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用铜丝工艺替代金丝工艺的可靠性研究

发布时间:2020/7/1 14:27:47 | 点击:16

  用铜丝工艺替代金丝工艺的出发点是节约材料成本和提高可靠性,经过- -系列适应铜丝工艺的改进后,铜丝工艺达到了高可靠的要求。通过键合铜丝厂家的理论分析和试验研究工作,可以得出以下结论:

键合铜丝(蓝)

键合引线


  (1)铜丝工艺在电参数性能,机械性能,热学性能上都充分证明了其比金丝工艺的优越性。其中的铜丝拉力,铜球剪切力都比金丝的强度要大,铜丝替代金丝能提高单位面积的电流密度。

  (2)金丝设备向铜丝设备改造的重点是氮氢保护气体装置和EFO的装置。在保护气体中确定了气体流量不能过大也不可以太小,0.8L/min 是比较合适的设置。气体保护要是难以做好的话可以尝试增加一路气体扩大保护面积。FAB的大小--定要保证有足够的电流驱动,只靠打火时间的增加很难把球烧得稳定。

  (3)优化了铜丝键合的工艺参数,为了既保证铜球的剪切力,又保证了键合后没有弹坑损伤,做了多组的实验比较后,找出了功率40,压力90的小功率大压力的铜丝压焊参数组,提高了铜丝的键合可靠性。

  (4)利用热传导分析软件FLOTHERM对铜丝在不同电流条件下产生的热量进行热传导分布仿真模拟,从而得出铜丝在相同条件下通过的电流比金丝要高,并能近似的用这个仿真模型作为键合丝熔断电流大小的判断和使用条件的选择。

  (5)提出了在芯片设计上改善铜丝键合的工艺宽容度,把铝层厚度由3um增加到4um,保证了铝层改善的最低要求也指出了由于铝层制造使通量减小的最小代价。研究了铝层表面状态和铝层抗压强度的关系,证明了铝层表面致密比疏松有更强的抗冲击能力。

  (6)进行铝层下芯片结构的设计改善,通过试验对比,发现了SiOxNy工艺比SIPOS工艺有更强的介质结构,不易被压出弹坑损伤。对部分带二极管的芯片的二极管位置进行了重新设计,使铜丝球压在二极管的中央,这样就解决了此类芯片弹坑损伤高发的问题。

  (7)铜球与铝层的金属界面要比金球与铝层的金属界面要稳定得多,在高温老化一段时间后,金丝球很容易发生界面处电阻变大的情况,而铜丝球则有很好的可靠性。本文通过适应铜丝键合的工艺设计,在后封装和芯片设计与制造上都进行了一系列的改进。完全解决了铜丝工艺在大功率晶体管中的运用,既为公司节省了大量资金成本,又提高了产品的可靠性和竞争力。