鍵合線弧高度對鍵合拉力的影響分析

沈海軍，劉新寧，景為平，孫海燕，

（1.東南大學，南京 210096；2.南通大學江蘇省專用集成電路設(shè)計重點實驗室，南通 226019；3.南通富士通微電子股份有限公司，南通 226006）

1 引言

在集成電路封裝的質(zhì)量控制中，鍵合拉力作為產(chǎn)品質(zhì)量考量的重要因素之一，有著非常重要的地位。對于同一根鍵合連接線，當線弧的高度不同時，其鍵合拉力的測量結(jié)果存在著一定的差異。文章即是為了驗證這種差異，并從中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這種差異的原因及規(guī)律，為實際生產(chǎn)中鍵合工藝的優(yōu)化、鍵合弧高的控制、鍵合拉力的合理規(guī)范以及產(chǎn)品整體厚度的控制、制品異常分析提供依據(jù)。

2 鍵合拉力測試理論依據(jù)

圖1為鍵合拉力測試的理論圖示。F1為第一焊點受到的拉力，F(xiàn)2為第二焊點受到的拉力，F(xiàn)wp為線弧測試的讀出拉力。根據(jù)力的分解原理：

文章主要從第一焊點斷裂和第二焊點斷裂兩種失效模式來討論鍵合的拉力情況。首先通過理論分析來判定當前焊線鍵合拉力的變化規(guī)律。

2.1 第一焊點斷裂

通過公式（1）可以看出：F1跟角度θ1成正比。設(shè)定Fwp恒定，即當以一定的力垂直（根據(jù)標準MIL STD 883，Method2011）去拉該焊線時，隨著角度θ1的變化，第一焊點的受力隨著該角度的增大而增大。即線弧越高，拉力越大；反之，拉力則越小。由此可以說明，導致第一焊點頸部斷裂的力的大小，跟線弧的高低有很大的關(guān)聯(lián)。這一結(jié)論在實際的測量結(jié)果中可以通過有效的數(shù)據(jù)得到佐證。

2.2 第二焊點斷裂

通過公式（2）可以看出：F2跟角度θ2成正比。設(shè)定Fwp值恒定，即當以一定的力垂直去拉該焊線時，隨著角度θ2的變化，第二焊點的受力隨著該角度的增大而增大。即線弧越高，拉力越大；反之，拉力則越小。據(jù)此可以說明，導致第二焊點根部斷裂的力的大小，跟線弧的高低有必然的聯(lián)系。同樣，這一結(jié)論在實際的測量結(jié)果中可以通過有效的數(shù)據(jù)得到佐證。

3 鍵合拉力驗證過程及結(jié)果

圖2為本文實際操作的焊接示意圖。H表示線弧高度；Die指芯片，用于焊接線弧的第一焊點；Lead指內(nèi)引線腳，用于焊接線弧的第二焊點。焊線采用純度為99.99%、線徑為25μm的金線，所有線弧的投影等長，通過改變線弧的高度（即H值的大小）來測試鍵合拉力的變化，并驗證理論分析的結(jié)論。

表1為兩種不同線弧高度情況下所測得鍵合拉力結(jié)果。結(jié)果表明：鍵合拉力的平均值隨著線弧高度的不同，之間存在著明顯差異。樣本1因線弧較低，拉力的平均值及CPK都偏小；樣本2因線弧較高，拉力的平均值及CPK值也較大。通過這一結(jié)果，可以得出：鍵合弧度的高低直接影響拉力的數(shù)值及穩(wěn)定性。

圖3表示兩組不同線弧高度情況下鍵合拉力結(jié)果的趨勢對比。由圖可以看出：樣本2的所有拉力數(shù)據(jù)均基于5g~8g之間，整體過程也比較穩(wěn)定；樣本1的所有拉力數(shù)值也同樣基于5g~8g之間，但其拉力平均值及CPK都低于樣本2。這一結(jié)果同理論分析是一致的，這可以為實際生產(chǎn)中鍵合的工藝優(yōu)化、產(chǎn)品的弧高控制及拉力的判定基準提供理論依據(jù)和實際證明。

4 結(jié)論

通過以上理論分析及實際的測量結(jié)果，可以得出：在集成電路的封裝工藝中，鍵合線弧高度的變化作為鍵合拉力的一個重要影響因素，直接影響其結(jié)果。鍵合線弧的高度越高，其拉力值就越大，整體拉力也趨向平穩(wěn)；反之，拉力則越小，整體拉力也不夠穩(wěn)定。這對于實際生產(chǎn)中鍵合的弧高控制以及合理規(guī)范拉力的標準提供了理論及現(xiàn)實依據(jù)。

［1］Lee Levine.Understanding the Wire Bonding Pull Test[M].2005:4.

［2］Saraswati, Ei Phyu Theint, D. Stephan,et al..Looping Behaviour of Gold Ball Bonding Wire[M].2004:3.

［3］MIL-STD883E[P].31 DEC 1996: 5-7.

［4］電子封裝技術(shù)叢書編委會.集成電路封裝試驗手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998.136-137.

［5］K&S.Maxum Basic Process Parameters Guidelines[M].2005:21-22.