賀玲，劉洪濤

引線鍵合的失效機(jī)理及分析

賀玲，劉洪濤

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第47研究所，沈陽110032）

隨著電子封裝系統(tǒng)的發(fā)展，封裝系統(tǒng)對(duì)可靠性及使用壽命的要求不斷提高。引線鍵合作為半導(dǎo)體后道工序中的關(guān)鍵工序，在未來相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將是封裝內(nèi)部鏈接的主流方式。引線鍵合工藝的可靠性是半導(dǎo)體器件可靠性的一個(gè)重要組成部分，尤其對(duì)電路的長(zhǎng)期可靠性影響很大，據(jù)國(guó)外的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示鍵合系統(tǒng)的失效占整個(gè)半導(dǎo)體器件失效模式比例的25%～30%。嚴(yán)格控制器件的生產(chǎn)工藝環(huán)境以及引線的鍵合工藝質(zhì)量尤為重要。針對(duì)單芯片集成電路加工過程中遇到的鍵合失效模式，對(duì)過程進(jìn)行分析，找出引線鍵合失效的原因，提出了改善方法。

引線鍵合；失效機(jī)理；穩(wěn)定性；可靠性；失效模式；斷裂

1 引 言

半導(dǎo)體集成電路引線鍵合是集成電路封裝中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，引線鍵合的好壞直接影響到電路使用后的穩(wěn)定性和可靠性[1]。隨著整機(jī)對(duì)電路可靠性要求的提高，引線鍵合不再是簡(jiǎn)單意義上的芯片與管殼鍵合點(diǎn)的連接，而是要通過這種連接，確保在承受高的機(jī)械沖擊時(shí)的抗擊能力，保證電路在各種惡劣環(huán)境下性能的穩(wěn)定性和可靠性[2]。

2 引線鍵合的失效機(jī)理

引線鍵合是芯片與外部鏈接體之間互接最常見和最有效的連接工藝[3]。引線鍵合的失效會(huì)使相應(yīng)的引腳失去功能，從而使器件失效，是超大規(guī)模集成電路常見的失效形式[4]。

引線斷裂的常見方式一般分為三類：引線在鍵合點(diǎn)的非頸縮點(diǎn)處斷裂；引線在鍵合點(diǎn)的頸縮點(diǎn)處斷裂；脫鍵[5]。

2.1引線在鍵合點(diǎn)的非頸縮點(diǎn)處斷裂

引線中間斷裂不一定在早期失效中出現(xiàn)，因?yàn)樗蛢?nèi)引線存在損傷的程度和由損傷誘發(fā)的機(jī)理有關(guān)[6]。鍵合絲的損傷使引線損傷部位面積變小，這將導(dǎo)致：電流密度加大，使損傷部位易被燒毀；抗機(jī)械應(yīng)力的能力降低，造成內(nèi)引線損傷處斷裂。產(chǎn)生損傷的原因，一是鍵合絲受到機(jī)械損傷，見圖1；二是電流密度加大，個(gè)別部位被燒毀，見圖2。

圖1 鍵合絲上有明顯的機(jī)械損傷

圖2 電流密度加大導(dǎo)致個(gè)別部位被燒毀

2.2 引線在鍵合點(diǎn)的頸部斷裂

由鍵合力過大或引線受到機(jī)械外力損傷所致。此種引線損傷會(huì)降低鍵合強(qiáng)度，在試驗(yàn)或使用中易造成鍵合失效，如圖3。

圖3 鍵合點(diǎn)頸部單側(cè)撕裂

2.3 鍵合點(diǎn)脫落

在自動(dòng)引線鍵合技術(shù)中，半導(dǎo)體器件鍵合點(diǎn)脫落是最常見的失效模式，如圖4。這種失效模式用常規(guī)篩選和測(cè)試很難剔除，只有在強(qiáng)烈振動(dòng)下才可能暴露出來，因此對(duì)半導(dǎo)體器件的可靠性危害極大。

圖4 鍵合點(diǎn)Al層脫落

3 影響內(nèi)引線鍵合可靠性的主要因素

3.1 可能造成引線中間斷裂的因素

發(fā)生這種斷開方式的原因有兩種情況，一是內(nèi)引線存在缺陷，如引線上存在裂口、彎曲、割口、卷曲、刻痕和頸縮等，使得該處的機(jī)械強(qiáng)度降低，在鍵合拉力的作用下極易發(fā)生斷裂；二是鍵合工藝很好，鍵合點(diǎn)和頸縮點(diǎn)處理得都很好，鍵合系統(tǒng)中機(jī)械強(qiáng)度最低的位點(diǎn)就落在了引線上。

3.2 可能造成引線頸部斷裂的因素

原因之一可能是材料間的接觸應(yīng)力不當(dāng)。應(yīng)力包括熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和超聲應(yīng)力。鍵合應(yīng)力過小會(huì)造成鍵合不牢，但鍵合應(yīng)力過大同樣會(huì)影響鍵合點(diǎn)的機(jī)械性能。應(yīng)力大不僅會(huì)造成鍵合點(diǎn)根部損傷，引起鍵合點(diǎn)根部斷裂失效，還會(huì)損傷鍵合點(diǎn)下方的芯片材料，甚至出現(xiàn)裂縫[7]。

另外，鍵合工藝操作控制不嚴(yán)格，鍵合力過大或引線受力，也會(huì)導(dǎo)致引線頸部出現(xiàn)撕裂。

3.3 可能造成鍵合點(diǎn)脫鍵的因素

原因之一：界面上絕緣層的形成

在芯片上鍵合區(qū)光刻膠或窗口鈍化膜未去除干凈，即可形成絕緣層。除此之外，管殼鍍金層質(zhì)量低劣，會(huì)造成表面的疏松、發(fā)紅、鼓泡、起皮等，也會(huì)嚴(yán)重影響電學(xué)接觸的有效性。金屬間鍵合接觸時(shí)，在有氧，氯、硫、水汽存在的環(huán)境下，金屬往往與這些氣體起反應(yīng)生成氧化物、硫化物等絕緣夾層，或受氯的腐蝕，導(dǎo)致接觸電阻增加，這些都起著絕緣層的作用，使鍵合可靠性降低。

原因之二：金屬化層缺陷

金屬化層缺陷主要有：芯片金屬化層過薄，使得鍵合時(shí)無緩沖作用；芯片金屬化層出現(xiàn)合金點(diǎn)，在鍵合處形成缺陷；芯片金屬化層粘附不牢，最易脫鍵。

原因之三：表面沾污

在各個(gè)操作環(huán)節(jié)，芯片、管殼、劈刀、金絲、鑷子、鎢針等均可能引入污染；人體凈化不良，也會(huì)造成有機(jī)物沾污及納沾污等；芯片、管殼等未及時(shí)處理干凈，殘留鍍金液，可造成鉀沾污及碳沾污等，而且此種沾污屬于批次性問題，可能會(huì)造成整批管殼報(bào)廢；引線鍵合點(diǎn)腐蝕也是一種表面沾污，會(huì)引起失效；金絲存放過久，不但硬度和延展率會(huì)發(fā)生變化，而且也易沾污，管殼的存放也存在類似的情況。

4 改善方法

方法之一：

彎曲引線時(shí)，為防止將過大應(yīng)力加在管座和引線之間，應(yīng)將彎曲點(diǎn)和管座間的引線用工具加以固定。彎曲時(shí)應(yīng)防止工具碰到管座，更不能用手拿著管座來彎折引線。在需要采用夾具進(jìn)行大批生產(chǎn)時(shí)，必須使用專門的固定引線的夾具，而且要防止固定引線的夾具將應(yīng)力加到器件上。不要對(duì)引線進(jìn)行反復(fù)彎曲，應(yīng)避免對(duì)扁平形狀的引線進(jìn)行橫向彎折。在沿引線“軸向”施加過大應(yīng)力（拉力）時(shí)，會(huì)導(dǎo)致器件密封性遭到損壞[8]，所以應(yīng)避免在此種情況下施加超過規(guī)定的應(yīng)力。除此還應(yīng)避免彎折夾具損傷引線鍍層。

方法之二：

為預(yù)防金屬化層缺陷造成的鍵合失效，應(yīng)對(duì)芯片鍵合區(qū)進(jìn)行粘附層強(qiáng)度評(píng)價(jià)[9]。可抽取3只芯片，選擇合適的基板粘片，用鍵合絲將焊盤逐個(gè)鍵合起來，不足22根引線的加大抽樣數(shù)量。采用22（0）抽樣方案進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，以不出現(xiàn)焊盤脫落現(xiàn)象者為合格。

方法之三：

為預(yù)防表面沾污，鍵合工具應(yīng)進(jìn)行定期清洗并放置在氮?dú)夤裰斜４妫僮魅藛T嚴(yán)格按照凈化車間管理規(guī)定著裝及操作。對(duì)于可能存在的批次性原材料污染問題，應(yīng)進(jìn)行充分的封裝質(zhì)量評(píng)估，合格后再予使用。

5 結(jié)束語

鍵合工藝是一種對(duì)工藝參數(shù)和操作要求都很嚴(yán)格的焊接工藝，稍有不慎就會(huì)引入質(zhì)量問題，結(jié)合近年來破壞性物理分析（DPA）及失效分析工作的實(shí)踐，介紹了電子元器件內(nèi)引線鍵合的幾種失效模式，并對(duì)每種失效模式進(jìn)行了分析，最后提出應(yīng)對(duì)措施。同時(shí)給出了典型的案例圖片，對(duì)鍵合工藝及環(huán)境等方面提出了改進(jìn)措施，對(duì)鍵合工藝的實(shí)效分析和優(yōu)化提升工作有很大實(shí)際意義。

[1] 和田.引線鍵合技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2004,(10)：12-14.He Tian.Current Status and Development Trend of Wire Bonding Technology[J].Equipment for Electronic Products Manufacturing,2004,(10)：12-14.

[2] 胡同燦.一種內(nèi)引線鍵合脫鍵失效模式及其預(yù)防[J].集成電路通訊,2002,(9)：82-84.Hu Tongchan.A Failure Modeof Inner Wire Bonding Falling Of fandthe Prevention[J].Integrated Circuit Communication,2002,(9)：82-84.

[3] 潘峰,顏向乙,鄭軒,等.全自動(dòng)鍵合機(jī)工藝調(diào)整方法[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2009,(5)：46-50.Pan Feng,YanXiangji,ZhengXuan,etal..Process Adjustment Method of Automatic Bonding Machine[J].Equipment for Electronic Products Manufacturing,2009,(5)：46-50.

[4] 張延偉.半導(dǎo)體器件典型缺陷分析和圖例[M].中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2004.ZhangYanwei.TypicalDefectsAnalysisandLegendof Semiconductor Devices[M].China Science and Technology Press,2004.

[5] 晁宇晴,楊兆建,喬海靈,等.引線鍵合技術(shù)進(jìn)展[J].電子工藝技術(shù),2007,(4)：33-35.ChaoYuqing,Yang Zhaojian,Qiao Hailing,et al..Development of Wire Bonding Technology[J].Electronics Process Technology,2007,(4)：205-210.

[6] 黃玉財(cái).集成電路封裝中的引線鍵合技術(shù)[J].電子與封裝,2006,(7)：16-20.1Huang Yucai.Wire Bonding Technology in Integrated Circuit Packaging[J].Electronics and Packaging,2006,(7)：16-20.

[7] 吳懿平.引線鍵合原理與工藝[J].環(huán)球SMT與封裝,2007,7(6)：8-10.Wu Yiping.Principle and Process of Wire Bonding[J].Global SMT and Packaging,2007,7(6)：8-10.

[8] 廣明安,陳威,潘峰.全自動(dòng)引線鍵合機(jī)相關(guān)鍵合工藝分析[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2008,(1)：22-25.Guang Ming’an,Chen Wei,Pan Feng.Analysis of Bonding Technology about Automatic Wire Bonding Machine[J].Equipment for Electronic Products Manufacturing,2008,(1)：22-25.

[9] 呂磊.引線鍵合工藝介紹及質(zhì)量檢驗(yàn)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2014,(158)：54-57.Lv Lei.Introduction and Quality Inspection of Wire Bonding Process[J].Equipment for Electronic ProductsManufacturing,2014,(158)：54-57.

Failure Mechanism and Analysis of Wire Bonding

He Ling,Liu Hongtao
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

With the development of electronic packaging system,the requirements for reliability and service life are continuously increased.As the key process of semiconductor post process,wire bonding will still be the mainstream way of packaging internallinks for a long time to come.The reliability of wire bonding process is an important part of the reliability of semiconductor devices,especially influencing the long term reliability of circuit heavily,and according to the foreign statistical data,it shows that the failure rate of the bonding system accounts for 25%～30%of the failure mode of the whole semiconductor device.It is very important to control the manufacturing process and the wire bonding process quality.According to the bonding failure modes encountered in the process of single chip integrated circuits processing,the process is analyzed,so as to find out the reason of wire bonding failure,and to propose improvement methods.

Wire bonding;Failure analysis;Stability;Reliability;Failure mode;Fracture

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.06.004

B

1002-2279-（2017）06-0017-04

賀玲(1985—)，女，遼寧省遼中縣人，學(xué)士，工程師，主研方向：封裝工藝。

2017-10-25