鋁硅絲超聲鍵合引線失效分析與解決

劉 笛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

1 引 言

在微電子封裝中，封裝體內(nèi)部芯片到芯片，以及芯片到外部管腳之間都需建立電氣連接，以確保信號(hào)的輸入與輸出[1]。引線鍵合以工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、適用封裝形式多樣而在連接方式中占主導(dǎo)地位。目前所有封裝管腳的90%以上均為采用引線鍵合的方式完成[2]，鍵合的質(zhì)量直接關(guān)系到微電子器件的質(zhì)量和壽命[3]。

研究選用的某幾款電路，均采用直徑32μm 鋁硅絲超聲鍵合工藝。由于采用的鍵合機(jī)為30 度角鍵合頭，為避免線夾及鍵合絲碰撞到鍵合指臺(tái)階，電路采用反向鍵合方式完成芯片與管殼引腳的引線互連。在對(duì)所選電路的封裝中出現(xiàn)了共性化的鍵合質(zhì)量問(wèn)題，表現(xiàn)為電路密封前后鍵合目檢及強(qiáng)度均合格，滿足GJB 548B 方法2010.1 和方法2011.1 中相關(guān)規(guī)定[4]，但在隨后的測(cè)試和篩選考核試驗(yàn)中出現(xiàn)了部分引腳測(cè)試短路或引線脫落，導(dǎo)致器件失效。

2 鍵合失效分析試驗(yàn)

對(duì)失效電路封裝過(guò)程進(jìn)行追查，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備、引線、操作過(guò)程、鍵合參數(shù)等出現(xiàn)異常，首件檢驗(yàn)也無(wú)異常，同期封裝的其他品種電路也均無(wú)異常。綜合考慮失效電路、封裝過(guò)程和同期封裝其他電路皆正常的情況，可以排除設(shè)備、引線、劈刀、人員及工藝檢測(cè)等存在問(wèn)題的可能[5]。

將失效電路金錫蓋板開封后在顯微鏡下觀察.引腳測(cè)試短路電路內(nèi)部形貌如圖1 所示；篩選考核試驗(yàn)引線脫落電路內(nèi)部形貌如圖2 所示。高放大倍數(shù)顯微鏡下觀察兩電路鍵合點(diǎn)及引線形貌均未見(jiàn)異常。

圖1 引腳測(cè)試短路電路內(nèi)部形貌

圖2 篩選考核試驗(yàn)引線脫落電路內(nèi)部形貌

將上述兩款電路分別進(jìn)行鍵合強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試得到的拉力值如表1、表2 所示。

表1 引腳測(cè)試短路電路鍵合強(qiáng)度值

表2 考核后引線脫落電路鍵合強(qiáng)度值

結(jié)合圖、表中的信息可以確認(rèn)，兩電路經(jīng)密封考核篩選后，其形貌及鍵合強(qiáng)度均滿足國(guó)軍標(biāo)中相關(guān)規(guī)定。

為進(jìn)一步查找鍵合失效原因，將鍵合絲完全斷開，觀察芯片PAD 及鍵合絲底面的形貌，結(jié)果在兩款電路中均發(fā)現(xiàn)了芯片PAD 外圍環(huán)線表面鈍化層破損的現(xiàn)象，如圖3 所示。同時(shí)，在引線脫落電路中發(fā)現(xiàn)鍵合絲底面由原本的圓柱形變成了平面形，如圖4 所示。

圖3 篩選考核試驗(yàn)引線脫落電路內(nèi)部形貌

圖4 鍵合絲底面受損變平

從圖3 和圖4 可以觀察到明顯的電路缺陷，在芯片PAD 外圍環(huán)線鈍化層受到了損傷，鍵合絲底面受損變扁平，須針對(duì)此異?，F(xiàn)象挖掘背后的成因，以定位問(wèn)題來(lái)源所在。

3 原因分析及工藝優(yōu)化

超聲鍵合原理為：鍵合絲與芯片表面接觸，在劈刀的壓力和超聲振動(dòng)的綜合作用下，與被鍵合材料形成冶金結(jié)合[6-7]。

由此可推斷出以下兩點(diǎn)結(jié)論：

1)在測(cè)試中出現(xiàn)的部分引腳短路，是因?yàn)樾酒琍AD 外圍環(huán)線表面鈍化層在鍵合過(guò)程中受到鍵合絲的刮蹭，受損后鋁導(dǎo)線暴露在外面，鍵合絲將其與PAD 搭接，兩者間形成電連接，導(dǎo)致測(cè)試短路；

2)鍵合絲由于與環(huán)線表面鈍化層摩擦，導(dǎo)致鍵合絲根部受損、變形或部分鍵合絲被剝離，強(qiáng)度下降，在后面的篩選考核試驗(yàn)中，難以承受由恒加及沖擊振動(dòng)帶來(lái)的強(qiáng)度沖擊，從而引起鍵合絲脫落。

至此，造成電路測(cè)試短路及鍵合絲脫落的根本原因可歸結(jié)為：在鍵合過(guò)程中鍵合絲與環(huán)線鈍化層刮蹭，造成了鈍化層的破損和引線的損傷。電路實(shí)際弧形如圖5 所示，失效原因則如圖6 所示。對(duì)此，可從兩個(gè)方面采取措施，一是控制鍵合絲的長(zhǎng)度，二是調(diào)整鍵合參數(shù)及鍵合點(diǎn)位置[8]。

圖5 電路實(shí)際弧形

圖6 失效原因示意圖

為了優(yōu)化弧形，在不同的鍵合點(diǎn)間距條件下對(duì)弧形狀態(tài)所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了試驗(yàn)。鍵合點(diǎn)間距選取在1.1～2.0mm 之間，以0.1mm 的距離遞增。實(shí)驗(yàn)中弧形狀態(tài)變化情況如表3 所示。

表3 鍵合點(diǎn)間距及弧形狀態(tài)

通過(guò)分析可確定優(yōu)化措施。鑒于鍵合點(diǎn)間距是弧形狀態(tài)的重要影響因素，當(dāng)鍵合點(diǎn)間距過(guò)大，弧形易發(fā)生坍塌，故此對(duì)此間距進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并以AB559A 鍵合機(jī)進(jìn)行直徑32μm Al-Si 絲鍵合為例，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，觀察優(yōu)化的效果。

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)可以看出，當(dāng)鍵合點(diǎn)間距取在1.3～1.7mm 時(shí)，弧形狀態(tài)良好，鍵合強(qiáng)度較高，引線可靠性較高。此時(shí)已不再出現(xiàn)短路現(xiàn)象，引線在后續(xù)篩選考核試驗(yàn)中也沒(méi)有出現(xiàn)損傷情況，表現(xiàn)出良好的可靠性。

在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鍵合點(diǎn)間距超過(guò)1.8mm 以后，引線坍塌逐步趨于明顯，接近鍵合點(diǎn)根部的引線仰角變小，趨于水平甚至下垂。在篩選考核的應(yīng)力試驗(yàn)中，不同程度地造成了引線損傷。當(dāng)鍵合點(diǎn)與外圍金屬化區(qū)域的距離小于40μm 時(shí)，則極易產(chǎn)生引線搭接，導(dǎo)致短路現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

鍵合工藝的優(yōu)化需要基于鍵合設(shè)備的能力特點(diǎn)并符合鍵合工藝規(guī)則的芯片設(shè)計(jì)方案，以AB559A鍵合機(jī)為例，鍵合點(diǎn)間距在1.3～1.8mm 時(shí)，引線弧形較好；當(dāng)鍵合點(diǎn)間距大于1.8mm 時(shí)，線弧會(huì)發(fā)生輕微坍塌，可能直接引起短路或在后續(xù)應(yīng)力試驗(yàn)中引發(fā)引線的損傷甚至斷線。因此，在芯片設(shè)計(jì)和封裝工藝方案的制定中，應(yīng)保證鍵合點(diǎn)與周圍金屬化區(qū)域的間距至少在40μm 或PAD 尺寸的50%以上，同時(shí)還要考慮芯片PAD 與管殼鍵合指的距離大小。