引线键合的失效机理及分析
2018-01-04贺玲刘洪涛
贺玲，刘洪涛
引线键合的失效机理及分析
贺玲，刘洪涛
（中国电子科技集团公司第47研究所，沈阳110032）
随着电子封装系统的发展，封装系统对可靠性及使用寿命的要求不断提高。引线键合作为半导体后道工序中的关键工序，在未来相当长一段时间内仍将是封装内部链接的主流方式。引线键合工艺的可靠性是半导体器件可靠性的一个重要组成部分，尤其对电路的长期可靠性影响很大，据国外的统计数据显示键合系统的失效占整个半导体器件失效模式比例的25%～30%。严格控制器件的生产工艺环境以及引线的键合工艺质量尤为重要。针对单芯片集成电路加工过程中遇到的键合失效模式，对过程进行分析，找出引线键合失效的原因，提出了改善方法。
引线键合；失效机理；稳定性；可靠性；失效模式；断裂
1 引 言
半导体集成电路引线键合是集成电路封装中的一个非常重要的环节，引线键合的好坏直接影响到电路使用后的稳定性和可靠性[1]。随着整机对电路可靠性要求的提高，引线键合不再是简单意义上的芯片与管壳键合点的连接，而是要通过这种连接，确保在承受高的机械冲击时的抗击能力，保证电路在各种恶劣环境下性能的稳定性和可靠性[2]。
2 引线键合的失效机理
引线键合是芯片与外部链接体之间互接最常见和最有效的连接工艺[3]。引线键合的失效会使相应的引脚失去功能，从而使器件失效，是超大规模集成电路常见的失效形式[4]。
引线断裂的常见方式一般分为三类：引线在键合点的非颈缩点处断裂；引线在键合点的颈缩点处断裂；脱键[5]。
2.1引线在键合点的非颈缩点处断裂
引线中间断裂不一定在早期失效中出现，因为它和内引线存在损伤的程度和由损伤诱发的机理有关[6]。键合丝的损伤使引线损伤部位面积变小，这将导致：电流密度加大，使损伤部位易被烧毁；抗机械应力的能力降低，造成内引线损伤处断裂。产生损伤的原因，一是键合丝受到机械损伤，见图1；二是电流密度加大，个别部位被烧毁，见图2。
图1 键合丝上有明显的机械损伤
图2 电流密度加大导致个别部位被烧毁
2.2 引线在键合点的颈部断裂
由键合力过大或引线受到机械外力损伤所致。此种引线损伤会降低键合强度，在试验或使用中易造成键合失效，如图3。
图3 键合点颈部单侧撕裂
2.3 键合点脱落
在自动引线键合技术中，半导体器件键合点脱落是最常见的失效模式，如图4。这种失效模式用常规筛选和测试很难剔除，只有在强烈振动下才可能暴露出来，因此对半导体器件的可靠性危害极大。
图4 键合点Al层脱落
3 影响内引线键合可靠性的主要因素
3.1 可能造成引线中间断裂的因素
发生这种断开方式的原因有两种情况，一是内引线存在缺陷，如引线上存在裂口、弯曲、割口、卷曲、刻痕和颈缩等，使得该处的机械强度降低，在键合拉力的作用下极易发生断裂；二是键合工艺很好，键合点和颈缩点处理得都很好，键合系统中机械强度最低的位点就落在了引线上。
3.2 可能造成引线颈部断裂的因素
原因之一可能是材料间的接触应力不当。应力包括热应力、机械应力和超声应力。键合应力过小会造成键合不牢，但键合应力过大同样会影响键合点的机械性能。应力大不仅会造成键合点根部损伤，引起键合点根部断裂失效，还会损伤键合点下方的芯片材料，甚至出现裂缝[7]。
另外，键合工艺操作控制不严格，键合力过大或引线受力，也会导致引线颈部出现撕裂。
3.3 可能造成键合点脱键的因素
原因之一：界面上绝缘层的形成
在芯片上键合区光刻胶或窗口钝化膜未去除干净，即可形成绝缘层。除此之外，管壳镀金层质量低劣，会造成表面的疏松、发红、鼓泡、起皮等，也会严重影响电学接触的有效性。金属间键合接触时，在有氧，氯、硫、水汽存在的环境下，金属往往与这些气体起反应生成氧化物、硫化物等绝缘夹层，或受氯的腐蚀，导致接触电阻增加，这些都起着绝缘层的作用，使键合可靠性降低。
原因之二：金属化层缺陷
金属化层缺陷主要有：芯片金属化层过薄，使得键合时无缓冲作用；芯片金属化层出现合金点，在键合处形成缺陷；芯片金属化层粘附不牢，最易脱键。
原因之三：表面沾污
在各个操作环节，芯片、管壳、劈刀、金丝、镊子、钨针等均可能引入污染；人体净化不良，也会造成有机物沾污及纳沾污等；芯片、管壳等未及时处理干净，残留镀金液，可造成钾沾污及碳沾污等，而且此种沾污属于批次性问题，可能会造成整批管壳报废；引线键合点腐蚀也是一种表面沾污，会引起失效；金丝存放过久，不但硬度和延展率会发生变化，而且也易沾污，管壳的存放也存在类似的情况。
4 改善方法
方法之一：
弯曲引线时，为防止将过大应力加在管座和引线之间，应将弯曲点和管座间的引线用工具加以固定。弯曲时应防止工具碰到管座，更不能用手拿着管座来弯折引线。在需要采用夹具进行大批生产时，必须使用专门的固定引线的夹具，而且要防止固定引线的夹具将应力加到器件上。不要对引线进行反复弯曲，应避免对扁平形状的引线进行横向弯折。在沿引线“轴向”施加过大应力（拉力）时，会导致器件密封性遭到损坏[8]，所以应避免在此种情况下施加超过规定的应力。除此还应避免弯折夹具损伤引线镀层。
方法之二：
为预防金属化层缺陷造成的键合失效，应对芯片键合区进行粘附层强度评价[9]。可抽取3只芯片，选择合适的基板粘片，用键合丝将焊盘逐个键合起来，不足22根引线的加大抽样数量。采用22（0）抽样方案进行抗拉强度测试，以不出现焊盘脱落现象者为合格。
方法之三：
为预防表面沾污，键合工具应进行定期清洗并放置在氮气柜中保存，操作人员严格按照净化车间管理规定着装及操作。对于可能存在的批次性原材料污染问题，应进行充分的封装质量评估，合格后再予使用。
5 结束语
键合工艺是一种对工艺参数和操作要求都很严格的焊接工艺，稍有不慎就会引入质量问题，结合近年来破坏性物理分析（DPA）及失效分析工作的实践，介绍了电子元器件内引线键合的几种失效模式，并对每种失效模式进行了分析，最后提出应对措施。同时给出了典型的案例图片，对键合工艺及环境等方面提出了改进措施，对键合工艺的实效分析和优化提升工作有很大实际意义。
[1] 和田.引线键合技术的现状和发展趋势[J].电子工业专用设备,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.
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[3] 潘峰,颜向乙,郑轩,等.全自动键合机工艺调整方法[J].电子工业专用设备,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] 张延伟.半导体器件典型缺陷分析和图例[M].中国科学技术出版社,2004.ZhangYanwei.TypicalDefectsAnalysisandLegendof Semiconductor Devices[M].China Science and Technology Press,2004.
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[9] 吕磊.引线键合工艺介绍及质量检验[J].电子工业专用设备,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
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
贺玲(1985—)，女，辽宁省辽中县人，学士，工程师，主研方向：封装工艺。
2017-10-25
