姚立華

（中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京210016）

1 引言

微電子封裝內(nèi)部芯片的輸入和輸出之間的互聯(lián)主要采用下列三項(xiàng)技術(shù)中的一項(xiàng)來完成：引線鍵合（WB）、載帶自動(dòng)鍵合（TAB）和倒裝芯片（FC）。引線鍵合工藝由于其制造設(shè)備價(jià)格低，技術(shù)成熟，程序的靈活性大等原因，并且能夠滿足從消費(fèi)類電子到大型電子產(chǎn)品、民用產(chǎn)品到軍用產(chǎn)品的各項(xiàng)需求，在實(shí)際應(yīng)用中是最通用的芯片鍵合技術(shù)，如今全球超過96%的IC芯片都使用引線鍵合技術(shù)[1]。

當(dāng)電子設(shè)備工作時(shí)，鍵合引線承受著機(jī)械應(yīng)力和應(yīng)變，這些應(yīng)力和應(yīng)變形成的主要原因是由于電子元件和電路板之間不同的熱膨脹系數(shù)造成的。如果系統(tǒng)溫度變化，鍵合點(diǎn)將承受溫度循環(huán)載荷，如果熱膨脹的差異導(dǎo)致應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時(shí)，有可能發(fā)生塑性變形，鍵合點(diǎn)處就承受拉應(yīng)力。另外，在某些環(huán)境下電子設(shè)備在使用過程中經(jīng)常承受晃動(dòng)，最顯著的例子就是航空應(yīng)用，這就造成鍵合引線將承受很強(qiáng)的機(jī)械循環(huán)載荷。因此為了確保鍵合引線的可靠性，鍵合引線必須具備一定的力學(xué)性能，如一定的抗拉強(qiáng)度。因此引線鍵合的抗拉強(qiáng)度成為眾多封測(cè)廠判斷產(chǎn)品不失效的重要性能指標(biāo)。

95%以上的半導(dǎo)體廠商均是通過推拉力測(cè)試儀來測(cè)試鍵合引線的抗拉強(qiáng)度，其工作原理如圖1，鉤針深入引線最高弧度的正下方，調(diào)節(jié)掛鉤的方向，使其與引線垂直，而后沿垂直方向向上拉伸鉤針，測(cè)試時(shí)鉤針與受試工件產(chǎn)生的力通過傳感器傳到主機(jī)內(nèi)，再通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)的軟件中，自動(dòng)繪制成曲線和輸出所需數(shù)據(jù)。

為了更好地研究鍵合引線在拉力測(cè)試過程中的受力情況，本文通過大型有限元分析軟件Abaqus模擬金絲在測(cè)試過程中的應(yīng)力變化，以期為工藝的評(píng)估提供有效的方法。

2 有限元模型的構(gòu)建

以直徑25μm的金絲和直徑為60μm的鉤針作為有限元計(jì)算模型，鍵合引線作為模擬對(duì)象，其二維簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

金絲的鍵合點(diǎn)為CG型鍵合點(diǎn)，將鍵合點(diǎn)理想化為圖3所示，鍵合點(diǎn)的尺寸如表1所示。

2.1 金絲的物理性能

超聲熱壓楔焊后的鍵合引線無明顯的熱影響區(qū)，其主體材料可被視為各項(xiàng)同性、均勻的材料，材料的特性參數(shù)如表2所示。

2.2 拉伸載荷的加載

一般情況下，芯片、基片或底座相對(duì)于鍵合引線可視為剛體材料，因此將附著于芯片、基片或底座上的鍵合點(diǎn)視為綁定約束。此次任務(wù)重在考慮金絲的受力情況，因此忽略鉤針的彈性形變，忽略鉤針與金絲之間的摩擦，將鉤針定義為解析剛體。鉤針以30 μm/s的速度向上施加拉力載荷（如圖4所示）。

2.3 網(wǎng)格劃分和時(shí)間步長

鍵合引線應(yīng)力與應(yīng)變隨著鉤針的測(cè)試急劇變化，引線鍵合點(diǎn)的腕部受力變化梯度較大，因此腕部網(wǎng)格劃分較為精細(xì)。Abaqus模擬選用CPS4I非協(xié)調(diào)模式單元，鍵合點(diǎn)腕部的網(wǎng)格劃分如圖5所示，最小時(shí)間步長控制在0.018s，計(jì)算結(jié)果相對(duì)比較精確。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力分布特征

為考察在整個(gè)拉力測(cè)試過程中引線模型的應(yīng)力-應(yīng)變情況，圖6繪出了0.1s、1s、1.2s、1.72s四個(gè)時(shí)刻的金絲各點(diǎn)應(yīng)力變化歷程。從圖6中可以看出，隨著鉤針的移動(dòng)，最大應(yīng)力迅速集中到金絲頂面和右鍵合點(diǎn)（較高平面上的鍵合點(diǎn)）的根部與基底結(jié)合的界面處。

圖7為左右鍵合點(diǎn)分別在0.1s、1s、1.2s、1.72s的應(yīng)力變化歷程，從圖中可以看出兩邊鍵合點(diǎn)應(yīng)力變化歷程是不同的。左鍵合點(diǎn)（較低平面上的鍵合點(diǎn)）最初應(yīng)力較大的區(qū)域集中在腕部，當(dāng)鉤針移動(dòng)到1.72s時(shí)，應(yīng)力較大的區(qū)域由節(jié)點(diǎn)3120（左鍵合點(diǎn)腕部）轉(zhuǎn)移至節(jié)點(diǎn)3153（左鍵合點(diǎn)根部），即當(dāng)鉤針上移至50 μ m后根部所受應(yīng)力開始超過腕部的應(yīng)力。右鍵合點(diǎn)（較高平面上的鍵合點(diǎn)）的應(yīng)力較大的區(qū)域始終集中在根部與基底結(jié)合的界面處（節(jié)點(diǎn)273），說明在整個(gè)拉力測(cè)試過程中右鍵合點(diǎn)的金絲根部都處于剝離趨勢(shì)。

圖8為節(jié)點(diǎn)3120、節(jié)點(diǎn)3153、節(jié)點(diǎn)296、節(jié)點(diǎn)273、節(jié)點(diǎn)2209的應(yīng)力-時(shí)間變化對(duì)比曲線圖，從中可以看出模型最大Von mises等效應(yīng)力始終處于模型右鍵合點(diǎn)的根部與基底結(jié)合的界面處，即節(jié)點(diǎn)273處。當(dāng)時(shí)間到1.342s時(shí)節(jié)點(diǎn)273的最大應(yīng)力已達(dá)到399.3MPa，大于實(shí)測(cè)金絲樣片的最大斷裂強(qiáng)度390MPa，所以判斷出金絲從該位置開始被拉斷和破壞。

從圖8中可以看出節(jié)點(diǎn)273、2209的應(yīng)力變化幅值最大，說明在進(jìn)行拉力測(cè)試過程中，鍵合金絲最有可能從這兩個(gè)位置開始斷裂，即從較高平面的鍵合點(diǎn)的根部或鍵合金絲頂部開始斷裂。引線鍵合過程中，超聲振動(dòng)以及壓力的作用不可避免地使鍵合點(diǎn)處產(chǎn)生塑性應(yīng)變[2]，鍵合點(diǎn)斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)低于金線的斷裂極限，節(jié)點(diǎn)273在進(jìn)行拉力測(cè)試過程中最先達(dá)到斷裂極限，隨著時(shí)間的推移，裂紋擴(kuò)展，鍵合金絲會(huì)沿節(jié)點(diǎn)273處剝離斷裂。

3.2 拉力測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)中樣品選擇的是銅鍍Ni-Au，鍵合引線用的是Heraeus直徑為25 μm的金線，鍵合工藝參數(shù)完全相同。引線抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果都大于60mN，均超過了GJB548-2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值2倍，引線的斷裂位置全部處于較高鍵合點(diǎn)位置（如圖9所示），從試驗(yàn)結(jié)果看在進(jìn)行拉力測(cè)試過程中左右鍵合點(diǎn)所受的應(yīng)力是不同的。

從引線斷裂后的形態(tài)看引線并不是從引腳根部垂直向上斷裂，而是處于產(chǎn)生塑性變形的鍵合點(diǎn)1/3～1/2處（如圖10所示），說明最初測(cè)試?yán)Τ^了鍵合引線與金屬化層接觸面之間的結(jié)合力，鍵合引線與金屬化層開始剝離，當(dāng)拉力逐漸超過了金絲的斷裂強(qiáng)度后裂紋開始從鍵合引線與金屬化層之間的結(jié)合面向上延伸直至斷裂。

從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出節(jié)點(diǎn)在拉伸過程中的應(yīng)力最大區(qū)域與試樣實(shí)際拉伸斷裂位置一致，從而說明計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

4 結(jié)束語

運(yùn)用有限元方法以及計(jì)算機(jī)軟件，通過對(duì)拉伸過程中鍵合引線各節(jié)點(diǎn)受力情況的分析和計(jì)算，可以方便快捷地評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)引線的承載能力，為工程應(yīng)用提供理論參考，同時(shí)可以節(jié)省人力及資源。

［1］Grant E L.Catching up to Flip Chip Technology, Connections Magazine [J]. 2001, 1：36.

［2］何倫文，潘少輝，汪禮康，等.功率MOSFET無鉛化封裝中鋁線引腳跟斷裂研究[J].電子與封裝，2006，6（11）：19-22.

［3］謝勁松，鐘家騏，楊邦朝，等.CSP鍵合金絲熱應(yīng)力分析[J].可靠性物理與失效分析技術(shù)，2005，5（10）：68-71.

［4］Shankara K Prasad. Advanced Wirebond Interconnection technology [M].2004, 428-508.