粗铝丝键合是功率VDMOS器件封装的关键工序，键合质量的好坏直接影响到器件的封装成品率以及后续的筛选成品率。针对直径为380 μm的粗铝丝进行功率VDMOS器件的键合工艺研究。结果显示，在选取130°的键合角度时，焊盘宽度应适当增加且应至少增加150 μm，才能保证键合质量；随着第二点键合角度的增加，键合点尾丝端划伤芯片的情况变好；同时考虑键合点尾端和键合点颈部都完全在焊盘内，且采用默认的第二点键合角度，则所需焊盘宽度至少应为1 800 μm.

功率VDMOS是垂直导电的双扩散功率器件，由于在耐压、电流能力、导通电阻等方面固有的优点，在武器装备、核动力工程和空间装置中有着广泛的应用.由于功率VDMOS大电流、低导通电阻的要求，实现芯片源级与管壳互连往往依靠粗铝丝键合实现。粗铝丝键合是一种超声键合，它是指在常温环境下，通过超声振动和劈刀压力的作用，将引线(一般是金丝或铝丝)键合到芯片焊盘和基板上的方法[2,3]。实际封装过程中，往往采用多根超过250 μm线径的铝丝进行并联，以满足器件的互连性能需求.

本文采用直径为380 μm的粗铝丝进行功率VDMOS器件的键合工艺研究.

1 试验条件及方法

1.1 试验材料

芯片：条栅工艺的VDMOS芯片，如图1所示。S处为源极焊盘，其尺寸大小为4.0 mm×1.4 mm，详细参数见表1

管壳：选择SMD-2型的陶瓷封装管壳，其表面和焊盘的镀层为Ni/Au。SMD-2管壳外观如图2

所示。

铝丝：SPM产品，其线径为380 μm，质量分数为99.99%.

1.2 试验设备

采用OE 3600 PLUS型全自动铝丝键合机进行铝丝键合.

采用Sigma Lite型拉剪力测试仪进行键合拉力测试。

1.3 试验方法

1.3.1 芯片烧结

功率VDMOS器件芯片烧结主要是将芯片与功率器件外壳（SMD-2）实现高可靠的连接。

芯片烧结工艺主要采用真空钎焊炉实现镀Au层的管壳与镀层为Ti/Ni/Ag的芯片之间的高效

连接，使烧结后的芯片导通电阻和器件的热阻满足设计指标，连接的可靠性满足产品要求。选用Sn5Pb92.5Ag2.5为钎料焊接过程中不添加钎剂，使用HCOOH-N2混合气体进行保护，最终实现可靠的芯片低孔洞烧结。

1.3.2 铝丝键合

铝丝键合根据铝丝的线径可分为细铝丝键合和粗铝丝键合，细铝丝键合主要用于功率器件封装中G极与外壳电极的互连，而粗铝丝键合则用于S极与外壳电极的互连。

在实施键合操作前，应先确定键合丝的线径与数量。通常G极键合丝选择80~125 μm线径的较细铝丝以传递信号，而S极则选择多根250 μm以上的粗铝丝以满足电流传输。

本研究采用线径为380 μm的铝丝进行键合点位置试验，研究随着键合中心点距离源极不同的情况下，键合点对芯片的影响。键合示意图如图3所示。

1.3.3 键合目检

对键合点的尾丝端进行直接的显微镜低倍和高倍目检，对键合点的颈部端在经过拉力处理和铝丝遮挡处理后进行显微镜低倍和高倍目检。

1.3.4 静态参数测试

对样品进行静态参数测试，对比不同键合参数下的静态测试结果。

2 试验结果与分析

2.1 键合点对芯片的影响

源极焊盘的宽度为1 400 μm，根据键合点中心位置的不同，键合完成切刀对芯片造成的损伤也就不同。

当键合点编程设置距离焊盘下边缘600 μm（即3格，键合刻度为每格200 μm）时，键合点如图4所示，对其切线端进行放大可见切刀划痕已经超出焊盘，并将金属环划伤（图4-b）。而观察图4-c可知，键合点颈部侧则完全位于焊盘之内未造成损伤。

当键合点编程设置距离焊盘下边缘500 μm（即2.5格）时，键合点如图5所示，对其切线端进行放大可见切刀划痕恰到焊盘边缘（图5-b）。而观察图5-c可知，键合点颈部侧则略微超出焊盘，但未对芯片上的金属环造成损伤。

当键合点编程设置距离焊盘下边缘400 μm（即2格）时，键合点如图6所示，对其切线端进行放大可见切刀划痕完全在焊盘之内（图6-b）。而观察图6-c可知，键合点颈部侧已经造成芯片上的金属环损伤。

对三只样品进行了电测试评价，评价结果显示前两种参数合格，第三种参数失效。这说明虽然键合点位置600 μm参数下的键合点尾端有轻微的划伤金属环，但并未造成短路，且切刀在退出的过程中有抬起的动作，在划痕尾端的力已经较小了；而当键合点位置为400 μm参数下，键合点颈端压力较大造成了金属环的严重损伤，因而造成了失效。

综上所述，三种键合点位置参数的试验总结见表2，三种参数的最优参数为500 μm。但该参数仍受焊盘大小限制，键合点未能完全位于焊盘之内，计算损伤的距离，焊盘宽度应至少增加150 μm。

2.2 键合角度对芯片的影响

图7~图10分别为第二点键合角度为缺省（约为-107°）、-120°、-130°和-140°情况下的键

合图。可以发现图7、图8均对芯片金属环造成了损伤，图9恰到焊盘边缘，而图10则完全在焊盘之内。

2.3 理论分析

建立键合点模型，如图11所示。O点为键合设置的中心点位置，OM为键合中心点到键合点退刀尾部的长度，该值为定值，约为1 200 μm。当键合点角度α角变化时，键合中心点到键合尾丝末端的距离不变。

（1）当1200(μm)×sinα>900(μm)时，即当90°<α<131°时，键合尾端将超出焊盘；

（2）当1200(μm)×sinα>1000(μm)时，即当90°<α<123°时，键合尾端将划伤芯片金属环，造成严重损伤；

（3）当900(μm)<1200(μm)×sinα<1000(μm)时，即当123°<α<131°时，键合尾端将超出焊盘，当并不将划伤芯片金属环，造成轻微损伤；

（4）当1200(μm)×sinα<900(μm)时，即当α>131°时，键合尾端将位于焊盘之内；

若同时考虑键合点尾端和键合点颈部，并为保证键合丝在劈刀内部不发生扭转而选择键合第二点角度为缺省（约107°），则所需焊盘宽度计算如下：

B=600(μm)+1200(μm)×sin107°=1748(μm)

1748 μm向上取整为1 800 μm，因此对于380 μm的铝丝键合，芯片焊盘宽度应至少为1 800 μm。

参考文献：

功率VDMOS器件粗铝丝键合工艺研究

作者：王宁宁