金絲引線鍵合失效的主要因素分析

常 亮，孫 彬，徐品烈，趙玉民，張彩山

( 中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

引線鍵合（Wire Bonding）是半導體封裝中重要的工藝技術之一，目的是將金屬引線的兩端分別與芯片和管腳焊接從而形成電氣連接。在鍵合過程中，引線在超聲能量、壓力或熱量的共同作用下，與焊盤金屬接觸并發(fā)生原子間擴散而達到鍵合的目的。

金絲引線鍵合是引線鍵合工藝的一種，它是一種通過超聲振動和鍵合力的共同作用，在基板加熱或金絲加熱的情況下，將金絲引線分別鍵合到芯片焊盤和基板引腳上，以實現(xiàn)芯片與基板電路間物理互連的方法。

金絲引線主要有兩種引線鍵合技術，金絲球鍵合（ball bonding）和金絲楔形鍵合（wedge bonding）。兩種引線鍵合技術的基本工藝步驟都包括：在芯片表面進行第一焊點焊接、形成連通兩點的線弧、在引線框架或基板上形成第二焊點。其不同之處在于金絲球鍵合第一焊點在焊接前通過電子打火會形成一個焊球（free air ball-FAB），同時，由于金絲燒球后形狀為圓型，具備多方向焊接的功能。因此，出現(xiàn)了更為靈活的壓球鍵合和墊球鍵合的方法。

據(jù)統(tǒng)計，在半導體微電子封裝中，半導體器件的失效約有1/4 至1/3 是由芯片互連引起。金絲引線鍵合導致的失效和可靠性降低，帶來的損失遠大于其工藝本身的損失。通過對金絲引線鍵合工藝失效模式的研究，分析影響金絲引線鍵合失效的各種因素，提出的解決措施有助于整個封裝工藝的質量提升、生產效率提高和產品成本降低。

1 引線鍵合的工藝

引線鍵合根據(jù)其工藝特點分為超聲鍵合、熱壓鍵合和熱超聲鍵合三種。超聲鍵合是指超聲波通過楔型劈刀Wedge 引導金屬線使其壓緊在金屬焊盤上，再由換能器輸入一定頻率、一定振幅并平行于接觸平面的超聲波脈沖，使劈刀發(fā)生水平方向的彈性振動。同時再施加向下的壓力，使得劈刀在這兩種力作用下帶動引線在焊盤金屬表面迅速摩擦，引線受能量作用發(fā)生塑性變形從而完成焊接。由于超聲鍵合的劈刀采用楔型劈刀且無需加熱，采用的金屬絲一般是較易發(fā)生塑性變形的硅鋁絲，所以這種鍵合又稱為鋁絲楔焊。

熱壓鍵合是指金屬線通過預熱至300～400 ℃的氧化鋁或碳化鎢等耐火材料所制成的空心圓管狀劈刀，再以電火花或氫焰將金屬線燒熔并利用熔融金屬的表面張力效應在金屬線的末端形成球狀，鍵合頭再將金屬球下壓至已預熱至150～250 ℃的第一金屬焊盤上進行球形結合（Ball Bond）的一種鍵合方式。這種鍵合方式利用熱能使金屬軟化，同時通過較大的壓力以形成金線與焊盤間的緊密連接，但不涉及超聲波能量，所以又稱之為熱壓球鍵合。

熱超聲鍵合是超聲鍵合和熱壓鍵合結合后的一種混合鍵合方法，其工藝方法更加多樣，它可以使用球焊劈刀也可以使用楔焊劈刀，同時加熱的方式也可以采用劈刀加熱或基板加熱。熱超聲鍵合所用的導電絲主要有金絲和銅絲，目前使用最多的是金絲。鍵合金絲一般采用純度為99.99%、線徑為18～50 μm 的高純度合金金絲。由于金絲具有電導率大、耐腐蝕、韌性好等優(yōu)點，廣泛用于小功率器件和集成電路封裝。

由于熱超聲鍵合具備諸多優(yōu)勢，目前已基本取代了超聲鍵合和熱壓鍵合，成為引線鍵合的主流鍵合工藝，目前市場約占90%。根據(jù)市場對產品鍵合的不同要求，又將熱超聲鍵合工藝細分為金絲球鍵合工藝和金絲楔焊鍵合工藝兩種。

1.1 金絲球鍵合工藝過程

金絲球鍵合是將金絲通過過線管和線夾再穿入鍵合機毛細管劈刀（球焊劈刀）并到達其頂部（通過送線機構預留一定長度的線尾），利用鍵合機負電子高壓打火（-3600 V 或-4500 V）擊穿空氣并產生電火花以融化線尾，在表面張力作用下形成標準的球形（球直徑一般為線徑的2～4 倍）。緊接著下降劈刀搜索焊點，在適當?shù)膲毫统晻r間內將金球壓在電極或芯片上，完成第一焊點的鍵合。然后劈刀拉弧線后運動到第二焊點焊盤位置下壓，通過球焊劈刀的外壁對金線施加壓力完成第二焊點，之后扯線使金線斷裂，劈刀通過線夾送出尾線并提升至打火位置，再次打火成球并形成鍵合循環(huán)的工藝過程，如圖1 所示。

圖1 金絲球焊鍵合工藝流程圖

1.2 金絲楔焊鍵合工藝過程

金絲楔焊的鍵合工藝首先是將金絲通過過線管和線夾再穿入鍵合機楔焊劈刀并到達其頂部（預留的線尾長度一般為1～2 mm）。然后劈刀下降到第一鍵合點，鍵合機探測到劈刀與壓焊面的接觸后啟動超聲波換能器，根據(jù)參數(shù)設定的超聲功率和壓力以及超聲波發(fā)生的時間，對第一鍵合點進行鍵合。第一焊點鍵合完成后，鍵合頭抬起并將劈刀上升到鍵合線弧的頂端進行拉?。ㄔ谂渡仙拖陆颠^程中線夾處于打開狀態(tài)）。拉弧結束后，劈刀下降，從劈刀中伸出的引線首先接觸到壓焊面。當劈刀繼續(xù)向下移動時，鍵合壓力進行反饋，超聲波換能器作用并形成第二壓焊點。二焊完成后，線夾關閉并扯斷金線，之后線夾送線，劈刀從壓焊面上升到適當?shù)母叨龋凑湛烧{的送線線長和時間間隙留出尾絲，并循環(huán)進行第二次鍵合，如圖2 所示。

圖2 金絲楔焊鍵合工藝流程圖

2 金絲引線鍵合失效的主要因素

2.1 彈坑現(xiàn)象

焊盤產生彈坑(Cratering)是超聲鍵合中常見的一種缺陷，指對焊盤金屬化層下面的半導體材料層造成的破壞，由于破壞集中于一點，形成彈坑形狀，故稱為彈坑現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會降低器件的性能并引發(fā)電損傷，其產生的原因主要為：

（1）超聲波能量過高導致SI 晶格錯層。由于金絲鍵合屬于熱超聲鍵合工藝，在鍵合過程中需要施加超聲波能量，過大的超聲波能量會穿透金屬層進而造成底層SI 晶格沿水平方向橫向錯位，導致電性能損傷，造成器件失效。

（2）鍵合壓力過高導致底層材料破損。鍵合過程中的壓力是瞬時施加的，在極短的時間內施加的壓力較高則會造成金屬層極大的變形，同時豎直向下的壓力會造成底層材料的破碎，進而形成彈坑現(xiàn)象。

（3）線尾過短導致球焊燒球過小。過小的金球在鍵合過程中縮回球焊劈刀中，導致劈刀代替金球下壓，從而由劈刀外壁對底層材料造成了破壞。

（4）焊盤金屬厚度過薄。焊盤金屬一般和金線的硬度要匹配，匹配好的焊盤金屬需要控制鍍層的厚度，根據(jù)失效實驗數(shù)據(jù)比較，0.6 μm 以下厚度的焊盤在進行鍵合時，由于焊盤金屬與金線共同塑性變形，其應變力無法滿足鍵合要求，因此造成底層材料損壞，形成彈坑。

2.2 鍵合點開裂和翹起

通常發(fā)生于金絲楔焊的第一點和金絲球鍵合的第二點，鍵合點開裂一般稱為爛點，鍵合點翹起則稱為虛焊。這兩種現(xiàn)象都會引起器件的電性能降低或喪失，通過分析，其產生的原因為：

（1）金絲楔焊的第一點開裂主要是由于超聲能量過大或鍵合壓力過大造成的，較大的能量瞬間施加于金絲上，超過了金絲本身能夠承受的塑性變形，造成爛點現(xiàn)象。金絲球焊的第二點翹起則主要是由于超聲能量過小或鍵合壓力過小造成的，因為劈刀施加的能量過小，第二焊點未完全完成塑性變形，導致焊點與焊盤間的金屬結合能力不足，同時由于鍵合機扯線的動作會造成第二點翹起。

（2）鍵合劈刀由于長時間磨損，造成劈刀的機械形狀發(fā)生改變，這導致劈刀在相同能量的情況下產生的焊點變形不同，進而造成鍵合點開裂和翹起。

（3）金線的氧化和焊盤腐蝕會造成相關失效。金線長時間暴露在空氣中會被氧化，同樣，焊盤在含水分子和污染物的環(huán)境中也會被腐蝕，使金線或焊盤表面金屬發(fā)生化學性質改變，進而造成材料塑性變形，鍵合時在相同的參數(shù)條件下產生不同的失效。

2.3 鍵合尾絲不一致

在理想的狀態(tài)下，鍵合過程中每一次送線的尾絲都能夠保持一致，但實際工藝控制很難。如果尾絲太短，作用在第一鍵合點上的力分布在一個很小的范圍內，這將導致過量變形。而尾絲太長則會使球焊的燒球過大、楔焊的第一焊點尾絲過長，導致焊盤間短路。

導致尾絲不一致的因素有：

（1）引線表面臟污，當臟污的金線通過毛細管劈刀或楔焊劈刀時，臟污會粘在劈刀口，導致線夾送線不順暢，向下送出的尾絲力不一致，從而導致每次送線尾絲長短不一致；

（2）線夾的間隙不正確，線夾間隙較窄會對金線造成損傷，導致金線被“夾扁”，造成金線從劈刀口送線困難，而線夾間隙較大則造成夾線松，會出現(xiàn)送線時長時短、尾絲長短不一致；

（3）送線通道的角度偏移，因為金線本身較為柔軟，送線通道角度偏移則會導致金線在送線管道內“打彎”，這樣在送線過程中，金線的伸縮時長時短，造成每一次鍵合尾絲不一致；

（4）劈刀長時間使用，金屬殘留也會造成劈刀過線孔逐漸減小，當累積到一定程度后同樣也會造成金線送線困難，造成尾絲不一致。

2.4 引線根部裂紋或變形

根部裂紋或變形的現(xiàn)象是引線鍵合點彎曲疲勞，多出現(xiàn)于金絲楔焊的第一焊點，如圖3 所示。這種失效在器件振動或超聲波清洗后會發(fā)生鍵合點脫落的現(xiàn)象，造成較大的損失，其主要原因有三點：

圖3 鍵合點根部變形

（1）鍵合操作中的機械疲勞，當?shù)谝缓更c焊接完成后進行拉弧操作時，由于弧線高度或長度參數(shù)設置錯誤或人為的原因造成金線折彎成較大的角度，而當繼續(xù)拉弧時，由于第一焊點根部已經受到機械疲勞的影響進而產生根部裂紋，如圖4 所示；

（2）溫度循環(huán)導致的熱應力疲勞，由于劈刀加熱的影響，金線在焊接前即進行加熱，由此產生軟化效應，這能夠降低金絲鍵合的難度，但同時過高的問題也會導致熱應力疲勞，在進行拉弧的時候可能會產生根部斷裂的情況；

（3）彎曲半徑較小產生的彎曲斷裂，引線閉環(huán)情況下產生的拉弧高度對引線根部有重要影響，當引線鍵合的拉弧高度≤鍵合點間距的25%時容易產生引線的根部裂紋。

2.5 鍵合點脫鍵

在自動引線鍵合過程中，半導體器件的鍵合點脫鍵是較為常見的失效模式。這種失效采用常規(guī)篩選和測試的方法很難剔除，只有在強烈振動下才能暴露出來，因此對半導體器件的可靠性危害極大，可能造成鍵合點脫落的因素主要有：

（1）芯片鍵合區(qū)域的污染或膠質殘留可形成鈍化絕緣層，管殼的鍍金層質量不高會造成表面疏松、起皮等現(xiàn)象，在含有水汽、氧、氯等氣體的環(huán)境中，金屬會被氧化、硫化生成絕緣夾層，造成鍵合時鍵合點脫鍵；

（2）金屬化層缺陷，當芯片金屬化層過薄，使得鍵合時無緩沖作用，從而在鍵合處形成缺陷，導致芯片金屬化層粘附不牢，產生鍵合點脫鍵；

（3）材料間熱應力、機械應力和超聲應力等接觸應力不當，應力過小會產生鍵合點脫鍵。

3 改進方法

金絲引線鍵合失效的原因很多，針對具體問題提出了相應的改進方法。

3.1 彈坑現(xiàn)象的改善

彈坑主要是由于超聲波能量或鍵合壓力過大、尾絲過短以及焊盤金屬層與金線硬度匹配不當產生的。通過對產生彈坑的原因分析，提出了相應的改進方法。

（1）通過工藝參數(shù)調整對鍵合超聲能量和鍵合壓力進行控制。通過鍵合點形狀的管控消除彈坑，完整的金絲球鍵合成球大小為線徑的2.5～3.5 倍，鍵合后第一焊點球徑要求飽滿，顯微鏡觀察壓球厚度約為線徑的1.5～2 倍。第二焊點月牙形狀飽滿，大小約為線徑的2.5～3 倍，可以有輕微壓圈但不能太深，鍵合點形狀如圖5、圖6 所示。

圖5 金絲球鍵合第一焊點

圖6 金絲球鍵合第二焊點

（2）尾絲過短則需要調整鍵合頭上的送線線夾。首先用酒精清洗線夾，避免線夾上的臟污；其次，保證線夾的夾縫中心與劈刀孔中心垂直，保證送線過程不受到外界力的干擾；最后，對劈刀進行超聲波清洗，保證劈刀內孔無臟污，出線順暢。

（3）焊盤金屬層與金線的匹配。主要通過設計改變，金線的莫氏硬度約為2.5～3，要求相應焊盤的金屬硬度也要與金線基本一致，過軟則容易被擊穿容易形成彈坑。

3.2 鍵合點開裂和翹起的改善方法

通過現(xiàn)象分析表明，引起此類現(xiàn)象的原因主要有鍵合能量過大、劈刀磨損以及金線和焊盤氧化造成的，對此提出了相應的解決辦法。

（1）鍵合能量過大或過小造成金屬變形過大或過小，通過改變鍵合工藝參數(shù)予以調整。一般來說，通過調整鍵合壓力、鍵合時間和超聲波功率滿足工藝要求，結合顯微鏡觀察，可有效地控制鍵合絲的變形，進而解決相關的開裂和翹起。

（2）劈刀磨損需更換；為避免金線和焊盤的氧化需對其無氧存放，一般的做法是將金線和器件存放在高濃度氮氣柜內，取出后盡快使用，不用時入柜繼續(xù)無氧存放。

3.3 鍵合尾絲不一致

鍵合尾絲不一致的問題通過分析是由于送線路徑導致的，可以通過調整送線路徑的角度減少金絲在送線過程中受到的外力影響，同時對送線路徑、線夾以及劈刀進行清洗，保證金線在通過劈刀孔的整個過程不會受到污染。另外，由于線夾對送線影響較大，需要細致地對線夾進行調整，通過調整線夾的縫隙寬度、線夾的彈簧力大小保證送線過程平滑，不會受到多余外力影響。

3.4 引線根部斷裂

引線根部斷裂的改進方法有：

（1）通過調整全自動鍵合機鍵合程序中拉弧的參數(shù)，提高第一點焊接后的拉弧高度，同時降低劈刀的橫移參數(shù)，改善拉弧過程對引線根部的受力，從而降低引線根部斷裂的風險；

（2）溫度循環(huán)導致的熱應力疲勞，由于劈刀加熱絲圓徑較小，對劈刀內金絲的加熱溫度過高容易導致此類問題，解決辦法是降低劈刀加熱的功率，使劈刀加熱的溫度不會造成金絲的熱應力疲勞現(xiàn)象，從而降低根部斷裂；

（3）鍵合點間距過小時，要提高鍵合點的拉弧高度，保證拉弧高度≥25%的鍵合間距，從而減小金絲根部的應力，減小根部斷裂的失效。

3.5 鍵合點脫鍵

減少鍵合點脫鍵。首先需要對鍵合環(huán)境進行確認，因為鍵合過程需要減少污染，需要對鍵合區(qū)域的殘膠進行清理，同時需要減少鍵合區(qū)域的氧化，平時保管也很重要；另外，對于金屬化層的缺陷，需要在鍵合的前道工序進行反復檢驗，保證金屬化層能夠滿足鍵合需求；最后，對鍵合力進行確認，通過鍵合點形狀的變化，判斷鍵合力的大小，調節(jié)參數(shù)，滿足鍵合點的形狀要求，降低鍵合點脫鍵的風險。

4 結束語

金絲引線鍵合在半導體行業(yè)的應用極其廣泛。作為目前半導體封裝內部連接的主流方式，引線鍵合技術不斷改進適應了各種半導體封裝新工藝和新材料的挑戰(zhàn)。本文主要針對金絲引線鍵合失效的主要因素進行分析，介紹了金絲鍵合技術的基本原理和工藝過程，并通過對引起金絲引線鍵合失效的原因進行了詳細分析，提出了改進金絲引線鍵合失效的解決辦法。