賀玲，劉洪濤

引線鍵合的失效機理及分析

賀玲，劉洪濤

（中國電子科技集團公司第47研究所，沈陽110032）

隨著電子封裝系統(tǒng)的發(fā)展，封裝系統(tǒng)對可靠性及使用壽命的要求不斷提高。引線鍵合作為半導體后道工序中的關鍵工序，在未來相當長一段時間內仍將是封裝內部鏈接的主流方式。引線鍵合工藝的可靠性是半導體器件可靠性的一個重要組成部分，尤其對電路的長期可靠性影響很大，據(jù)國外的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示鍵合系統(tǒng)的失效占整個半導體器件失效模式比例的25%～30%。嚴格控制器件的生產(chǎn)工藝環(huán)境以及引線的鍵合工藝質量尤為重要。針對單芯片集成電路加工過程中遇到的鍵合失效模式，對過程進行分析，找出引線鍵合失效的原因，提出了改善方法。

引線鍵合；失效機理；穩(wěn)定性；可靠性；失效模式；斷裂

1 引 言

半導體集成電路引線鍵合是集成電路封裝中的一個非常重要的環(huán)節(jié)，引線鍵合的好壞直接影響到電路使用后的穩(wěn)定性和可靠性[1]。隨著整機對電路可靠性要求的提高，引線鍵合不再是簡單意義上的芯片與管殼鍵合點的連接，而是要通過這種連接，確保在承受高的機械沖擊時的抗擊能力，保證電路在各種惡劣環(huán)境下性能的穩(wěn)定性和可靠性[2]。

2 引線鍵合的失效機理

引線鍵合是芯片與外部鏈接體之間互接最常見和最有效的連接工藝[3]。引線鍵合的失效會使相應的引腳失去功能，從而使器件失效，是超大規(guī)模集成電路常見的失效形式[4]。

引線斷裂的常見方式一般分為三類：引線在鍵合點的非頸縮點處斷裂；引線在鍵合點的頸縮點處斷裂；脫鍵[5]。

2.1引線在鍵合點的非頸縮點處斷裂

引線中間斷裂不一定在早期失效中出現(xiàn)，因為它和內引線存在損傷的程度和由損傷誘發(fā)的機理有關[6]。鍵合絲的損傷使引線損傷部位面積變小，這將導致：電流密度加大，使損傷部位易被燒毀；抗機械應力的能力降低，造成內引線損傷處斷裂。產(chǎn)生損傷的原因，一是鍵合絲受到機械損傷，見圖1；二是電流密度加大，個別部位被燒毀，見圖2。

圖1 鍵合絲上有明顯的機械損傷

圖2 電流密度加大導致個別部位被燒毀

2.2 引線在鍵合點的頸部斷裂

由鍵合力過大或引線受到機械外力損傷所致。此種引線損傷會降低鍵合強度，在試驗或使用中易造成鍵合失效，如圖3。

圖3 鍵合點頸部單側撕裂

2.3 鍵合點脫落

在自動引線鍵合技術中，半導體器件鍵合點脫落是最常見的失效模式，如圖4。這種失效模式用常規(guī)篩選和測試很難剔除，只有在強烈振動下才可能暴露出來，因此對半導體器件的可靠性危害極大。

圖4 鍵合點Al層脫落

3 影響內引線鍵合可靠性的主要因素

3.1 可能造成引線中間斷裂的因素

發(fā)生這種斷開方式的原因有兩種情況，一是內引線存在缺陷，如引線上存在裂口、彎曲、割口、卷曲、刻痕和頸縮等，使得該處的機械強度降低，在鍵合拉力的作用下極易發(fā)生斷裂；二是鍵合工藝很好，鍵合點和頸縮點處理得都很好，鍵合系統(tǒng)中機械強度最低的位點就落在了引線上。

3.2 可能造成引線頸部斷裂的因素

原因之一可能是材料間的接觸應力不當。應力包括熱應力、機械應力和超聲應力。鍵合應力過小會造成鍵合不牢，但鍵合應力過大同樣會影響鍵合點的機械性能。應力大不僅會造成鍵合點根部損傷，引起鍵合點根部斷裂失效，還會損傷鍵合點下方的芯片材料，甚至出現(xiàn)裂縫[7]。

另外，鍵合工藝操作控制不嚴格，鍵合力過大或引線受力，也會導致引線頸部出現(xiàn)撕裂。

3.3 可能造成鍵合點脫鍵的因素

原因之一：界面上絕緣層的形成

在芯片上鍵合區(qū)光刻膠或窗口鈍化膜未去除干凈，即可形成絕緣層。除此之外，管殼鍍金層質量低劣，會造成表面的疏松、發(fā)紅、鼓泡、起皮等，也會嚴重影響電學接觸的有效性。金屬間鍵合接觸時，在有氧，氯、硫、水汽存在的環(huán)境下，金屬往往與這些氣體起反應生成氧化物、硫化物等絕緣夾層，或受氯的腐蝕，導致接觸電阻增加，這些都起著絕緣層的作用，使鍵合可靠性降低。

原因之二：金屬化層缺陷

金屬化層缺陷主要有：芯片金屬化層過薄，使得鍵合時無緩沖作用；芯片金屬化層出現(xiàn)合金點，在鍵合處形成缺陷；芯片金屬化層粘附不牢，最易脫鍵。

原因之三：表面沾污

在各個操作環(huán)節(jié)，芯片、管殼、劈刀、金絲、鑷子、鎢針等均可能引入污染；人體凈化不良，也會造成有機物沾污及納沾污等；芯片、管殼等未及時處理干凈，殘留鍍金液，可造成鉀沾污及碳沾污等，而且此種沾污屬于批次性問題，可能會造成整批管殼報廢；引線鍵合點腐蝕也是一種表面沾污，會引起失效；金絲存放過久，不但硬度和延展率會發(fā)生變化，而且也易沾污，管殼的存放也存在類似的情況。

4 改善方法

方法之一：

彎曲引線時，為防止將過大應力加在管座和引線之間，應將彎曲點和管座間的引線用工具加以固定。彎曲時應防止工具碰到管座，更不能用手拿著管座來彎折引線。在需要采用夾具進行大批生產(chǎn)時，必須使用專門的固定引線的夾具，而且要防止固定引線的夾具將應力加到器件上。不要對引線進行反復彎曲，應避免對扁平形狀的引線進行橫向彎折。在沿引線“軸向”施加過大應力（拉力）時，會導致器件密封性遭到損壞[8]，所以應避免在此種情況下施加超過規(guī)定的應力。除此還應避免彎折夾具損傷引線鍍層。

方法之二：

為預防金屬化層缺陷造成的鍵合失效，應對芯片鍵合區(qū)進行粘附層強度評價[9]?？沙槿?只芯片，選擇合適的基板粘片，用鍵合絲將焊盤逐個鍵合起來，不足22根引線的加大抽樣數(shù)量。采用22（0）抽樣方案進行抗拉強度測試，以不出現(xiàn)焊盤脫落現(xiàn)象者為合格。

方法之三：

為預防表面沾污，鍵合工具應進行定期清洗并放置在氮氣柜中保存，操作人員嚴格按照凈化車間管理規(guī)定著裝及操作。對于可能存在的批次性原材料污染問題，應進行充分的封裝質量評估，合格后再予使用。

5 結束語

鍵合工藝是一種對工藝參數(shù)和操作要求都很嚴格的焊接工藝，稍有不慎就會引入質量問題，結合近年來破壞性物理分析（DPA）及失效分析工作的實踐，介紹了電子元器件內引線鍵合的幾種失效模式，并對每種失效模式進行了分析，最后提出應對措施。同時給出了典型的案例圖片，對鍵合工藝及環(huán)境等方面提出了改進措施，對鍵合工藝的實效分析和優(yōu)化提升工作有很大實際意義。

[1] 和田.引線鍵合技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].電子工業(yè)專用設備,2004,(10)：12-14.He Tian.Current Status and Development Trend of Wire Bonding Technology[J].Equipment for Electronic Products Manufacturing,2004,(10)：12-14.

[2] 胡同燦.一種內引線鍵合脫鍵失效模式及其預防[J].集成電路通訊,2002,(9)：82-84.Hu Tongchan.A Failure Modeof Inner Wire Bonding Falling Of fandthe Prevention[J].Integrated Circuit Communication,2002,(9)：82-84.

[3] 潘峰,顏向乙,鄭軒,等.全自動鍵合機工藝調整方法[J].電子工業(yè)專用設備,2009,(5)：46-50.Pan Feng,YanXiangji,ZhengXuan,etal..Process Adjustment Method of Automatic Bonding Machine[J].Equipment for Electronic Products Manufacturing,2009,(5)：46-50.

[4] 張延偉.半導體器件典型缺陷分析和圖例[M].中國科學技術出版社,2004.ZhangYanwei.TypicalDefectsAnalysisandLegendof Semiconductor Devices[M].China Science and Technology Press,2004.

[5] 晁宇晴,楊兆建,喬海靈,等.引線鍵合技術進展[J].電子工藝技術,2007,(4)：33-35.ChaoYuqing,Yang Zhaojian,Qiao Hailing,et al..Development of Wire Bonding Technology[J].Electronics Process Technology,2007,(4)：205-210.

[6] 黃玉財.集成電路封裝中的引線鍵合技術[J].電子與封裝,2006,(7)：16-20.1Huang Yucai.Wire Bonding Technology in Integrated Circuit Packaging[J].Electronics and Packaging,2006,(7)：16-20.

[7] 吳懿平.引線鍵合原理與工藝[J].環(huán)球SMT與封裝,2007,7(6)：8-10.Wu Yiping.Principle and Process of Wire Bonding[J].Global SMT and Packaging,2007,7(6)：8-10.

[8] 廣明安,陳威,潘峰.全自動引線鍵合機相關鍵合工藝分析[J].電子工業(yè)專用設備,2008,(1)：22-25.Guang Ming’an,Chen Wei,Pan Feng.Analysis of Bonding Technology about Automatic Wire Bonding Machine[J].Equipment for Electronic Products Manufacturing,2008,(1)：22-25.

[9] 呂磊.引線鍵合工藝介紹及質量檢驗[J].電子工業(yè)專用設備,2014,(158)：54-57.Lv Lei.Introduction and Quality Inspection of Wire Bonding Process[J].Equipment for Electronic ProductsManufacturing,2014,(158)：54-57.

Failure Mechanism and Analysis of Wire Bonding

He Ling,Liu Hongtao
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

With the development of electronic packaging system,the requirements for reliability and service life are continuously increased.As the key process of semiconductor post process,wire bonding will still be the mainstream way of packaging internallinks for a long time to come.The reliability of wire bonding process is an important part of the reliability of semiconductor devices,especially influencing the long term reliability of circuit heavily,and according to the foreign statistical data,it shows that the failure rate of the bonding system accounts for 25%～30%of the failure mode of the whole semiconductor device.It is very important to control the manufacturing process and the wire bonding process quality.According to the bonding failure modes encountered in the process of single chip integrated circuits processing,the process is analyzed,so as to find out the reason of wire bonding failure,and to propose improvement methods.

Wire bonding;Failure analysis;Stability;Reliability;Failure mode;Fracture

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.06.004

B

1002-2279-（2017）06-0017-04

賀玲(1985—)，女，遼寧省遼中縣人，學士，工程師，主研方向：封裝工藝。

2017-10-25