摘 要： 半導體的性能和可靠性與器件的封裝形式密切相關(guān)，而引線(xiàn)鍵合工藝無(wú)疑是其中重要且容易出現失效的一環(huán)，其失效大約占總失效的1/3。因此，對引線(xiàn)鍵合工藝的深入理解對器件封裝至關(guān)重要。本文全面深入地闡述了引線(xiàn)鍵合工藝，包括引線(xiàn)鍵合的多種工藝方法、引線(xiàn)鍵合的技術(shù)原理與特點(diǎn)、引線(xiàn)鍵合的打線(xiàn)方式、引線(xiàn)鍵合的實(shí)際應用以及引線(xiàn)鍵合常見(jiàn)的失效形式等。本文對引線(xiàn)鍵合的綜合性論述工作對器件封裝的設計和制造有著(zhù)重要的啟引作用。

關(guān)鍵詞： 封裝；鍵合機理；鍵合工藝；鍵合材料；打線(xiàn)形式；鍵合失效  

Research on Power Device Wire Bonding Technology: A Review

NS Technical Literature of the Third Gen-Semiconductor Project Team

Abstract  The performance and reliability of semiconductors are closely related to the packaging form of devices, and the wire bonding process is undoubtedly an important part and is prone to failure, which the wire bonding failures account for about 1/3 of the total failures. Therefore, an deep understanding of the lead bonding process is very important for device packaging. This article comprehensively elaborates on the wire bonding process, including the various techniques, the technical principles and characteristics, the bonding methods, and the practical applications and the common failure modes of wire bonding. It is believed that the comprehensive exposition of the wire bonding in this article has an important inspiration for device packaging.

Keywords  packaging；bonding mechanism；bonding process；bonding materials；bonding forms；bonding failure

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5 引線(xiàn)鍵合常見(jiàn)的失效形式

在器件封裝流程中，引線(xiàn)鍵合是一項十分關(guān)鍵的工藝步驟，引線(xiàn)的潔凈度、鍵合的穩定性等等都與封裝的可靠性息息相關(guān)。因此，我們需要對其塑封前后的引線(xiàn)進(jìn)行可靠性測試與失效分析，主要分為鍵合失效與可靠性失效兩種模式，對應分析其失效因素，從而對工藝流程進(jìn)行調整，改善產(chǎn)品的可靠性^[13]。

5.1  鍵合失效

在進(jìn)行鍵合工藝的封裝流程中，往往會(huì )有許多失效情況出現，常見(jiàn)的有外觀(guān)問(wèn)題、焊線(xiàn)拉力失效、焊點(diǎn)推力失效、焊盤(pán)清潔度程度不足、焊盤(pán)出現彈坑等等。

5.1.1 工藝失效

以金線(xiàn)球焊為例，其外觀(guān)檢測主要是燒球外觀(guān)、拉線(xiàn)外觀(guān)。其中燒球失效包括燒球尺寸、形狀、穩定性、滑球等等；拉線(xiàn)失效包括金線(xiàn)殘留不符要求、弧度不良、各個(gè)節點(diǎn)（一般是A、D、E點(diǎn)）不良等等。

焊線(xiàn)拉力與焊點(diǎn)推力是焊線(xiàn)質(zhì)量評判的一個(gè)重要指標，其很好地反映引線(xiàn)的應力與焊點(diǎn)的牢固性，只有達到一定的標準才能保證器件的可靠性。如圖18所示，其在焊線(xiàn)的時(shí)候就會(huì )自動(dòng)對引線(xiàn)進(jìn)行一次拉力測試，焊線(xiàn)條數對應檢驗次數（15mil會(huì )施加250g的拉力，20mil會(huì )施加300g的拉力）?？梢钥吹?，相比于拉力標準，這個(gè)拉力是偏小的，因為這一步驟是為了檢驗焊點(diǎn)是否存在虛焊的現象，不僅大大提高了檢驗的效率，也降低了器件的不合格率。

焊線(xiàn)結束后，會(huì )使用專(zhuān)門(mén)的鉤針與推針進(jìn)行測試，機器會(huì )記錄焊線(xiàn)斷開(kāi)與焊點(diǎn)移動(dòng)的力量數據，從而與標準比較，判定產(chǎn)品是否符合推拉力要求。鉤針一般在線(xiàn)弧最高點(diǎn)進(jìn)行鉤線(xiàn)，斷點(diǎn)不同原因不同；而推針一般高于電極5μm。

圖18 器件推拉力結果：（a）推拉力前、（b）推拉力后

Fig.18 Power device push-pull test results: (a) before push-pull, (b) after push-pull

5.1.2 焊盤(pán)清潔度

焊盤(pán)清潔度在焊線(xiàn)工藝也是造成失效的一個(gè)因素，焊點(diǎn)的牢固性與其息息相關(guān)，虛焊也經(jīng)常發(fā)生在清潔度不足的焊盤(pán)上。鹵化物、清洗殘留、鍍層污染等都是造成焊盤(pán)污染的重要因素。

5.1.3 彈坑

彈坑是鍵合失效中常見(jiàn)的問(wèn)題，其經(jīng)常發(fā)生在高強度加壓加能量的超聲焊接。彈坑是指焊盤(pán)金屬化層或其下方的半導體材料層的機械損壞，如圖19（a）所示。這種損壞，有時(shí)可見(jiàn)為凹痕或裂紋，或更常見(jiàn)的是對材料結構看不見(jiàn)的損壞，會(huì )降低半導體器件的性能并引起電損壞，增加器件故障的風(fēng)險。造成彈坑這種現象往往有兩個(gè)因素：引線(xiàn)硬度較大以及鍵合參數不匹配芯片材料脆性。

以銅線(xiàn)為例，燒球時(shí)銅線(xiàn)極易氧化，由于其氧化物硬度較大，往往在鍵合中會(huì )對焊盤(pán)造成損傷，因此在銅線(xiàn)鍵合時(shí)需要氣體進(jìn)行保護；引線(xiàn)與焊盤(pán)的鍵合參數是否匹配也對彈坑有著(zhù)相應的影響，因此設備參數也需要慢慢調試，盡量避免彈坑形成；另外，在球焊中如果燒球較小也有可能因為鍵合頭過(guò)硬接觸焊盤(pán)形成彈坑。圖19（b）是器件對鋁線(xiàn)腐蝕后的效果圖，圖19（c）是其在顯微鏡下的彈坑觀(guān)察圖，可以看到其表面僅僅只有鋁線(xiàn)鍵合時(shí)留下楔形痕跡，并沒(méi)有明顯的彈坑痕跡。

圖19 （a）彈坑、（b）器件去鋁線(xiàn)示意圖、（c）顯微鏡下芯片外形圖

Fig.19 (a) crater, (b) device corrosion, (c) chip appearance under microscope

5.2  可靠性失效

在器件投入工作后，難免會(huì )出現老化失效的可靠性問(wèn)題，因此我們在整個(gè)封裝流程結束后，需要對器件進(jìn)行可靠性測試與相應的失效分析，其主要失效模式包括引線(xiàn)與焊盤(pán)表面金屬間化合物的擴散、焊線(xiàn)疲憊勞損、焊點(diǎn)失效（剝離、腐蝕等等）等等。

5.2.1 金屬間化合物的擴散

在引線(xiàn)與芯片焊盤(pán)鍵合的過(guò)程中，引線(xiàn)與表面鋁墊存在金屬擴散的情況，當兩種不同擴散速率的金屬相互接觸并施加壓力時(shí)，會(huì )出現柯肯達爾效應，雖然固體中擴散速度很慢，但隨著(zhù)時(shí)間推移，難免會(huì )產(chǎn)生可靠性問(wèn)題。以鍵合金線(xiàn)為例，當金線(xiàn)鍵合在芯片電極鋁墊上，經(jīng)過(guò)長(cháng)期環(huán)境因素影響，會(huì )形成緊密結合的化合物（“白斑”和“紫斑”），并在其中形成孔洞。（“紫斑”的主要物質(zhì)是AuAl₂，一般是金線(xiàn)與鋁墊在鍵合表面接觸并擴散所產(chǎn)生的化合物與其它混合物，“白斑”的成分是Au₂Al。）

5.2.2 焊線(xiàn)疲勞

器件投入應用后，其引線(xiàn)焊點(diǎn)處經(jīng)常出現細微缺陷，在受到溫度變化或其他環(huán)境因素影響下引線(xiàn)會(huì )發(fā)生形變，而缺陷也會(huì )隨之擴大。引線(xiàn)的拉伸彎曲會(huì )影響焊點(diǎn)處應力的變化，最終出現焊線(xiàn)疲勞，更嚴重的是，隨著(zhù)環(huán)境溫度的變化，這種失效會(huì )經(jīng)常出現。經(jīng)驗證，當引線(xiàn)弧高超過(guò)兩個(gè)焊點(diǎn)間距的四分之一時(shí)，線(xiàn)弧會(huì )出現塌陷的問(wèn)題。

5.2.3 鍵合焊點(diǎn)失效

在可靠性測試中的環(huán)境老化試驗下，鍵合焊點(diǎn)失效也是經(jīng)常發(fā)生，在冷熱沖擊中，溫度的冷熱交替會(huì )造成焊點(diǎn)剝離，甚至延伸到焊線(xiàn)；另外，在濕度較高的環(huán)境下，焊點(diǎn)也會(huì )出現銹蝕的狀況，銹蝕會(huì )造成電路故障以及增加鍵合點(diǎn)的電阻等失效。

6 結論

引線(xiàn)鍵合作為封裝工序重要的工藝環(huán)節，對器件的性能表現和長(cháng)期可靠性有著(zhù)重要的影響，對焊線(xiàn)工藝的深入理解在封裝工作中至關(guān)重要。本文對引線(xiàn)鍵合進(jìn)行了全面詳細地介紹：

(1) 引線(xiàn)鍵合常見(jiàn)的三種工藝方法可分為熱壓鍵合、超聲鍵合以及熱壓超聲鍵合；熱壓超聲鍵合可使超聲波功率和焊接壓力減小，保護芯片，是目前主流的引線(xiàn)鍵合方法。

(2) 根據焊點(diǎn)的形狀，引線(xiàn)鍵合可分為球形鍵合與楔形鍵合。一般球形鍵合適用于金線(xiàn)焊接，楔形鍵合適用于鋁線(xiàn)焊接以及鍵合引線(xiàn)的特點(diǎn)。

(3) 根據成本和電流密度區分，一般小功率器件選用金線(xiàn)鍵合，而高功率的功率器件則選用鋁線(xiàn)鍵合。

(4) 引線(xiàn)鍵合常見(jiàn)的失效形式主要有：鍵合失效與可靠性失效。鍵合失效主要分為工藝失效、焊盤(pán)清潔度與彈坑；可靠性失效主要包括金屬間化合物的擴散、焊線(xiàn)疲勞與焊點(diǎn)失效。 

（完結） 

參考文獻

[1] CSIA.國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展若干政策的通知

[EB/OL].(2020-08-05)[2021-03-04].http://www.csia.net.cn/Article/ShowInfo.asp?InfoID=95726.

[2]晁宇晴, 楊兆建, 喬海靈. 引線(xiàn)鍵合技術(shù)進(jìn)展[J]. 電子工藝技術(shù), 2007, 28(004):205-210.

[3] 斯芳虎.LED金線(xiàn)鍵合工藝的質(zhì)量控制[J].電子質(zhì)量,2010(03):44-45+48.

[4] 楊陽(yáng).功率器件封裝鋁帶鍵合失效分析及工藝優(yōu)化[D].南京：東南大學(xué),2019.

[5] 李錕.集成電路銅引線(xiàn)鍵合強度試驗方法標準研究[J].信息技術(shù)與標準化,2020(11):56-60+66.

[6] 肖沛宏,付興銘,譚六喜,等.壓力傳感器引線(xiàn)鍵合金線(xiàn)的振動(dòng)疲勞研究[J].傳感器世界,2007(03):10-12.

[7] 賀玲,劉洪濤.引線(xiàn)鍵合的失效機理及分析[J].微處理機,2017,38(06):17-20.

[8] 吳懿平.引線(xiàn)鍵合原理與工藝[J].環(huán)球SMT與封裝,2007,7(6):8-10.

[9] 羅玨,康敏,趙鶴然,等.金絲鍵合短尾問(wèn)題分析及解決[J].微處理機,2020,41(03):17-19.

[10] 王寧寧,何宗鵬,張振明,等.功率VDMOS器件粗鋁絲鍵合工藝研究[J].電子工藝技術(shù),2015,36(01):25-28.

[11] 廖雯,毛繁,但雪梅,等.一種瓦片式T/R的關(guān)鍵工藝分析[J].壓電與聲光,2018,40(03):323-325+330.

[12] 唐家霖,崔潔,柳青.鍵合引線(xiàn)懸空的引線(xiàn)鍵合工藝研究[J].電子工業(yè)專(zhuān)用設備,2016,45(08):5-8.

[13] 丁康偉. 半導體金線(xiàn)鍵合可靠性研究[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)（工程管理與信息技術(shù)學(xué)院）,2014.

[14] 余齋. 改善熱壓超聲球焊點(diǎn)鍵合強度的工藝研究[D].成都：西南交通大學(xué),2010.

[15] 沙帕拉·K·普拉薩德,劉亞強（譯）.復雜的引線(xiàn)鍵合互聯(lián)工藝[M].北京：中國宇航出版社,2015.9.

[16] 徐佳慧. 射頻器件超細引線(xiàn)鍵合工藝及性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2020.

[17] 呂磊.引線(xiàn)鍵合工藝介紹及質(zhì)量檢驗[J].電子工業(yè)專(zhuān)用設備,2008(03):53-60.

[18] 侯育增. 功率外殼粗鋁絲鍵合可靠性工藝研究[D].南京：南京理工大學(xué),2013.

[19] 譚一帆. 基于新型層疊DBC混合封裝功率模塊的鍵合線(xiàn)可靠性研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2019.

[20]A. GRAMS, C. EHRHARDT, J. JAESCHKE,et al.  "Simulation of the Lifetime of Wire Bonds Modified through Wedge Trenches for Higher Reliability," CIPS 2016; 9th International Conference on Integrated Power Electronics Systems, Nuremberg, Germany, 2016, pp. 1-4.

[21]W. HUANG, D. BAI AND A. LUO, "Stress simulation for 2N gold wires and evaluation on the stitch bond shapes," 2011 International Symposium on Advanced Packaging Materials (APM), Xiamen, 2011, pp. 134-140, doi: 10.1109/ISAPM.2011.6105722.

[22]J. ZHAO, F. QIN, T. AN, ,et al. "Electro-thermal and thermal-mechanical FE analysis of IGBT module with different bonding wire shape," 2017 18th International Conference on Electronic Packaging Technology (ICEPT), Harbin, 2017, pp. 548-551, doi: 10.1109/ICEPT.2017.8046514.

[23]段之剛. DFN1006新型引線(xiàn)鍵合設計與實(shí)現[D].成都：電子科技大學(xué),2017.

[24] 燕子鵬,秦文龍,賀從勇.BSOB鍵合工藝在厚膜基板引線(xiàn)互聯(lián)中的研究[J/OL].微電子學(xué):1-5[2021-01-19].

劉猛. 脈沖功率系統中IGBT模塊封裝的研究[D].成都：西南交通大學(xué),2017.