金絲塌陷問題分析及可靠性提高

王柳 夏偉 王洋

[摘? ? 要]文章分析某新型厚膜混合集成電路進(jìn)行小批試制時(shí)，出現(xiàn)金絲塌陷問題，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)功能異常的情況。試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，在加工過程、篩選檢驗(yàn)過程中因操作不當(dāng)可造成金絲塌陷。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及加工可操作性考慮欠缺，造成設(shè)計(jì)不合理，是引起金絲塌陷的主要原因。針對(duì)可造成金絲塌陷的原因，提出相關(guān)措施，提高產(chǎn)品可靠性。

[關(guān)鍵詞]金絲塌陷;加工異常;篩選檢驗(yàn)異常;可靠性

[中圖分類號(hào)]TN452 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）07–00–03

Problem Analysis of the Gold wire sink and improvement of reliability

Wang Liu，Xia Wei，Wang Yang

[Abstract]This paper analyzes a functional abnormality caused by a new thick film Hybrid Integrated Circuit have a problem of gold wire sink when it comes to small-scale trials. It is found that the problme of gold wire sink may due to improper operation in the process of processing and screening. Further analysis shows that lack of consideration in product structure and maneuverability leads to unreasonable design in the designing stage and the unreasonable design is the main cause of gold wire sink. This paper also puts forward relevant measures to improve product reliability.

[Keywords]Gold wire sink;Processing Anomaly;Select and examine Anomaly;Reliability

厚膜混合集成電路是半導(dǎo)體技術(shù)與厚薄膜集成技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合而形成的產(chǎn)物，是微電子技術(shù)的一種^[1]。主要應(yīng)用在航空、航天、衛(wèi)星導(dǎo)航、船舶、兵器等領(lǐng)域。可靠性是確保產(chǎn)品能夠在各領(lǐng)域正常發(fā)揮功效的重要特性。對(duì)可靠性影響最大的因素主要包括：半導(dǎo)體芯片的失效、鍵合點(diǎn)的失效（脫落或者虛焊）以及沾污引起的失效^[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，失效比例為有源器件31.3%、鍵合23.2%，鍵合的失效比例排在第二位^[3]。金絲塌陷是導(dǎo)致鍵合失效的原因之一。本文主要研究一種金絲塌陷問題的原因及提高金絲鍵合可靠性的措施。

1 概述

某新型厚膜混合集成電路進(jìn)行小批試制，在成品檢驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)功能異常情況。對(duì)失效產(chǎn)品進(jìn)行X光檢測發(fā)現(xiàn)，失效產(chǎn)品鍵合的金絲均存在變形和重疊問題，如圖1所示。開殼確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)金絲塌陷變形，少數(shù)金絲有搭接現(xiàn)象，如圖2所示。其余狀態(tài)不變，將塌陷的搭接金絲分開后重新測試，失效產(chǎn)品電性能恢復(fù)正常。為保證后續(xù)批產(chǎn)無隱患，對(duì)該例金絲塌陷問題進(jìn)行了失效分析，在產(chǎn)品定型前進(jìn)行改進(jìn)。

2 金絲塌陷失效分析

綜合失效產(chǎn)品、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、制造流程等情況，金絲塌陷失效的原因可能出現(xiàn)在加工過程、篩選檢驗(yàn)過程，據(jù)此列出金絲塌陷問題的故障樹，如圖3所示，對(duì)這些因素進(jìn)行失效分析。

2.1 加工異常

根據(jù)制造流程（圖4），可以看出，金絲鍵合后需要進(jìn)行調(diào)試和平行縫焊，如果鍵合線過長或非破拉力和平行縫焊等后道工序操作過程中誤碰觸，可能導(dǎo)致壓塌金絲。加工異常原因金絲塌陷問題主要分為4個(gè)方面，分別是鍵合工藝異常、調(diào)試異常、非破拉力異常和平行封焊異常。

2.1.1 鍵合工序異常

鍵合是通過鍵合設(shè)備施加壓力、機(jī)械振動(dòng)、電能或熱能等不同能量于接頭處，形成連接接頭的一種方法^[4]。金絲鍵合是實(shí)現(xiàn)微波多芯片組件電氣互連的關(guān)鍵技術(shù)，金絲鍵合直接影響到電路的可靠性和穩(wěn)定性^[5]。因此，首先對(duì)鍵合工序進(jìn)行試驗(yàn)分析。在同樣的工作環(huán)境下，設(shè)備、人員、材料、工具都與問題產(chǎn)品批次保持一致，按照相同的工藝文件實(shí)施，加工完成后在30～60倍顯微鏡下進(jìn)行專項(xiàng)檢查，若出現(xiàn)表1中的任何一項(xiàng)即可判定不合格。

經(jīng)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，金絲鍵合線長由操作人員手工完成，需要通過特殊手法控制鍵合線長度，不能過短，避免與芯片邊緣搭接，也不能過長，避免塌陷。但具體長度無法精確定量控制，特別是芯片四周跨度較長的鍵合點(diǎn)，如圖5所示。因此，雖然試驗(yàn)產(chǎn)品在鍵合工序沒有出現(xiàn)金絲塌陷問題，但是存在金絲過長的問題，經(jīng)過后面多道工序可能會(huì)出現(xiàn)金絲塌陷問題。

圖5? 芯片鍵合后的實(shí)物

2.1.2 調(diào)試異常

混合集成電路調(diào)試是在封蓋前進(jìn)行，經(jīng)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，如果調(diào)試人員誤碰到腔體內(nèi)部，就會(huì)壓塌金絲，造成金絲塌陷。但由于調(diào)試后會(huì)進(jìn)行非破拉力試驗(yàn)，會(huì)對(duì)金絲進(jìn)行整形，所以問題產(chǎn)品金絲塌陷可以排除是調(diào)試過程中人員碰觸造成的。

2.1.3 非破拉力異常

非破拉力按GJB 548B—2005方法2023.1實(shí)施，要求拉力點(diǎn)在引線中點(diǎn)和引線彎曲最高點(diǎn)之間，如圖6所示。非破拉力試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)φ{(diào)試后的金絲進(jìn)行整形，由于手工操作，金絲高度不一致，如圖7所示。經(jīng)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，該工序如果操作不當(dāng)，可能造成金絲塌陷。查問題產(chǎn)品后面內(nèi)部目檢記錄，發(fā)現(xiàn)無金絲壓塌問題，所以問題產(chǎn)品金絲塌陷可以排除由非破拉力操作不當(dāng)引起。

2.1.4 平行縫焊工序異常

平行縫焊屬于電阻焊。用電極對(duì)被焊器件施加一定壓力的同時(shí)斷續(xù)通電，利用電極間的接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱使金屬蓋板與管殼鍍層熔化結(jié)合，保證了氣密性焊接，確保了管芯和電路與外界環(huán)境的隔絕，避免外界有害氣氛的侵襲，限制封裝腔體內(nèi)水汽含量和自由粒子等。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果平行縫焊過程中誤碰金絲，如指套、流程卡等可能會(huì)造成較大的壓塌，因取放蓋板等操作不當(dāng)也會(huì)造成邊緣金絲塌陷。觀察問題產(chǎn)品的金絲變形搭接形貌，金絲彎折區(qū)域靠近楔形焊點(diǎn)，體積較大的碰觸無法形成此類彎曲，而塌陷芯片處于混合集成電路中部，取放蓋板時(shí)無法觸碰，故可以排除問題產(chǎn)品平行縫焊過程中操作人員誤碰金絲造成金絲塌陷。

2.2 篩選、檢驗(yàn)過程異常

混合集成電路封裝后進(jìn)行了細(xì)檢漏、老煉、機(jī)械沖擊、溫度循環(huán)、高低溫和密封試驗(yàn)（包括粗檢漏和細(xì)檢漏）?；旌霞呻娐方Y(jié)構(gòu)如圖8所示，經(jīng)分析確認(rèn)，如果試驗(yàn)過程中的應(yīng)力導(dǎo)致外殼蓋板形變，可能會(huì)壓塌金絲。

2.2.1 篩選試驗(yàn)過程異常

混合集成電路封裝后進(jìn)行了老煉、機(jī)械沖擊、溫度循環(huán)和高低溫試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)蓋板變形，查試驗(yàn)過程記錄，未出現(xiàn)篩選試驗(yàn)過程中造成的金絲塌陷異常問題，所以問題產(chǎn)品金絲塌陷可以排除篩選試驗(yàn)過程異常引起。

2.2.2 檢漏試驗(yàn)過程異常

混合集成電路平行縫焊后，會(huì)進(jìn)行密封自檢，操作人員自行進(jìn)行細(xì)檢漏。細(xì)檢漏條件為GJB 548B—2005方法1014.2條件A1，310 kPa加壓2h。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果在檢漏加壓過程中，蓋板凹陷，可能觸碰到金絲，從而導(dǎo)致金絲塌陷。

經(jīng)檢查問題產(chǎn)品殼體平整情況，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中間有明顯凹陷，根據(jù)圖形比例測算中部凹陷尺寸>1 mm，如圖9所示。蓋板和金絲之間的設(shè)計(jì)裕量僅有1 mm左右，此時(shí)，蓋板就會(huì)壓塌芯片的金絲，出現(xiàn)金絲變形、搭接現(xiàn)象，造成金絲塌陷問題。

綜上所述，厚膜混合集成電路金絲塌陷問題是由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，腔體深度設(shè)計(jì)裕量不足，芯片鍵合點(diǎn)間距較長。在產(chǎn)品加工時(shí)，鍵合高度未進(jìn)行有效控制，后續(xù)檢漏試驗(yàn)加壓導(dǎo)致蓋板凹陷，從而壓塌金絲。

3 金絲塌陷機(jī)理分析

厚膜混合集成電路內(nèi)部某型芯片尺寸為6 mm×6 mm，根據(jù)圖像比例，測算出最長焊盤間距約為2.8 mm。當(dāng)鍵合點(diǎn)跨度過長時(shí)，金絲經(jīng)過非破拉力后，高度會(huì)明顯增加，如圖10所示。對(duì)鍵合后的芯片進(jìn)行拍照，根據(jù)芯片厚度，測算最高鍵合點(diǎn)高度為0.82 mm。當(dāng)金絲最高點(diǎn)受到壓力時(shí)，根據(jù)受力分析，鍵合線的長邊就會(huì)在薄弱處（中間附近）彎曲。

根據(jù)密封試驗(yàn)條件以及金屬殼體材料進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，414 kPa大氣壓作用下，蓋板所受最大應(yīng)力達(dá)到1246 MPa，大于可伐材料的最大屈服強(qiáng)度（517 MPa），蓋板將發(fā)生塑性變形，形變量大于0.868 mm。如圖11所示，仿真計(jì)算出最大彈性形變量為0.868 mm，實(shí)際形變大于1 mm。

總結(jié)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，在制造流程的各個(gè)工序環(huán)節(jié)由于操作不當(dāng)可能造成金絲塌陷，鍵合工序試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)因?qū)︽I合線長度無要求可能造成金絲塌陷，篩選檢驗(yàn)等工序試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施加壓力導(dǎo)致蓋板變形可能造成金絲塌陷。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品在研制設(shè)計(jì)階段因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有充分考慮，造成芯片的焊盤集中在中部，會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)鍵合線過長，芯片面積大，厚度相對(duì)較薄，導(dǎo)致兩邊的鍵合長度較難控制，殼體蓋板與內(nèi)部器件間距裕量不足，經(jīng)過試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)都會(huì)造成金絲塌陷問題。

4 可靠性提高

要減少金絲塌陷，提高金絲鍵合的可靠性有很多方法可以實(shí)施，比如保證工作環(huán)境符合條件，降低粒子污染;控制好加熱平臺(tái)溫度，減少返工次數(shù);控制好鍵合設(shè)備參數(shù)等。根據(jù)本文的失效分析的各項(xiàng)試驗(yàn)判斷，可以通過以下方面進(jìn)行改進(jìn)提高。

（1）在工藝文件中明確控制鍵合線的長度和高度，在產(chǎn)品批產(chǎn)前簽署下發(fā)至操作一線。

（2）針對(duì)低腔體產(chǎn)品在工序流程“成品檢驗(yàn)”環(huán)節(jié)前增加“X光檢驗(yàn)”環(huán)節(jié)，判定內(nèi)部是否出現(xiàn)金絲塌陷等問題。

（3）針對(duì)低腔體、大尺寸的產(chǎn)品鍵合檢測，定制專用工裝，增加檢測手段，保證金絲長度搭接等符合規(guī)定。

（4）修訂相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，明確裸芯片設(shè)計(jì)中焊盤間距、位置控制等設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

5 結(jié)束語

隨著厚膜混合集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域急劇擴(kuò)展，不斷提高產(chǎn)品的可靠性是迫在眉睫的需要。金絲鍵合在厚膜混合集成電路制造過程中屬于關(guān)鍵過程，一絲一毫的失誤都會(huì)造成產(chǎn)品失效。產(chǎn)品的可靠性是設(shè)計(jì)出來的，只有在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮工藝參數(shù)及產(chǎn)品的可操作性，才能確保產(chǎn)品的可靠性。

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