胡長清，趙鶴然，康 敏，曹麗華

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032；2.中國科學(xué)院沈陽金屬研究所，沈陽110016）

1 引 言

在大功率電路封裝過程中，一般采用直徑100μm 以上粗鋁絲作為引線鍵合材料，以保證電路工作時(shí)能夠承載足夠大的電流。粗鋁絲鍵合通常具有較高的可靠性，但是如果工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)或者設(shè)備參數(shù)調(diào)試手段不成熟也會引發(fā)很多失效現(xiàn)象。常見的粗鋁絲鍵合失效模式有鍵合脫鍵、芯片鋁焊盤損傷、鍵合點(diǎn)形貌不合格及鍵合點(diǎn)根部受損、鍵合強(qiáng)度低等等[1-2]。

其中鍵合脫鍵多是由工藝問題引起的。鍵合質(zhì)量主要由工藝成熟度和工藝參數(shù)決定；同時(shí)，鍵合質(zhì)量也跟其他設(shè)備、人員、原材料等因素有關(guān)。除此之外，可肯達(dá)爾效應(yīng)（Kirkendall effect）容易引發(fā)金鋁界面原子不對稱擴(kuò)散，也可導(dǎo)致焊接空洞的生成和生長，引發(fā)鍵合脫鍵。

2 失效原因排查

選取由中電四十七所自主設(shè)計(jì)的某款點(diǎn)火電路，內(nèi)部具有芯片、電阻、電容近100 個(gè)，芯片與陶瓷基板通過金絲互連，陶瓷基板與外圍引線柱采用100μm 粗鋁絲鍵合。樣品在試制階段，發(fā)現(xiàn)鍵合引線強(qiáng)度偏低，在考核試驗(yàn)后，經(jīng)常出現(xiàn)脫鍵現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 溫度循環(huán)后發(fā)生脫鍵的鍵合點(diǎn)形貌

針對上述問題，展開專項(xiàng)分析，查找粗鋁絲鍵合脫鍵的原因，從設(shè)備、設(shè)計(jì)、工藝、原材料和人員等方面列出可能誘發(fā)鍵合脫鍵的各種因素，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)致粗鋁絲鍵合脫鍵的因素

設(shè)備方面，所選用的粗鋁絲鍵合機(jī)為進(jìn)口設(shè)備，一直運(yùn)行穩(wěn)定，參數(shù)正常，用其他電路做鍵合試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)異常，故可排除設(shè)備因素；

工藝方面，粗鋁絲鍵合工藝為該產(chǎn)線的成熟工藝，已采用該工藝完成多款電路的鍵合，未曾出現(xiàn)過問題，可將此因素排除；

原材料方面，鍵合絲來源穩(wěn)定可靠，均經(jīng)過入所檢驗(yàn)并檢驗(yàn)合格；

人員方面，操作員均持證上崗，并嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，也可將此因素排除。

綜上，從人、機(jī)、料、法、環(huán)等各個(gè)方面開展分析，認(rèn)為設(shè)計(jì)上存在缺陷的可能性較大。故此進(jìn)一步對脫鍵樣品進(jìn)行解剖和界面分析，以確定引發(fā)鍵合脫鍵的根本原因。

3 基于可肯達(dá)爾效應(yīng)的失效分析

柯肯達(dá)爾效應(yīng)是一種引起鍵合脫鍵的典型失效機(jī)理。金鋁鍵合在高溫下由于Au-Al 原子不對稱擴(kuò)散，容易在界面上產(chǎn)生微小空洞，隨著使用時(shí)間的推移，空洞逐漸生長并相互連接，界面結(jié)合力不斷減弱，直至完全分離。在300℃以上連續(xù)老化時(shí)，Au 迅速向Al 中擴(kuò)散生長。

針對發(fā)生失效的電路進(jìn)行樣品制備，如圖3所示，將1 號樣品沿縱虛線切開后，對兩部分分別進(jìn)行樹脂封樣，再沿橫向箭頭方向研磨拋光至鍵合點(diǎn)所在平面。樣品制備后鍵合點(diǎn)剖面如圖4所示。

圖3 待分析樣品的制備

圖4 待分析樣品鍵合點(diǎn)剖面

對制備好的樣品進(jìn)行電鏡掃描，結(jié)果如圖5所示?？捎^察到鍵合界面存在焊接不連續(xù)狀態(tài)。圖中A區(qū)域?yàn)殒I合點(diǎn)與焊盤之間存在的微裂紋，并且微裂紋沿著結(jié)合界面向上生長，延伸到了粗鋁絲內(nèi)部約20μm 處。B 區(qū)域?yàn)殒I合點(diǎn)與焊盤之間存在的較大空洞，空洞高度約10～25μm。在粗鋁絲一側(cè)的剖面上，局部區(qū)域可以看到與焊盤上鍍金層摩擦后金層殘留的痕跡，有些區(qū)域發(fā)生摩擦的痕跡并不明顯，EDS 顯示無金屬間化合物產(chǎn)生，說明鋁絲與金屬焊盤未形成焊接界面，初始焊接狀態(tài)差[3-4]。

圖5 鍵合剖面掃描電鏡觀測結(jié)果

如圖6所示，為可觀察到的另一種典型的失效情況，鍵合破壞發(fā)生在金-金之間和金-鋁之間，金-鋁鍵合界面可觀察到缺陷和空洞，同時(shí)金層分裂。導(dǎo)致這種情況可能是由于鍵合應(yīng)力過大，損壞了金屬焊盤表面的金鍍層，使鋁絲和金屬焊盤之間沒有形成有效的結(jié)合[5-6]。

圖6 典型位置2 及界面狀態(tài)

上述兩種情況，說明初始鍵合強(qiáng)度不足，鍵合完成后焊點(diǎn)即存在斷層和裂紋。而典型的金鋁效應(yīng)需要經(jīng)過較長時(shí)間的演化，在金絲和鋁焊盤之間形成金屬間不對稱的擴(kuò)散，這說明導(dǎo)致鍵合可靠性差的原因并不是柯肯達(dá)爾效應(yīng)，而是初始結(jié)合狀態(tài)差。

4 基于外殼設(shè)計(jì)的失效分析

所采用的管殼引腳情況如圖7所示。引腳直徑d ＝0.6mm，鍵合引腳凸臺高度h=0.9mm，不符合國軍標(biāo)外殼加工規(guī)范的要求。如鍵合引腳凸臺高度過高，易發(fā)生形變，在進(jìn)行鍵合時(shí)引腳會發(fā)生彎曲，導(dǎo)致鍵合壓力和超聲功率不能良好加載，從而發(fā)生鍵合失效。特別是粗鋁絲鍵合，所需鍵合壓力很大，從而使引線更容易彎曲。

圖7 鍵合引腳設(shè)計(jì)示意圖

在定位問題后，將鍵合引腳凸臺高度修改到0.7mm，按 GJB 548B-2005 方法 1010.1 條件 C（-65℃～150℃）進(jìn)行溫度循環(huán)后，對比鍵合強(qiáng)度的變化，結(jié)果如圖8所示。拉力測試后鍵合點(diǎn)斷裂位置如表1所示。

圖8 新舊外殼鍵合拉力對比試驗(yàn)結(jié)果

表1 新舊外殼各斷裂位置所占百分比

在對比試驗(yàn)中，舊的外殼鍵合后強(qiáng)度不高，且隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，鍵合強(qiáng)度衰減很大，在60循環(huán)后全部脫鍵，脫鍵位置均在外殼端；新的外殼初始鍵合強(qiáng)度高于舊的外殼，且鍵合強(qiáng)度隨溫度循環(huán)次數(shù)增加而衰減幅度相對較小，60 次溫度循環(huán)后仍無脫鍵現(xiàn)象[7-8]。通過對比可見新外殼鍵合性能更好。以新外殼組裝了2 個(gè)批次各200 只電路，沒有再出現(xiàn)鍵合可靠性問題。由此可見外殼設(shè)計(jì)缺陷對鍵合質(zhì)量和可靠性確實(shí)能夠產(chǎn)生很大的影響。

同時(shí)還可以觀察到隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，在鍵合拉力測試后斷裂位置的變化趨勢：從鍵合點(diǎn)根部斷裂逐步向引線中間斷裂轉(zhuǎn)變[9-10]。

綜上可以確定，導(dǎo)致該電路鍵合強(qiáng)度不足的原因是外殼設(shè)計(jì)不當(dāng)，鍵合工藝與外殼鍵合引線柱設(shè)計(jì)不匹配，引線柱未能承受粗鋁絲鍵合中過大的壓力，導(dǎo)致難以形成有效的焊接。針對這一情況，更改外殼設(shè)計(jì)后，增加了引線柱的直徑，焊接強(qiáng)度得到了明顯的改善。

5 結(jié)束語

通過對可能引發(fā)鍵合脫落的主要失效機(jī)理進(jìn)行分析，研究了脫鍵發(fā)生界面的形貌和成分，排除了可肯達(dá)爾效應(yīng)引發(fā)脫鍵的可能性。研究了外殼設(shè)計(jì)對鍵合可靠性的影響，發(fā)現(xiàn)對于直徑較大的粗鋁絲，外殼引線柱的設(shè)計(jì)尤為重要，過高的引線柱難以支撐超聲鍵合的能量，引線柱容易發(fā)生彎區(qū)和變形，使鍵合不能有效完成。