袁亦灵，李晓红，张丽巍

（1.重庆大学光电工程学院，重庆 400044； 2.中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆 400060）

内引线破坏性键合拉力试验失效类别及原因分析

袁亦灵1，李晓红2，张丽巍2

（1.重庆大学光电工程学院，重庆 400044； 2.中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆 400060）

通过对内引线破坏性键合拉力试验中的第3、4种失效类别失效原因的案例分析，发现存在着工艺加工、原材料生产、筛选试验等方面的质量问题，对产品是否合格作出最终的结果判定。

内引线破坏性拉力试验；失效类别；失效原因分析

引言

集成电路制造流程的后工序生产中，经常采用内引线键合实现芯片与基板、芯片与管脚、基板与管脚的电气连接。内引线键合是集成电路生产过程中的关键工序，对集成电路的生产合格率和长期可靠性有很大地影响。

目前，在军用集成电路的通用规范GJB 597B-2012《半导体集成电路通用规范》和GJB 2438A-2002《混合集成电路通用规范》中，内引线的键合强度（破坏性键合拉力试验）（以下均简称为破坏性键合拉力试验）为质量一致性逐批检验项目，其试验方法为GJB 548B-2005《微电子器件试验方法和程序》方法2011，一般采用试验条件D。破坏性键合拉力试验是键合质量的最有效的评价手段之一，其中对部分失效类别的失效原因分析非常必要。

1 破坏性键合拉力试验

1.1 破坏性键合拉力试验的工作原理

GJB 548B-2005《微电子器件试验方法和程序》方法2011键合强度（破坏性键合拉力试验）中的试验条件D为双键合点引线拉力。其工作原理为：固定试验样品后，在被测试的引线下方插入一个钩子，当钩子接触到引线时，开始施加拉力并逐渐增大直至引线断裂。拉力方向与芯片或基板表面垂直，或与两键合垫肩的直线大致垂直；钩子位置约在引线中央部位。其工作原理图如图1所示。

1.2 破坏性键合拉力试验的失效判据

一般情况下，破坏性键合拉力试验的失效判据按GJB 548B-2005《微电子器件试验方法和程序》方法2011第3.2条，若外加应力小于图2中所要求的最小键合强度，则为失效。

图1 键合拉力试验的工作原理图

1.3 破坏性键合拉力试验的试验记录

按GJB 548B-2005《微电子器件试验方法和程序》方法2011条件D要求，当出现失效时，记录引起失效的力的大小和失效类别。

2 内引线键合强度（破坏性键合拉力试验）的失效类别

按GJB 548B-2005《微电子器件试验方法和程序》方法2011第3.2.1条，对于内引线键合，其失效类别有：①在颈缩点处（即由于键合工艺而使内引线截面减小的位置）引线断开；②在非颈缩点上引线断开；③芯片上的键合（在引线和金属化层之间的界面）失效；④在基板、封装外引线键合区或非芯片位置上的键合（引线和金属化层之间的界面）失效；⑤金属化层从芯片上浮起；⑥金属化层从基板或封装外引线键合区上浮起；⑦芯片破裂；⑧基板破裂。

在这八种失效类别中，常见的失效类别有第①、③、④种，其中最多见是第①种——在颈缩点处引线断开。对于其中出现第③、④种失效类别，应分析其失效原因，确定是否存在潜在的质量隐患。

3 案例

3.1 案例一 某放大器

1）样品的情况

外壳型号T08，内引线φ45 μm硅铝丝，3只样品共24根引线，试验样品为筛选合格品。

2）键合拉力试验的试验记录

筛选合格品φ45 μm硅铝丝键合拉力合格判据≥0.040 N。3只样品24根引线拉力值数据见表1所示。

3）失效原因分析

表1中，A失效类别引线数17根，D失效类别引线数7根。

对其中D失效类别的键合点进行分析，其键合拉力试验失效在外引线键合区、键合丝端界面的典型形貌分别如图3、图4所示。

图2 最小键合拉力极限值

表1 样品24根引线拉力值数据

图3 外引线键合区失效界面

图4 键合丝端失效界面

通过对样品封装外引线键合区位置上的键合失效界面分析，并与外壳生产厂家进行沟通，确定该失效类别是由于该批外壳生产中镀金液使用时间过长、镀液内的杂质含量增加造成的。杂质离含量达到一定程度，就会影响键合效果，特别是硅铝丝的键合。当镀金层存在杂质离子污染时，杂质离子阻挡了金铝之间正常扩散。在杂质离子集中到一定水平，就会发生离子沉淀现象。沉降的离子像空槽子一样，吸收原子扩散中产生的空缺，先形成微小的空洞，最终形成大的空洞（Kirkendall空洞），导致键合界面分离。

3.2 案例二 某射频器

1）样品的情况

外壳型号ST31，内引线φ25 μm金丝，4只样品共抽取15根引线进行试验，试验样品为筛选合格品。

2）键合拉力试验的试验记录

筛选合格品φ25 μm金丝键合拉力合格判据≥0.025 N。4只样品15根引线拉力值数据见表2所示。

3）失效原因分析

表2中，A失效类别引线数10根，B失效类别引线数1根，C失效类别引线数4根。

表2 样品15根引线拉力值数据

图5 芯片键合区失效界面

图6 键合丝端失效界面

对其中C失效类别的键合点进行分析，其键合拉力试验失效在芯片键合区、键合丝端界面的典型形貌分别如图5、图6所示。

通过对键合失效界面的分析，确定该样品在筛选老炼结温温度过高（超过150 ℃），使键合界面产生了界面金属间化合物（IMC），随着老炼时间的增长，键合点界面间金属间化合物（IMC）的生成会伴随Kirkendall空洞出现，随着这种固相反应的加剧，空洞会不断集聚，从而导致样品在键合拉力试验中出现在引线和金属化层之间的界面）失效类别。

3.3 案例三 某A/D转换器

1）样品的情况

外壳型号LCC48，内引线φ35 μm金丝，1只样品共43根引线，试验样品为筛选合格品。

表3 样品43根引线拉力值数据

图7 芯片键合区失效界面

2）键合拉力试验的试验记录

筛选合格品φ35 μm金丝键合拉力合格判据≥0.030 N。1只样品43根引线拉力值数据见表3所示。

3）失效原因分析

表3中， A失效类别引线数16根，C失效类别引线数27根。

对其中C失效类别的键合点进行分析，其键合拉力试验失效在芯片键合区界面的典型形貌分别如图7所示。

通过对样品键合失效界面、样品键合点原始形貌的观察和分析、样品的生产过程复查，确定该批次产品生产过程中所使用键合劈刀的CD（Cuter Diameter）尺寸较小，使键合金球形变相应减小，金球与铝膜之间的结合力不足，从而导致样品在键合拉力试验中出现在引线和金属化层之间的界面失效类别。

4 结果讨论

在破坏性键合拉力试验中，第①种失效类别（在颈缩点处引线断开）是最常见的失效类别。在正常键合工艺加工中，颈缩处为键合丝的形变部位，是键合丝拉力最薄弱处。而其他的失效类别（如第③、④种）通常会反映出一些原材料、工艺或筛选中的问题。

案例一反映出样品的外壳生产的质量问题。外壳的外引线键合区的镀金层杂质离子达到一定程度，会严重影响到硅铝丝的键合质量，键合界面经过筛选的机械应力或温度应力后，特别是高温温度应力后，容易出现脱键的开路失效现象，在自然贮存中也会随时间而退化，最终出现开路失效。

案例二反映出样品的筛选老炼中的超温问题。样品金铝键合界面形成形成的Kirkendall空洞，一方面会使金铝界面的接触电阻增大，另一方面空洞的不断集聚，连在一起形成裂缝，最终导致器件开路失效。

案例三反映出样品在工艺加工中使用不合理的劈刀的问题。键合劈刀CD（Cuter Diameter）尺寸小使成形的金球与铝膜界面的接触面积减小，导致结合力不足。这种结构在后续的机械应力、温度应力等试验或长时间贮存中易出现脱落开路失效。

5 结束语

在破坏性键合拉力试验中，仅依据拉力值判定批次产品合格与否是不够的，还应对其一些不常见的失效类别进行进一步的分析，特别是在拉力值偏小甚至临界的情况下。分析其原材料、工艺加工、后续筛选试验应力等是否存在潜在的质量隐患，对批次产品最终是否合格接收作出适当的判定。

[1] GJB 548B-2005,微电子器件试验方法和程序[S].

[2] 高伟东,等,镀层质量对金-铝异质键合可靠性的影响[J].电子工艺技术, 2016,37(2): 94-95.

[3] 苏杜煌,等,混合集成电路金铝键合退化与控制动态研究[J].电子元件与材料, 2008,27(12): 5-7.

[4]罗辑,赵和义 主编. JY电子元器件质量管理与质量控制[M].北京：国防工业出版社, 2004.

[5]姚立真.电子元器件可靠性物理[M].西安：西安电子科技大学, 2003.

Failure Category and Failure Cause Analysis on Destructive Internal Bond Pull Test

YUAN Yi-ling1, LI Xiao-hong2, ZHANG Li-wei2
(1. College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044; 2. No.24 Research Institute of CETC, Chongqing 400060)

This paper analyzes the sample’s failure cause of the third and fourth kinds of failure categories in destructive internal bond pull test. Then it found that it has the quality problems in the technology process, raw material production, and screening test, etc. Finally, it makes the final judgment whether the product is qualified.

destructive internal bond pull test; failure category; failure cause analysis

TN306

A

1004-7204（2017）02-0059-05

袁亦灵（1995-），女，2014年进入重庆大学光电工程学院学习，本科学生。现主要进行测控技术与仪器专业方面的学习。