甘聲豹 蘇華飛 宋建華

摘? 要：在半導(dǎo)體封裝工藝中，芯片鍵合是非常關(guān)鍵的一環(huán)，其中綁定是芯片鍵合的一種普遍方式，它用高純度金線把芯片接口和基板接口鍵合，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸和電氣連接[1]。然而使用過(guò)程中綁定容易出現(xiàn)一些故障，金線斷裂是綁定常見(jiàn)的故障原因之一。本文通過(guò)對(duì)一種PCBA上涂有防護(hù)膠的傳感器進(jìn)行不良解析，采用故障樹(shù)梳理金線斷裂的可能因素，結(jié)合CT掃描、金線斷面SEM對(duì)比分析等方式，找出金線頸部斷裂的根本原因并提出改善方法，為金線斷裂分析提供了一種有效的解析方式。

關(guān)鍵詞：涂膠封裝；綁定金線斷裂；故障樹(shù)；CT掃描；SEM；對(duì)比分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.46? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2024）02-0070-05

Failure Reason Analysis and Improvement Method of Bonding Gold Wire for a Semiconductor Encapsulated with Protective Adhesive

GAN Sheng-bao， SU Hua-fei， SONG Jian-hua

（ VOYAH Automobile Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430056， China）

Abstract： In semiconductor encapsulation technology， chip bonding is a crucial step， and bonding is a common method of chip bonding. It uses high-purity gold wire to bond the chip interface and substrate interface， thereby achieving signal transmission and electrical connection [1]. However， bonding is prone to some faults during use， and gold wire breakage is one of the common causes of bonding failures. This article analyzes the defects of a PCBA sensor coated with protective adhesive， uses a fault tree to sort out the possible factors of gold wire fracture， and combines CT scanning， and SEM comparative analysis of gold wire cross-section to identify the root cause of gold wire neck fracture and propose improvement methods， providing an effective analysis method for gold wire fracture analysis.

Key Words： Adhesive Encapsulated; Bonding Wire Breakage; Fault Tree; CT Scanning; Sem; Comparative Analysis

引? ? 言

傳感器是現(xiàn)代汽車(chē)重要的電子元器件，通過(guò)感知汽車(chē)實(shí)際情況，為車(chē)輛的控制提供關(guān)鍵信號(hào)。其中綁定作為傳感器芯片封裝中的重要過(guò)程，直接影響傳感器的可靠性。

用戶(hù)在使用過(guò)程中，傳感器可能因?yàn)镻CBA線路不良、元器件焊接不良、芯片失效、綁定金線斷裂等原因引起故障，這需要質(zhì)量分析工作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析找出故障原因，針對(duì)原因做出改善，從而提高產(chǎn)品可靠性。某車(chē)型在路試檢測(cè)時(shí)，行駛過(guò)程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)向無(wú)助力現(xiàn)象，讀取整車(chē)故障碼，顯示當(dāng)前故障為轉(zhuǎn)向扭矩傳感器通道A存在錯(cuò)誤，經(jīng)排查鎖定直接原因是通道A ASIC芯片綁定金線斷裂，引起輸出電壓超差，導(dǎo)致傳感器A通道錯(cuò)誤。為進(jìn)一步分析金線斷裂產(chǎn)生的根本原因，對(duì)PCBA進(jìn)行溶膠，通過(guò)金線斷面SEM對(duì)比分析，最后在傳感器裝配方式、金線拉力過(guò)程能力提升等方面提出改善，為解決同類(lèi)問(wèn)題提供思路和方法。

1? ? 轉(zhuǎn)向扭矩傳感器制造工藝流程

轉(zhuǎn)向扭矩傳感器制造工藝流程如圖1所示：

綁定是通過(guò)焊接方式將芯片引腳與PCBA引腳用金線連接的一種技術(shù)，如圖2所示。常見(jiàn)的綁定金線封裝工藝主要包括焊絲加熱、焊絲放置、焊絲接觸、焊絲連接和焊絲修剪等步驟。在這個(gè)過(guò)程中，需要保證綁定金線能夠牢固連接，并提供良好的導(dǎo)電通路。

轉(zhuǎn)向扭矩傳感器制造過(guò)程中，綁定金線表層涂覆Coating膠、PCBA表層涂覆Potting膠用來(lái)防止振動(dòng)、及異物污染，如圖3所示：

2? ? 傳感器故障原因分析

2.1? ?故障原因確定

CT是一種利用精確準(zhǔn)直的X線束、γ射線、超聲波等，與靈敏度極高的探測(cè)器一同對(duì)被測(cè)物的某一部位作斷面成像的掃描方式[2]。對(duì)故障傳感器采用CT分析金線內(nèi)部狀態(tài)，由傳感器制造工藝可知，金線和PCBA表層均覆蓋防護(hù)膠，CT可有效觀察到金線狀態(tài)。分析發(fā)現(xiàn)#1、#2、#3點(diǎn)位金線頸部異常，如圖4所示：

同時(shí)根據(jù)傳感器故障FTA對(duì)其他可能因素如：PCBA制程異常、芯片異常、外圍電路異常等逐項(xiàng)展開(kāi)確認(rèn)并逐一排除。最后確定傳感器故障的根本原因是3根回路的綁定金線斷裂。

2.2? ?金線斷裂原因挖掘

對(duì)造成金線頸部斷裂原因進(jìn)行深入挖掘，采用故障樹(shù)梳理所有可能因素：①二焊點(diǎn)溫度、壓力、功率、時(shí)間異常；②金線拉力??；③劈刀型號(hào)錯(cuò)誤；④劈刀壽命超期；⑤劈刀磕傷；⑥Coating膠型號(hào)錯(cuò)誤；⑦Coating膠流動(dòng)性黏度過(guò)大；⑧Coating膠打膠量過(guò)大；⑨烘烤溫度過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；⑩烘烤過(guò)程受熱不均勻；?劈刀觸碰金線；?鑷子觸碰金線；?手、治具觸碰金線；?傳感器受外力沖擊。基于故障樹(shù)，對(duì)供應(yīng)商進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)審核并針對(duì)性逐一排查，排除①③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩???因素，鎖定?傳感器受外力沖擊和②金線拉力小是該失效件金線頸部斷裂的兩個(gè)主要因素，如圖6所示：

3? ? 傳感器受外力沖擊因素解析確認(rèn)

SEM是一種介于透射電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種觀察手段，其利用聚焦很窄的高能電子束來(lái)掃描樣品，通過(guò)光束與物質(zhì)間的相互作用，來(lái)激發(fā)各種物理信息，對(duì)這些信息收集、放大、再成像以達(dá)到對(duì)物質(zhì)微觀形貌表征的目的[3]。為了確認(rèn)金線斷裂與傳感器受外力沖擊的關(guān)聯(lián)性，對(duì)金線金線SEM分析其微觀形貌。

3.1? ?模擬件金線斷面SEM分析

金線直徑為0.8mil，未查到如此小失效件SEM分析的參考資料，特制作綁定金線疲勞斷裂和沖擊斷裂模擬[4]其微觀差異，作為故障件形貌參考。模擬件#a、#b點(diǎn)位金線為疲勞斷裂，#c點(diǎn)位金線為沖擊斷裂，對(duì)其進(jìn)行SEM金線斷面分析，如圖7所示。

在SEM掃描下：當(dāng)放大倍數(shù)為1K倍時(shí)，#a點(diǎn)位金線和#b點(diǎn)位金線斷面呈現(xiàn)不規(guī)則形貌，#c點(diǎn)位金線斷面呈現(xiàn)規(guī)則相貌；為更清晰區(qū)分兩種斷裂模式下金線斷面形貌，將放大倍數(shù)增加到5K倍和10K倍，此時(shí)可以清晰的觀察到#a點(diǎn)位金線和#b點(diǎn)位金線斷面韌口明顯卷曲，呈現(xiàn)疲勞斷裂形貌，而#c點(diǎn)位金線斷面韌口方向齊整，呈現(xiàn)沖擊斷裂形貌[5]。

3.2? ?失效件金線斷面SEM分析

根據(jù)失效件CT結(jié)果，對(duì)綁定異常點(diǎn)位#1、#2、#3金線斷面進(jìn)行SEM分析。在0.9K倍SEM掃描下，三個(gè)點(diǎn)位金線斷口均規(guī)則鋒利；在被放大到2.5K和5K倍，觀察其斷面均呈現(xiàn)韌口方向齊整形貌，與模擬件的沖擊斷裂形貌一致，如圖8所示：

由SEM對(duì)比分析，確認(rèn)傳感器受外力沖擊是導(dǎo)致該失效件綁定金線頸部斷裂的直接原因。轉(zhuǎn)向扭矩傳感器在運(yùn)輸和裝配過(guò)程中需嚴(yán)禁非常規(guī)外力沖擊：比如跌落、裝配敲擊等。

4? ? 金線拉力小因素解析確認(rèn)

外部沖擊會(huì)導(dǎo)致傳感器綁定金線斷裂，金線自身強(qiáng)度也是影響其斷裂的因素之一，而金線拉力是衡量金線質(zhì)量的重要指標(biāo)，綁定工藝如圖9所示。

在相同金線線徑條件下，金線焊接過(guò)程與金線拉力相關(guān)聯(lián)因素有：線一焊點(diǎn)參數(shù)、線二焊點(diǎn)參數(shù)、劈刀壽命、弧高。其中，線一焊點(diǎn)為金線與芯片引腳間焊接點(diǎn)，線二焊點(diǎn)為金線與PCBA引腳間焊接點(diǎn)，劈刀為金線焊接工裝，弧高為金線焊接完成后拱起高度。

對(duì)每種因素不同條件各測(cè)試20組金線拉力，取拉力平均值，對(duì)比同一因素下不同取值的金線拉力均值，如圖10所示。

由實(shí)驗(yàn)可知，不同弧高會(huì)對(duì)金線拉力產(chǎn)生明顯影響，金線弧高由104μm提高到293μm時(shí)，拉力平均值由6.58g提升到8.85g，通過(guò)提高金線弧高可以實(shí)現(xiàn)金線拉力的提升，如表1所示：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，供應(yīng)商對(duì)金線弧高進(jìn)行優(yōu)化，改善前金線弧高為200μm，金線拉力過(guò)程能力Cpk=1.447；改善后金線弧高為240μm，金線拉力過(guò)程能力Cpk=2.293，如圖11所示：

5? ? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)高清CT和SEM確認(rèn)了故障的根本原因是綁定金線斷裂，可作為同類(lèi)PCBA封裝件失效原因分析的參考。

對(duì)線徑只有0.8mil的金線斷面分析中，采用對(duì)比分析方法，先通過(guò)模擬件明確疲勞斷裂和沖擊斷裂呈現(xiàn)出的不同斷面形貌，然后對(duì)失效件金線斷面進(jìn)行SEM掃描，最后和模擬件比對(duì)確認(rèn)斷裂類(lèi)型。其分析方法和SEM形貌特征可作為其它類(lèi)似項(xiàng)目上的參考。

本文還從金線自身強(qiáng)度提升著手，指出綁定過(guò)程中弧高與金線拉力的正向關(guān)系。有助于綁定過(guò)程改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]石磊，朱建新.半導(dǎo)體器件物理與工藝[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

[2]陳浩，江子涵.CT系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定及成像研究[J].黑龍江科技信息，2021，006.

[3]孟慶新，李蓉.某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)電子水泵卡簧失效原因分析[J].測(cè)試試驗(yàn)，2019，10.（119-121）.

[4]閆桂玲，王弘，高慶.超聲疲勞試驗(yàn)方法及其應(yīng)用[J].力學(xué)與實(shí)踐，2004，26.

[5]劉柯軍，邵亮.汽車(chē)零件失效分析[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2022.