陳云，王立，呂家力，朱婷

（揚(yáng)州國(guó)揚(yáng)電子有限公司，江蘇揚(yáng)州225100）

功率模塊銅線鍵合技術(shù)及其可靠性研究

陳云，王立，呂家力，朱婷

（揚(yáng)州國(guó)揚(yáng)電子有限公司，江蘇揚(yáng)州225100）

由于鋁線鍵合逐漸不能滿足如今功率模塊功率密度、工作溫度不斷提升的可靠性要求，因此采用銅線代替鋁線，以實(shí)現(xiàn)更高的可靠性工作壽命。對(duì)比分析了銅線、鋁線鍵合工藝的特點(diǎn)、結(jié)合強(qiáng)度和可靠性，證明了銅線鍵合工藝的可行性和高可靠性。同時(shí)分析了銅線鍵合工藝目前存在的問(wèn)題和應(yīng)對(duì)措施。

鋁線鍵合；銅線鍵合；可靠性

1 引言

在電力電子模塊的先進(jìn)應(yīng)用中，功率模塊的設(shè)計(jì)和制造必須滿足高頻開(kāi)關(guān)速率、高功率密度、高結(jié)溫等要求，傳統(tǒng)電力電子模塊的引線互連技術(shù)通常采用鋁線鍵合，但由于鋁線電阻率高、屈服強(qiáng)度低等材料本身的局限性，這種連接方式已成為限制高功率電力電子模塊發(fā)展的關(guān)鍵。失效分析研究顯示，在電力電子功率模塊應(yīng)用時(shí)，鍵合界面的失效是限制模塊壽命最重要的因素，新的引線互連技術(shù)通過(guò)使用銅線鍵合技術(shù)代替鋁線鍵合技術(shù)以提高模塊的壽命[1]。與鋁線相比，銅線擁有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。銅線擁有更高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，同時(shí)擁有更高的屈服強(qiáng)度和機(jī)械穩(wěn)定性，這使得銅線鍵合點(diǎn)擁有至少十倍于鋁線的可靠性壽命，且鍵合點(diǎn)剪切力強(qiáng)度是鋁線的三倍[2]。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，雖然鋁線仍是至少未來(lái)五年內(nèi)的主流技術(shù)，但到2020年，銅線鍵合將占據(jù)大于25%的市場(chǎng)份額[3]。

2 銅線鍵合工藝機(jī)理

2.1 銅線鍵合與鋁線鍵合的不同

2.1.1 銅線和鋁線的機(jī)械強(qiáng)度不同

由于銅比鋁有更高的機(jī)械強(qiáng)度，如表1所示[4]，因此需要更高的鍵合壓力和功率形成鍵合連接。

和將鋁氧化層從鋁線鍵合界面去除不同，在銅線形成鍵合點(diǎn)之前去除銅氧化層更加困難。一般鍵合開(kāi)始以一個(gè)較低的壓力和功率驅(qū)動(dòng)鍵合表面的銅線，這有助于銅線在鍵合初始階段去除表面氧化層；之后，需要一個(gè)更高的鍵合壓力來(lái)使銅線變形，形成鍵合連接。因此，銅線鍵合不僅需要更大的壓力，也需要更大的壓力設(shè)置范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠的連接[5]。

表1 鋁、銅材料特性對(duì)比

以Φ406 μm銅線為例，保持結(jié)束壓力3000 g和其他參數(shù)不變，改變初始?jí)毫?shù)，所得鍵合點(diǎn)的剪切力均值如圖1所示，可見(jiàn)較寬的壓力范圍有利于鍵合點(diǎn)的強(qiáng)度提高。

圖1 初始?jí)毫图羟辛﹃P(guān)系圖

2.1.3 銅線和鋁線的切割不同

和切斷更軟的鋁線材料相比，切斷更堅(jiān)硬的銅線材料需要更高的切力和更穩(wěn)定的切割系統(tǒng)。不足的切力或不穩(wěn)定的切割系統(tǒng)可能導(dǎo)致過(guò)早的切割和懸空的線尾，使下一次鍵合基板遭到破壞。

2.1.4 銅線和鋁線成弧力不同

銅線更堅(jiān)硬，需要一個(gè)更高的力形成線弧，如果線夾力不足，線被推回線夾弧的形狀和弧高將受到影響，導(dǎo)致弧前后不一致。

基于上述四點(diǎn)，對(duì)于線徑127～508 μm的銅線和鋁線而言，銅線鍵合焊頭相對(duì)于鋁線的主要差異如表2所示。

表2 鋁線和銅線的鍵合焊頭主要差異

2.2 銅線鍵合過(guò)程分析

為了形成一個(gè)鍵合點(diǎn)，鍵合頭必須在一個(gè)特定時(shí)間段將功率和壓力施加到線上，整個(gè)過(guò)程包括焊頭接觸、界面清潔、鍵合開(kāi)始以及鍵合生長(zhǎng)階段。作為一個(gè)理想的鍵合材料，鋁線兼容性強(qiáng)、對(duì)鍵合過(guò)程敏感度低，而銅線需要在每一步做更精確的控制和參數(shù)優(yōu)化，這需要一個(gè)復(fù)雜的鍵合參數(shù)設(shè)置。

大修后對(duì)變壓器進(jìn)行調(diào)分接開(kāi)關(guān)處理，發(fā)現(xiàn)該變壓器分接開(kāi)關(guān)無(wú)法旋轉(zhuǎn)，工作人員利用工具對(duì)其旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)來(lái)回小范圍旋轉(zhuǎn)直至其分接開(kāi)關(guān)可以調(diào)到觸頭位置。

多段鍵合參數(shù)設(shè)置被提出以優(yōu)化鍵合過(guò)程[6]，該設(shè)置可以對(duì)鍵合過(guò)程的每一階段進(jìn)行控制，保證最終獲得優(yōu)異的鍵合質(zhì)量。以Heraeus的HC1型Φ508 μm銅線為例，典型的多段鍵合階段包括以下步驟，如圖2所示，各段參數(shù)說(shuō)明如下。

（1）焊頭接觸（0～30 ms）：銅線被焊頭壓下并保持平坦，完全的焊頭接觸可以確保鍵合時(shí)更有效的超聲能量傳播。

（2）界面清潔（30～70 ms）：這一階段使用一個(gè)較低的能量和壓力，讓銅線表面和鍵合表面進(jìn)行互相摩擦，去除界面間的氧化層或污染物，保證在連接開(kāi)始之前使鍵合界面達(dá)到一個(gè)潔凈狀態(tài)。

（3）鍵合開(kāi)始（70～120 ms）：這一階段銅線和鍵合界面開(kāi)始產(chǎn)生原子擴(kuò)散，兩者實(shí)現(xiàn)局部連接。對(duì)于在敏感芯片上的鍵合這一步是最重要的，芯片破壞往往發(fā)生在這一步，保持平緩上升的功率和壓力對(duì)于預(yù)防芯片被破壞是必要的。

（4）鍵合生長(zhǎng)（120～240 ms）：原子間的擴(kuò)散變得越來(lái)越強(qiáng)，連接面積越來(lái)越大，最終達(dá)到所需外形和強(qiáng)度合格的鍵合點(diǎn)。

圖2 多段鍵合參數(shù)設(shè)置

3 銅線鍵合工藝結(jié)果

分別采用Heraeus Φ305 μm、Φ381 μm、Φ508 μm的Al-H11型鋁線和PowerCu型銅線，在同一DBC上進(jìn)行鍵合試驗(yàn)，每種鋁線和銅線分別鍵合10根線。對(duì)于鍵合線的參數(shù)設(shè)置：第一鍵合點(diǎn)和第二鍵合點(diǎn)間距均設(shè)置為4000 μm，弧高設(shè)置為1500 μm。采用Dage SERIES400型推力測(cè)試機(jī)對(duì)上述鍵合線的第一鍵合點(diǎn)進(jìn)行推力試驗(yàn)，并求取各自的平均值，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，由于銅的機(jī)械強(qiáng)度大于鋁，銅線鍵合點(diǎn)的剪切力強(qiáng)度可以達(dá)到鋁線的兩倍以上。

圖3 銅線、鋁線剪切力強(qiáng)度對(duì)比

4 銅線鍵合工藝面臨的挑戰(zhàn)

圖4所示為采用Heraeus的Al-H11型Φ305 μm鋁線在Al2O3DBC（覆銅陶瓷基板）表面鍵合界面的橫截面，可以看出界面平坦，對(duì)基體基本無(wú)傷害[9]。

圖4 鋁線-DBC鍵合界面（剖面）

圖5所示為采用Φ305 μm銅線在DBC表面鍵合界面的橫截面，由圖可以看出銅線對(duì)基體表面有明顯的壓迫行為，基體產(chǎn)生了明顯的變形[9]。

圖5 銅線-DBC鍵合界面（剖面）

如圖6所示，通過(guò)降低鍵合參數(shù)，可以達(dá)到一個(gè)較平坦的鍵合界面狀態(tài)，基體壓迫、變形的情況可以基本消除，但是剪切力測(cè)試結(jié)果有明顯的下降[9]。

圖6 降低鍵合參數(shù)后的銅線-DBC鍵合界面（剖面）

通過(guò)上述情況可以看出，目前銅線鍵合工藝可以應(yīng)用在DBC銅表面或者端子銅表面，但是由于其對(duì)鍵合界面壓迫變形行為的限制，該工藝目前還不適合用于脆弱的芯片表面。如圖7所示，銅線鍵合工藝已經(jīng)成功運(yùn)用于功率模塊端子、DBC表面的連接，但是芯片表面的連接依然采用傳統(tǒng)的鋁線鍵合工藝。

圖7 一種采用銅線鍵合工藝的功率模塊

通過(guò)上述分析可以得出，目前銅線鍵合工藝面臨的最大挑戰(zhàn)主要為：提高芯片表面強(qiáng)度以降低銅線鍵合工藝對(duì)鍵合表面的損傷。目前對(duì)這方面的研究主要有芯片表面銅金屬化技術(shù)[10]、芯片表面銅緩沖層技術(shù)[11]等。

4.1 芯片表面銅金屬化技術(shù)

對(duì)于銅線鍵合工藝而言，由于同種金屬之間的可焊性和可靠性最佳，所以和銅線鍵合工藝最匹配的表面金屬層應(yīng)為銅。常規(guī)功率模塊所用芯片的表面鋁層厚度為5 μm左右，這層鋁層不足以保護(hù)芯片硅基體免受銅線鍵合能量的損傷，需要增加芯片表面的金屬層厚度以保護(hù)硅基體在銅線鍵合中免受損傷。

通過(guò)對(duì)芯片表面銅層厚度和熱處理?xiàng)l件的研究發(fā)現(xiàn)：

（1）采用三種不同的銅層厚度10μm、20μm、40μm進(jìn)行Φ381 μm銅線鍵合試驗(yàn)，對(duì)鍵合點(diǎn)進(jìn)行剪切力測(cè)試，得到如圖8所示的數(shù)據(jù)。

圖8 不同銅層厚度下的Φ381 μm銅線鍵合點(diǎn)剪切力

數(shù)據(jù)結(jié)果表明在銅層厚度從10 μm增加到20 μm時(shí)鍵合點(diǎn)強(qiáng)度增加明顯，而從20 μm增加到40 μm時(shí)，鍵合強(qiáng)度增加不多，因此推論銅層厚度在30 μm左右能獲得一個(gè)芯片制造過(guò)程經(jīng)濟(jì)性和高鍵合強(qiáng)度的平衡點(diǎn)。

（2）芯片退火工藝會(huì)影響銅層的硬度，圖9為10μm、20 μm、40 μm三種銅層在常溫（不退火）、300℃和400℃退火后的硬度值，退火時(shí)間1 h，在0.01 kPa N2壓力條件下進(jìn)行。從數(shù)據(jù)中可以看出，退火溫度越高銅層硬度越低，因此在銅層制備過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制退火溫度。

圖9 退火溫度與銅層硬度的關(guān)系

4.2 芯片表面銅緩沖層技術(shù)

芯片表面銅緩沖層技術(shù)是在芯片表面（一般是Ni/Au或Ni/Ag表面金屬層）通過(guò)銀燒結(jié)一層覆銅層作為銅線鍵合的緩沖層，這一銅層吸收了大部分銅線鍵合所產(chǎn)生的能量并避免在鍵合過(guò)程中對(duì)芯片造成損傷。芯片表面銅緩沖層技術(shù)的主要工藝流程包括芯片貼裝、銅緩沖層貼裝、壓力燒結(jié)，焊接層為銀漿。

由于芯片表面增加了一層銅緩沖層，這可以增加芯片本身的熱容，并且有利于均勻的電流密度分布。圖10為采用該技術(shù)的產(chǎn)品圖片。

圖10 芯片表面銅緩沖層技術(shù)應(yīng)用

銅緩沖層可靠性通過(guò)溫度循環(huán)試驗(yàn)評(píng)價(jià)，試驗(yàn)條件為-40℃/+150℃，15min/15min。通過(guò)圖11可以看出在750個(gè)循環(huán)之后，銅緩沖層沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化，而DBC銅層和陶瓷基體之間有明顯的剝離現(xiàn)象。溫度循環(huán)試驗(yàn)證實(shí)了銅緩沖層的高可靠性。

圖11 0次和750次溫循試驗(yàn)后超聲掃描照片

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比分析銅線、鋁線鍵合工藝的特點(diǎn)、結(jié)合強(qiáng)度和可靠性，證明了銅線鍵合工藝的可行性和高可靠性；為了適應(yīng)銅線鍵合工藝而對(duì)芯片表面進(jìn)行強(qiáng)化處理的工藝雖然已經(jīng)取得了一定的研究進(jìn)展，但是目前的解決方法在經(jīng)濟(jì)性和性能上不能取得一個(gè)平衡，不能有效地實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)可量產(chǎn)化的芯片表面強(qiáng)化處理方法將是未來(lái)幾年的研究重點(diǎn)。

[1]A Syed Khaja,C Kaestle,J Franke.Reliable packaging technologies for power electronics:diffusion soldering and heavy copper wire bonding[C].Electric Drives Production Conference,2013.

[2]K Guth,et al.New assembly and interconnect technologies for powermodules[C].7thInternational Conference on Integrated Power Electronics Systems,2012.

[3]F Hille,et al.Failure mechanism and improvement potential of IGBT's short circuit operation[C].Power Semiconductor Devices&IC's,2010.

[4]Y Tian,et al.Investigation of ultrasonic copper wire wedge bondingonAu/NiplatedCusubstratesatambient temperature[J].J Mater Process Technol,2008,208(1-3):179-186.

[5]C Kaestle,et al.Investigations on ultrasonic copper wire wedge bonding for power electronics[C].36thInternational Spring Seminaron Electronics Technology(ISSE),2013.

[6]C Kaestle,J Franke.Comparative analysis of the process window of aluminum andcopper wire bonding for power electronics applications[C].International Conference on Electronics Packaging(ICEP),2014.

[7]A Fischer-Cripps.Critical review of analysis and interpretation of a no indentation test data[J].Surf Coat Technol, 2006,200(14):4153-4165.

[8]I Lum,M Mayer,Y Zhou.Footprint study of ultrasonic wedge-bonding with aluminum wire on copper substrate[J]. J Electron Mater,2006,35(3):433-442.

[9]Elaheh Arjmand,et al.A thermal cycling reliability study of ultrasonicallybondedcopperwires[J].MicroelectronicsReliability,2016,59:126-133.

[10]David Gross,et al.Correlation between Chip Metallization Properties and the Mechanical Stability of Heavy Cu Wire Bonds[C].PCIM Europe,2015.

[11]Jacek Rudzki,et al.Power Modules with Increased Power Density and Reliability Using Cu Wire Bonds on Sintered Metal Buffer Layers[C].CIPS,2014.

The Cooper Wire Bonding Technology with High Reliability

CHEN Yun,WANG Li,LV Jiali,ZHU Ting
（Yangzhou Guoyang Electronics Co.,Ltd.,Yangzhou 225100,China）

As the Aluminum(Al)wire bonding can not meet the power densityand working temperature rising reliability requirements of the power module,therefore,instead of Al wire with Cooper(Cu)wire,to achieve higher reliability life.The feasibility and high reliability of the Cu wire bonding are proved by comparing the characteristics,bond strength and reliability of bonding process of Cu wire and Al wire.At the same time,the existingproblemsandcountermeasuresofCuwire bondingare analyzed.

Alwire bonding;Cuwire bonding;reliability

TN305.94

：A

：1681-1070（2017）09-0001-04

2017-6-7

陳云（1986—），男，江蘇溧水人，碩士，研究方向?yàn)楣β拾雽?dǎo)體封裝工藝開(kāi)發(fā)。