1 引言

快速增長的移動消費電子市場對電源管理類 IC需求巨大，以手機為例，攝像頭、屏下指紋等均需要各種低壓差線性穩壓器 (Low Dropout Regulator，LDO）。在 IC 封測流程中，焊線是質量控制的重要工序之一，其目的是連接 IC 芯片和引線框架，實現 IC 電路邏輯功能。區别于分立器件，IC 芯片需要的光刻闆層數多，導緻其引線焊接區域下面多有電路，不恰當的銅線焊接會導緻虛焊或焊接區下電路損傷，引起測試失效或潛在的可靠性問題。文獻紹了銅線焊接及層間電介質層（Interlayer Dielectric，ILD）裂紋，但對如何檢測 ILD 裂紋、如何系統性避免這類問題沒有說明。本文的目的是針對實際 ILD 失效分析，系統性探讨 LDO焊接出現的低良率和可靠性問題，以及如何避免、檢測、篩選這類不合格産品。

2 LDO 産品測試失效問題描述

2.1 LDO 靜态電流失效

LDO 廣泛應用于手機及穿戴電子産品，測試LDO 的靜态電流，通過靜态電流判斷 LDO 是否失效，失效品讀數 400 μA，良品讀數小于 4.8 μA。對失效品開蓋，去銅球、金屬焊盤，沒有發現彈坑。彈坑是焊線過程中對芯片矽造成了物理損傷形成的坑，彈坑結構如圖 1 所示。

2.2 LDO 靜态電流測試原理

LDO 測試靜态電流如圖 2 所示，在 V in 施加電壓，V out 懸空，測試 V in 流入器件的電流為靜态電流。

3 失效分析

3.1 LDO 芯片結構

IC 芯片的特點是光刻層數多，普通小型号三極管如 40 V、0.2 A NPN 為 5 層，普通 MOSFET 如 60 V、0.1 A、1.8 Ω 為 8 層，典型的 LDO IC 一般為 20 層左右。IC 在狹小的空間内聚集了衆多光刻層，故區别于三極管、MOSFET，IC 在焊盤下面一般有電路層。圖 3是 LDO 芯片剖面圖，圖中 PAD 是焊線的焊盤，材質是厚度 2.7 μm 的 AlCu，與其連接的金屬下面是ILD 層。

ILD 一般是 SiO 2 或者 SiN，目的是隔離不同層的金屬，起絕緣作用，同時阻擋水氣，保護芯片内部結構。如果 V in 焊盤或 GND 焊盤下面的 ILD 由于焊接的機械應力産生裂紋，圖 3 中的 Metal1 和 Metal 2 兩層金屬将不能很好地絕緣，裂紋越大，絕緣性越差，就會導緻 2.1 節中提到的靜态電流失效。文獻均顯示了銅線焊接導緻 ILD 層失效的現象。

3.2 觀察 ILD 層裂紋

液晶檢查發現熱點在焊球附近，根據以往MOSFET ILD 層觀察經驗，總結後給失效分析工程師試驗，開蓋去掉銅球後，再去掉焊盤金屬，成功地發現了失效品焊盤下 ILD 層的裂紋（見圖 4）。

4 分析與讨論

确定焊接參數，需确認初始球、焊球大小和厚度、拉力及彈坑。建議重新确認焊接參數，優化焊接窗口，解決 ILD 層裂紋問題。過大的焊接參數（特别是超聲波能量）會導緻芯片焊盤下面的 ILD 層産生裂紋，進而影響産品的電特性及可靠性。2020 年金線與銅線的價格差 20 倍以上，消費類 IC 多用銅線焊接。銅線焊接需要含氫氣的保護氣體以避免氧化，銅線的硬度（FAB Hardness）高于金線，焊接時對芯片焊盤的沖擊力大，這導緻銅線的焊接參數窗口比金線窄。對于确定銅線焊接窗口的研究很多，大多做 3~4 個步驟，受設備、環境限制，很多關鍵的步驟被忽略了，導緻測試低良率時才顯現出銅線的焊接問題。

總結确定銅線焊接窗口的合理步驟，依靠該步驟完成新産品焊線參數窗口的确認，避免産品出現 ILD裂紋的質量風險，提高産品可靠性，在産品最終電參數測試及可靠性篩選方面也總結出相應的建議。

5 确定銅線焊接窗口

5.1 确定銅線焊接參數窗口的主要工具和方法

受設備、環境的限制，很多焊線工程師在确定銅線焊接窗口會省略某些步驟，這裡介紹幾個主要工具和方法。

1）通過表面輪廓儀測量去掉銅球後焊盤的輪廓，以三維形式描述銅線焊接力度，圖5是測量焊盤的形貌。

2）普通光學顯微鏡很難看到細微裂紋，通過掃描電子顯微鏡（SEM）可以很好地觀察。

3）采用金屬間化合物（Intermetallic Compound，IMC）檢查方法，包括化學配方、溫度控制等。

5.2 銅線焊接參數确定流程

焊線工程師确定銅線焊線參數，一般步驟如下。

1）驗證初始球（Fab）大小、形狀、顔色，至少 3 批次各 10 個數據，以匹配焊盤大小及預計的焊球大小；

2）焊球大小及厚度至少測量 3 批次各 30 個數據；

3）測量線的拉力及斷開模式、焊球的推力及推後模式以及線弧高度，至少測量 3 批次各 30 個數據；

4）測量焊盤金屬移位（Pad Metal Displacement），針對所有焊盤測 3 批次各 2 個産品，測量設備為表面輪廓儀；

5）通過 SEM 觀察焊接頸部及腳部，焊球切面和腳部切面，得到 2 個數據，各 3 個批次；

6）通過彈坑測試 3 個批次各 50 個數據；

7）通過 IMC 檢查 3 個批次各 10 個數據；

8）通過鑷子拉線測試 50 粒數據；

9）檢查彈坑和 ILD 層是否破裂。

5.3 觀察 ILD 層裂紋的方法和步驟

IDL 層用于 IC、MOSFET 等器件，由于芯片種類繁多，制造工藝和所選材料各異，一個方法很難适用于所有的芯片 ILD 層。以下方法 / 步驟被證實可以觀察 IDL 層裂紋。

1）用發煙硝酸和濃硫酸去掉塑封料；

2）用緩沖氧化物刻蝕液 （氫氟酸與水混合，Buffered Oxide Etch, BOE）去除芯片表面鈍化層；

3）發煙硝酸在室溫下去除銅球；

4）通過光電發射電子顯微鏡（PEM）或液晶熱點檢測技術觀察失效點；

5）用鹽酸去掉鋁層；

6）在 500 倍以上光學顯微鏡下觀察焊盤；

7）用王水（Aqua Regia，濃鹽酸 HCl 和濃硝酸HNO 3 按體積比為 3∶1 組成的混合物）去掉金屬層；

8）通過 SEM 觀察裂紋。

6 測試篩選廢品

6.1 PAT 測試

PAT 是參數異常測試（Parameter Abnormalityn Test）或者參數平均測試（Parameter Averaging Test），目的是從正常分布中篩選掉異常器件，無論其是否滿足規範，以達到高質量要求，減少客戶投訴。

圖 6 黃色區域是不滿足規範（SPEC）篩選掉的不合格品，藍色區域是滿足規範但不滿足 PAT 被篩選掉的産品。分布在PAT範圍内的産品失效概率被大大降低。

PAT 的範圍設定通過收集曆史樣本數據，計算其均值和标準偏差得出。PAT 上下範圍設定為均值加減幾個标準差，即均值±A×标準偏差，其中 A 為倍數，根據不同要求，做不同設定：

1）通常一開始 A 設定為 6，PAT 範圍是均值±6 個标準偏差，如果樣本分布為正态分布，那落在 PAT 範圍之外的 PAT 廢品的比例是總樣本比例的 2×10 -9 ，即十億分之二，完全不會影響其正常合格率。

2）當一個産品成熟後，如生産 2 年，需要收集1000 個以上封裝批次、50 個以上芯片批次來計算PAT 範圍。将 A 設定為 4，那落在 PAT 範圍之外的PAT 廢品比例是總樣本比例的 0.0064%，也幾乎不影響正常合格率。均值±4 個标準偏差是美國汽車電子委員會的要求。

6.2 加速老化失效

銅焊線導緻焊盤下電路 ILD 層産生裂紋，可考慮加速老化讓裂紋生長，到達一定程度可在産品終測時被篩選出來，加速老化方法各異，這裡列舉 2 種，原理是通過熱脹冷縮讓裂紋快速生長：

1）測試前進行紅外線回流焊（IR Reflow），模拟客戶上闆，溫度高達 260 ℃。

2）塑封後進行溫度循環，溫度範圍-55~150 ℃，循環 50~100 個周期。

7 結論

LDO 銅線焊接導緻的器件失效不僅影響産品良率，更影響産品質量可靠性。對于銅線焊接窗口的确定，需要嚴格按照科學的流程和方法，省略部分流程，不正确的焊接會導緻質量風險。

焊線對 ILD 層的損傷要考慮在工藝設定中，本文詳細列出了對 ILD 的觀察方法和步驟，供焊線工程師和失效分析工程師參考。

來源：半導體封裝工程師之家；作者：胡 敏

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