED屏,输出显示由PCB板上的芯片管控。芯片与PCB板连接方式为超声波铝线键合。

2、不良产品再键合后出现键合翘起问题。

二、ORT不良案例失效模式分析

分别针对ORT和功能测试1(键合后的Function Test )工位的不良品进行失效分析,以确认其失效模式。

1、目视检查:100%目视检查不良样品,未发现任何外部的物理损伤和其它问题。

2、I/O开短路测试:使用万用表对ORT不良样品进行I/O开短路测试,发现失效样品的16和49引脚有开路现象(如图),而根据产品的电路原理图,引脚16和49的开路将会导致无显示或数字显示缺失。

3、切片分析(X-section):选取两个ORT不良品进行切片(X-section),切片选取的位置为在I/O开短路测试中发现有开路的引脚(引脚16和49)。切片发现键合点跟部出现断裂。

4、扫描电镜(SEM)检测:在显微镜下对功能测试工位1的不良品进行检查,从中选出没有外观不良(如漏线,断线或翘起等)的板做扫描电镜检测。 检测结果显示有跟部裂纹,且与切片断裂位置一致。

5、染色实验:对功能测试工位1的不良样品,用染色实验进行进一步分析,发现键合点跟部有开裂的现象。

6、小结:从I/O的开路/短路检测、切片、电子扫描检测和染色分析结果来看,造成ORT不良的主要原因是键合点跟部开裂。

三、键合跟部开裂原因分析

综合分析键合过程,导致跟部开裂的因素可能有:劈刀结构;完成第一步键合后劈刀离开前或离开过程中机器振动;铝线塑性变形过大;从键合点到弧线顶部的移动轨迹太陡;键合参数设置不当等。

1、劈刀结构,从扫描电镜结果看出,不良品跟部断裂面的宽度与键合部位的线宽没有很大的差别。这说明现在使用的带后倒角(BR)的劈刀不会使键合跟部产生过度的挤压和形变,因此本案例中的劈刀不是造成开裂的主要原因。

2、从键合点到弧线顶部的移动轨迹太陡或劈刀提升角度太大可能导致键合跟部裂纹,所以对键合过程中劈刀的移动轨迹进行优化,并对线弧高度进行调整,消除潜在隐患。

3、功能测试工位1中可以观察到许多有跟部微裂现象的样品,而这些样品会通过功能测试工位1而流至后续的ORT/ESS(环境应力筛选试验)测试中。这些跟部微裂纹可能会发展为跟部开裂,并完全断开而出现功能不良。在PCBA 后续的装配过程中,机械应力也可能导致键合跟部开裂。通过对生产制程中可能产生机械应力的各个相关工位进行应力测试,各工位作用在PCBA上的机械应力均在可接受的范围之内,基本可以排除机械应力的影响。

4、对PCBA进行有限元模拟分析(FEA),在热循环过程中COB位置受到超出标准几倍的热形变应力(如下图)。热应力可能促进键合的跟部微裂纹进一步恶化而出现开裂。

5、抗拉强度对比实验:选择键合位置跟部出现微裂纹和没有微裂纹的PCBA进行抗拉强度测试。

对测试结果进行2-Sample T检验。在采用90%置信度的条件下,其P值为0.057,这说明两种样品的抗拉强度存在临界显著差异。跟部开裂(Neck Break)与前面SEM检查中发现的跟部微裂纹的位置一致。因此,键合跟部微裂纹是导致后续功能测试及ORT不良的主要原因。

四、键合参数优化DoE

一般来说粗铝线比细铝线的键合抗拉强度高。本案例使用的铝线线径为0.9mils,但是基于可靠性的考虑以及设计和工艺条件的允许,后续的改善过程采用1.0mil铝线作为实验对象。

1、DOE设计

选取超声波功率、键合时间和键合压力作为输入因子,抗拉强度为输出响应。设定19组实验条件,其中包括1次重复(Replicate)和3个中心点的条件组合。

超声波功率: 50LVL (min)、 90LVL(max)

键合时间: 10ms (min)、 30ms (max)

键合压力: 15gf (min)、 30gf (max)

2、DoE 结果

- 超声波功率、键合时间和键合压力三个主因子对于抗拉强度响应都不是显著因子;超声波功率、键合时间的交互作用对抗拉强度响应是显著因子;

- 曲线度显著,中心点显著,各输入因子同抗拉强度之间呈非线性关系。

- 大的功率只需要很短的时间就可将铝线表面的氧化物去除,但同时过大的功率会造成铝线过度变形,反而降低键合抗拉强度;过长的键合时间也会造成铝线的过度形变,降低键合抗拉强度;过大的压力则会增加两接触面间的摩擦力,从而需要较大的功率相配合,否则无法有效清除铝线表面的氧化物而出现键合不良,降低键合抗拉强度。

- 残差图显示数据的分布是符合正态分布,并且符合建模要求。可以考虑使用此模型来产生轮廓图(Contour Plot)从而获得优化的工艺窗口。由于抗拉强度除了均值的变化以外,还有其标准差也需要考量。因此选用抗拉强度的长期工艺能力指数(PpK,包含有均值和标准差)来代替抗拉强度均值作为输出响应。并在此基础上获得优化工艺窗口。

- 下图为压力分别在15gf,22.5gf和30gf时的轮廓图。其中深绿色区域表示铝线键合的抗拉强度最大。

3、推荐键合工艺参数

超声波功率:50LVL--- 60LVL

- 键合时间:25ms---30ms

- 键合压力:15gf---30gf

五、改善结果验证

使用线径为1.0mil的铝线和匹配劈刀以及化优后工艺参数(功率:55LVL; 时间:27ms;压力:22gf)进行了批量生产,没有跟部裂纹的现象(如下图一)。通过对9400pcs的生产跟踪,ORT不良率远低于之前的ORT不良率,从1.02%下降为0.04%(如下图二)。

、键合界面分离的原因分析

1、理想的键合界面

理想的键合界面应该是铝线的接触界面与焊盘的接触面完全熔合在一起,没有分离翘起现象。

2、键合机理

超声波键合是一种固态连接,分为若干步骤和几个阶段:

第一步  劈刀下压接触铝线并使铝线预变形到某一程度;

第二步 在恒定的压力下劈刀与铝线一起在焊盘接触界面上沿切线方向快速往返运动,摩擦生热,铝线开始变形,接触面温度逐步上升并开始相互扩散,具体可分为三个阶段:

- 清洁阶段:去除铝线和焊盘表面的氧化物或污染物,界面温度逐步升高,铝线开始形变。

- 熔合阶段:温度急剧上升,铝线变形,两金属逐渐熔合在一起直到接触面之间只有一个原子晶格距离。

- 扩散阶段:摩擦产生的热能促进键合面的原子相互扩散,此时的温度、压力将保持恒定直到接触面间形成稳定的金属合金层。这个回火过程也可稳定界面处的原子扩散而防止键合脆化。

根据G. Khatibi和他的团队研究结果,典型的界面是由Al和Al2O3细晶粒(其大小在几百纳米致10nm之间)、非晶态氧化铝、空洞和气孔等组成。这些在界面区域发现的特征与芯片连接盘上的表面处理层的氧化特征不尽相同。在背散射电子显微镜(EBSD)下可以看到铝线键合界面微粒的分布状态和晶粒方向分布典型微观结构。

利用透射电子显微镜(TEM)获得铝线键合界面典型微观结构放大图和A,B,C 区域的SAD图像(分别为b,c,d)。从键合界面微观结构图中我们可以看出键合界面的宽度约为1 微米(um),其中包含有一些亚微米级的颗粒、空洞、气孔。同时,在界面处有观察到γ-Al2O3晶体,这说明键合时,高频摩擦释放出很大的热能,键合面可能处于一个短暂的高温度环境下。所以,键合参数的设置就需要综合考虑功率,压力,时间之间的相互关系,并非压力越大,连接强度就会越好。

3、再键合条件

COB铝线再键合和初次键合使用相同的工艺参数。机器参数设定功率:62LVL,时间:22ms,压力:18gf,由于焊盘的大小和间距的空间限制,常常将新的铝线直接叠加在残留铝线上面(如下图)。

4、结果分析

从前面的键合机理介绍中我们已知道在超声波键合的初始价段,磨擦产生的能量有利于键合面氧化膜和污染物的去除。如果焊盘上的铝残留没有去除干净,就会导致焊盘凸起不平,直接影响到第二次键合时两接触面间的磨擦,导致清洁不充分,从而影响键合效果---无法形成有效的键合层而产生界面分离。 

芯片上连接盘的表面镀层为铝硅合金(AlSi),腐蚀实验不适用,而PCB焊盘表面涂层为ENIG,可采用腐蚀实验,用氢氧化钠(NaOH)将PCB焊盘上的残留铝熔解掉后,发现焊盘表面留下键合磨损(Fretting)的印迹。第一次键合在焊盘表面留下了轻微磨损印迹,这些印迹不同于焊盘镀层表面的氧化或污染。焊盘镀层表面的氧化与污染在超声波键合的微摩擦过程中被清除,微磨损印迹无法消除,这些印迹会对铝线键合强度产生负面影响。

5、解决方案

- 焊盘上的铝线残留会导致键合面不平整而影响二次键合的质量,所以对于需要二次键合的板,必须事先将焊盘上的铝线残留彻底去除。

- 在焊盘空间允许的情况下,二次键合点最少有50%以上的接触面积是未使用过的焊盘表面,以免第一次键合留下的微磨损印迹影响最终键合强度。

七、结论

1、键合跟部开裂是导致无显示和数字显示缺失的主要原因;

2、键合翘起是由于焊盘上残留铝阻碍了新铝线同焊盘的有效键合。

3、再键合前,焊盘上的铝线残留必须去除干净,以保持焊盘表面平整,同时在条件允许的情况下,二次键合点的50%以上的接触面应该是未使用过的焊盘表面。

4、持续可靠性测试后出现的键合跟部开裂的根本原因是键合时产生的微裂纹,ORT和ESS加速了微裂纹的快速扩展而出现键合失效。

5、直径1.0mil的铝线和优化参数可提高键合抗拉强度并极大地改善无显示和显示缺失不良;

6、较小的功率和较长的时间组合可以预防裂纹的产生并提高抗拉强度。

7、本案例最优的铝线键合工艺参数:

       - 超声波功率:50LVL 到 60LVL;

       - 键合时间: 25ms 到 30ms;

       - 压接压力: 25gf 到 30gf


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