金絲引線鍵合失效的主要因素分析

常 亮，孫 彬，徐品烈，趙玉民，張彩山

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

引線鍵合（Wire Bonding）是半導(dǎo)體封裝中重要的工藝技術(shù)之一，目的是將金屬引線的兩端分別與芯片和管腳焊接從而形成電氣連接。在鍵合過(guò)程中，引線在超聲能量、壓力或熱量的共同作用下，與焊盤(pán)金屬接觸并發(fā)生原子間擴(kuò)散而達(dá)到鍵合的目的。

金絲引線鍵合是引線鍵合工藝的一種，它是一種通過(guò)超聲振動(dòng)和鍵合力的共同作用，在基板加熱或金絲加熱的情況下，將金絲引線分別鍵合到芯片焊盤(pán)和基板引腳上，以實(shí)現(xiàn)芯片與基板電路間物理互連的方法。

金絲引線主要有兩種引線鍵合技術(shù)，金絲球鍵合（ball bonding）和金絲楔形鍵合（wedge bonding）。兩種引線鍵合技術(shù)的基本工藝步驟都包括：在芯片表面進(jìn)行第一焊點(diǎn)焊接、形成連通兩點(diǎn)的線弧、在引線框架或基板上形成第二焊點(diǎn)。其不同之處在于金絲球鍵合第一焊點(diǎn)在焊接前通過(guò)電子打火會(huì)形成一個(gè)焊球（free air ball-FAB），同時(shí)，由于金絲燒球后形狀為圓型，具備多方向焊接的功能。因此，出現(xiàn)了更為靈活的壓球鍵合和墊球鍵合的方法。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在半導(dǎo)體微電子封裝中，半導(dǎo)體器件的失效約有1/4 至1/3 是由芯片互連引起。金絲引線鍵合導(dǎo)致的失效和可靠性降低，帶來(lái)的損失遠(yuǎn)大于其工藝本身的損失。通過(guò)對(duì)金絲引線鍵合工藝失效模式的研究，分析影響金絲引線鍵合失效的各種因素，提出的解決措施有助于整個(gè)封裝工藝的質(zhì)量提升、生產(chǎn)效率提高和產(chǎn)品成本降低。

1 引線鍵合的工藝

引線鍵合根據(jù)其工藝特點(diǎn)分為超聲鍵合、熱壓鍵合和熱超聲鍵合三種。超聲鍵合是指超聲波通過(guò)楔型劈刀Wedge 引導(dǎo)金屬線使其壓緊在金屬焊盤(pán)上，再由換能器輸入一定頻率、一定振幅并平行于接觸平面的超聲波脈沖，使劈刀發(fā)生水平方向的彈性振動(dòng)。同時(shí)再施加向下的壓力，使得劈刀在這兩種力作用下帶動(dòng)引線在焊盤(pán)金屬表面迅速摩擦，引線受能量作用發(fā)生塑性變形從而完成焊接。由于超聲鍵合的劈刀采用楔型劈刀且無(wú)需加熱，采用的金屬絲一般是較易發(fā)生塑性變形的硅鋁絲，所以這種鍵合又稱為鋁絲楔焊。

熱壓鍵合是指金屬線通過(guò)預(yù)熱至300～400 ℃的氧化鋁或碳化鎢等耐火材料所制成的空心圓管狀劈刀，再以電火花或氫焰將金屬線燒熔并利用熔融金屬的表面張力效應(yīng)在金屬線的末端形成球狀，鍵合頭再將金屬球下壓至已預(yù)熱至150～250 ℃的第一金屬焊盤(pán)上進(jìn)行球形結(jié)合（Ball Bond）的一種鍵合方式。這種鍵合方式利用熱能使金屬軟化，同時(shí)通過(guò)較大的壓力以形成金線與焊盤(pán)間的緊密連接，但不涉及超聲波能量，所以又稱之為熱壓球鍵合。

熱超聲鍵合是超聲鍵合和熱壓鍵合結(jié)合后的一種混合鍵合方法，其工藝方法更加多樣，它可以使用球焊劈刀也可以使用楔焊劈刀，同時(shí)加熱的方式也可以采用劈刀加熱或基板加熱。熱超聲鍵合所用的導(dǎo)電絲主要有金絲和銅絲，目前使用最多的是金絲。鍵合金絲一般采用純度為99.99%、線徑為18～50 μm 的高純度合金金絲。由于金絲具有電導(dǎo)率大、耐腐蝕、韌性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于小功率器件和集成電路封裝。

由于熱超聲鍵合具備諸多優(yōu)勢(shì)，目前已基本取代了超聲鍵合和熱壓鍵合，成為引線鍵合的主流鍵合工藝，目前市場(chǎng)約占90%。根據(jù)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品鍵合的不同要求，又將熱超聲鍵合工藝細(xì)分為金絲球鍵合工藝和金絲楔焊鍵合工藝兩種。

1.1 金絲球鍵合工藝過(guò)程

金絲球鍵合是將金絲通過(guò)過(guò)線管和線夾再穿入鍵合機(jī)毛細(xì)管劈刀（球焊劈刀）并到達(dá)其頂部（通過(guò)送線機(jī)構(gòu)預(yù)留一定長(zhǎng)度的線尾），利用鍵合機(jī)負(fù)電子高壓打火（-3600 V 或-4500 V）擊穿空氣并產(chǎn)生電火花以融化線尾，在表面張力作用下形成標(biāo)準(zhǔn)的球形（球直徑一般為線徑的2～4 倍）。緊接著下降劈刀搜索焊點(diǎn)，在適當(dāng)?shù)膲毫统晻r(shí)間內(nèi)將金球壓在電極或芯片上，完成第一焊點(diǎn)的鍵合。然后劈刀拉弧線后運(yùn)動(dòng)到第二焊點(diǎn)焊盤(pán)位置下壓，通過(guò)球焊劈刀的外壁對(duì)金線施加壓力完成第二焊點(diǎn)，之后扯線使金線斷裂，劈刀通過(guò)線夾送出尾線并提升至打火位置，再次打火成球并形成鍵合循環(huán)的工藝過(guò)程，如圖1 所示。

圖1 金絲球焊鍵合工藝流程圖

1.2 金絲楔焊鍵合工藝過(guò)程

金絲楔焊的鍵合工藝首先是將金絲通過(guò)過(guò)線管和線夾再穿入鍵合機(jī)楔焊劈刀并到達(dá)其頂部（預(yù)留的線尾長(zhǎng)度一般為1～2 mm）。然后劈刀下降到第一鍵合點(diǎn)，鍵合機(jī)探測(cè)到劈刀與壓焊面的接觸后啟動(dòng)超聲波換能器，根據(jù)參數(shù)設(shè)定的超聲功率和壓力以及超聲波發(fā)生的時(shí)間，對(duì)第一鍵合點(diǎn)進(jìn)行鍵合。第一焊點(diǎn)鍵合完成后，鍵合頭抬起并將劈刀上升到鍵合線弧的頂端進(jìn)行拉弧（在劈刀上升和下降過(guò)程中線夾處于打開(kāi)狀態(tài)）。拉弧結(jié)束后，劈刀下降，從劈刀中伸出的引線首先接觸到壓焊面。當(dāng)劈刀繼續(xù)向下移動(dòng)時(shí)，鍵合壓力進(jìn)行反饋，超聲波換能器作用并形成第二壓焊點(diǎn)。二焊完成后，線夾關(guān)閉并扯斷金線，之后線夾送線，劈刀從壓焊面上升到適當(dāng)?shù)母叨龋凑湛烧{(diào)的送線線長(zhǎng)和時(shí)間間隙留出尾絲，并循環(huán)進(jìn)行第二次鍵合，如圖2 所示。

圖2 金絲楔焊鍵合工藝流程圖

2 金絲引線鍵合失效的主要因素

2.1 彈坑現(xiàn)象

焊盤(pán)產(chǎn)生彈坑(Cratering)是超聲鍵合中常見(jiàn)的一種缺陷，指對(duì)焊盤(pán)金屬化層下面的半導(dǎo)體材料層造成的破壞，由于破壞集中于一點(diǎn)，形成彈坑形狀，故稱為彈坑現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會(huì)降低器件的性能并引發(fā)電損傷，其產(chǎn)生的原因主要為：

（1）超聲波能量過(guò)高導(dǎo)致SI 晶格錯(cuò)層。由于金絲鍵合屬于熱超聲鍵合工藝，在鍵合過(guò)程中需要施加超聲波能量，過(guò)大的超聲波能量會(huì)穿透金屬層進(jìn)而造成底層SI 晶格沿水平方向橫向錯(cuò)位，導(dǎo)致電性能損傷，造成器件失效。

（2）鍵合壓力過(guò)高導(dǎo)致底層材料破損。鍵合過(guò)程中的壓力是瞬時(shí)施加的，在極短的時(shí)間內(nèi)施加的壓力較高則會(huì)造成金屬層極大的變形，同時(shí)豎直向下的壓力會(huì)造成底層材料的破碎，進(jìn)而形成彈坑現(xiàn)象。

（3）線尾過(guò)短導(dǎo)致球焊燒球過(guò)小。過(guò)小的金球在鍵合過(guò)程中縮回球焊劈刀中，導(dǎo)致劈刀代替金球下壓，從而由劈刀外壁對(duì)底層材料造成了破壞。

（4）焊盤(pán)金屬厚度過(guò)薄。焊盤(pán)金屬一般和金線的硬度要匹配，匹配好的焊盤(pán)金屬需要控制鍍層的厚度，根據(jù)失效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，0.6 μm 以下厚度的焊盤(pán)在進(jìn)行鍵合時(shí)，由于焊盤(pán)金屬與金線共同塑性變形，其應(yīng)變力無(wú)法滿足鍵合要求，因此造成底層材料損壞，形成彈坑。

2.2 鍵合點(diǎn)開(kāi)裂和翹起

通常發(fā)生于金絲楔焊的第一點(diǎn)和金絲球鍵合的第二點(diǎn)，鍵合點(diǎn)開(kāi)裂一般稱為爛點(diǎn)，鍵合點(diǎn)翹起則稱為虛焊。這兩種現(xiàn)象都會(huì)引起器件的電性能降低或喪失，通過(guò)分析，其產(chǎn)生的原因?yàn)椋?/p>

（1）金絲楔焊的第一點(diǎn)開(kāi)裂主要是由于超聲能量過(guò)大或鍵合壓力過(guò)大造成的，較大的能量瞬間施加于金絲上，超過(guò)了金絲本身能夠承受的塑性變形，造成爛點(diǎn)現(xiàn)象。金絲球焊的第二點(diǎn)翹起則主要是由于超聲能量過(guò)小或鍵合壓力過(guò)小造成的，因?yàn)榕妒┘拥哪芰窟^(guò)小，第二焊點(diǎn)未完全完成塑性變形，導(dǎo)致焊點(diǎn)與焊盤(pán)間的金屬結(jié)合能力不足，同時(shí)由于鍵合機(jī)扯線的動(dòng)作會(huì)造成第二點(diǎn)翹起。

（2）鍵合劈刀由于長(zhǎng)時(shí)間磨損，造成劈刀的機(jī)械形狀發(fā)生改變，這導(dǎo)致劈刀在相同能量的情況下產(chǎn)生的焊點(diǎn)變形不同，進(jìn)而造成鍵合點(diǎn)開(kāi)裂和翹起。

（3）金線的氧化和焊盤(pán)腐蝕會(huì)造成相關(guān)失效。金線長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中會(huì)被氧化，同樣，焊盤(pán)在含水分子和污染物的環(huán)境中也會(huì)被腐蝕，使金線或焊盤(pán)表面金屬發(fā)生化學(xué)性質(zhì)改變，進(jìn)而造成材料塑性變形，鍵合時(shí)在相同的參數(shù)條件下產(chǎn)生不同的失效。

2.3 鍵合尾絲不一致

在理想的狀態(tài)下，鍵合過(guò)程中每一次送線的尾絲都能夠保持一致，但實(shí)際工藝控制很難。如果尾絲太短，作用在第一鍵合點(diǎn)上的力分布在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，這將導(dǎo)致過(guò)量變形。而尾絲太長(zhǎng)則會(huì)使球焊的燒球過(guò)大、楔焊的第一焊點(diǎn)尾絲過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致焊盤(pán)間短路。

導(dǎo)致尾絲不一致的因素有：

（1）引線表面臟污，當(dāng)臟污的金線通過(guò)毛細(xì)管劈刀或楔焊劈刀時(shí)，臟污會(huì)粘在劈刀口，導(dǎo)致線夾送線不順暢，向下送出的尾絲力不一致，從而導(dǎo)致每次送線尾絲長(zhǎng)短不一致；

（2）線夾的間隙不正確，線夾間隙較窄會(huì)對(duì)金線造成損傷，導(dǎo)致金線被“夾扁”，造成金線從劈刀口送線困難，而線夾間隙較大則造成夾線松，會(huì)出現(xiàn)送線時(shí)長(zhǎng)時(shí)短、尾絲長(zhǎng)短不一致；

（3）送線通道的角度偏移，因?yàn)榻鹁€本身較為柔軟，送線通道角度偏移則會(huì)導(dǎo)致金線在送線管道內(nèi)“打彎”，這樣在送線過(guò)程中，金線的伸縮時(shí)長(zhǎng)時(shí)短，造成每一次鍵合尾絲不一致；

（4）劈刀長(zhǎng)時(shí)間使用，金屬殘留也會(huì)造成劈刀過(guò)線孔逐漸減小，當(dāng)累積到一定程度后同樣也會(huì)造成金線送線困難，造成尾絲不一致。

2.4 引線根部裂紋或變形

根部裂紋或變形的現(xiàn)象是引線鍵合點(diǎn)彎曲疲勞，多出現(xiàn)于金絲楔焊的第一焊點(diǎn)，如圖3 所示。這種失效在器件振動(dòng)或超聲波清洗后會(huì)發(fā)生鍵合點(diǎn)脫落的現(xiàn)象，造成較大的損失，其主要原因有三點(diǎn)：

圖3 鍵合點(diǎn)根部變形

（1）鍵合操作中的機(jī)械疲勞，當(dāng)?shù)谝缓更c(diǎn)焊接完成后進(jìn)行拉弧操作時(shí)，由于弧線高度或長(zhǎng)度參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤或人為的原因造成金線折彎成較大的角度，而當(dāng)繼續(xù)拉弧時(shí)，由于第一焊點(diǎn)根部已經(jīng)受到機(jī)械疲勞的影響進(jìn)而產(chǎn)生根部裂紋，如圖4 所示；

（2）溫度循環(huán)導(dǎo)致的熱應(yīng)力疲勞，由于劈刀加熱的影響，金線在焊接前即進(jìn)行加熱，由此產(chǎn)生軟化效應(yīng)，這能夠降低金絲鍵合的難度，但同時(shí)過(guò)高的問(wèn)題也會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力疲勞，在進(jìn)行拉弧的時(shí)候可能會(huì)產(chǎn)生根部斷裂的情況；

（3）彎曲半徑較小產(chǎn)生的彎曲斷裂，引線閉環(huán)情況下產(chǎn)生的拉弧高度對(duì)引線根部有重要影響，當(dāng)引線鍵合的拉弧高度≤鍵合點(diǎn)間距的25%時(shí)容易產(chǎn)生引線的根部裂紋。

2.5 鍵合點(diǎn)脫鍵

在自動(dòng)引線鍵合過(guò)程中，半導(dǎo)體器件的鍵合點(diǎn)脫鍵是較為常見(jiàn)的失效模式。這種失效采用常規(guī)篩選和測(cè)試的方法很難剔除，只有在強(qiáng)烈振動(dòng)下才能暴露出來(lái)，因此對(duì)半導(dǎo)體器件的可靠性危害極大，可能造成鍵合點(diǎn)脫落的因素主要有：

（1）芯片鍵合區(qū)域的污染或膠質(zhì)殘留可形成鈍化絕緣層，管殼的鍍金層質(zhì)量不高會(huì)造成表面疏松、起皮等現(xiàn)象，在含有水汽、氧、氯等氣體的環(huán)境中，金屬會(huì)被氧化、硫化生成絕緣夾層，造成鍵合時(shí)鍵合點(diǎn)脫鍵；

（2）金屬化層缺陷，當(dāng)芯片金屬化層過(guò)薄，使得鍵合時(shí)無(wú)緩沖作用，從而在鍵合處形成缺陷，導(dǎo)致芯片金屬化層粘附不牢，產(chǎn)生鍵合點(diǎn)脫鍵；

（3）材料間熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和超聲應(yīng)力等接觸應(yīng)力不當(dāng)，應(yīng)力過(guò)小會(huì)產(chǎn)生鍵合點(diǎn)脫鍵。

3 改進(jìn)方法

金絲引線鍵合失效的原因很多，針對(duì)具體問(wèn)題提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法。

3.1 彈坑現(xiàn)象的改善

彈坑主要是由于超聲波能量或鍵合壓力過(guò)大、尾絲過(guò)短以及焊盤(pán)金屬層與金線硬度匹配不當(dāng)產(chǎn)生的。通過(guò)對(duì)產(chǎn)生彈坑的原因分析，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法。

（1）通過(guò)工藝參數(shù)調(diào)整對(duì)鍵合超聲能量和鍵合壓力進(jìn)行控制。通過(guò)鍵合點(diǎn)形狀的管控消除彈坑，完整的金絲球鍵合成球大小為線徑的2.5～3.5 倍，鍵合后第一焊點(diǎn)球徑要求飽滿，顯微鏡觀察壓球厚度約為線徑的1.5～2 倍。第二焊點(diǎn)月牙形狀飽滿，大小約為線徑的2.5～3 倍，可以有輕微壓圈但不能太深，鍵合點(diǎn)形狀如圖5、圖6 所示。

圖5 金絲球鍵合第一焊點(diǎn)

圖6 金絲球鍵合第二焊點(diǎn)

（2）尾絲過(guò)短則需要調(diào)整鍵合頭上的送線線夾。首先用酒精清洗線夾，避免線夾上的臟污；其次，保證線夾的夾縫中心與劈刀孔中心垂直，保證送線過(guò)程不受到外界力的干擾；最后，對(duì)劈刀進(jìn)行超聲波清洗，保證劈刀內(nèi)孔無(wú)臟污，出線順暢。

（3）焊盤(pán)金屬層與金線的匹配。主要通過(guò)設(shè)計(jì)改變，金線的莫氏硬度約為2.5～3，要求相應(yīng)焊盤(pán)的金屬硬度也要與金線基本一致，過(guò)軟則容易被擊穿容易形成彈坑。

3.2 鍵合點(diǎn)開(kāi)裂和翹起的改善方法

通過(guò)現(xiàn)象分析表明，引起此類現(xiàn)象的原因主要有鍵合能量過(guò)大、劈刀磨損以及金線和焊盤(pán)氧化造成的，對(duì)此提出了相應(yīng)的解決辦法。

（1）鍵合能量過(guò)大或過(guò)小造成金屬變形過(guò)大或過(guò)小，通過(guò)改變鍵合工藝參數(shù)予以調(diào)整。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)調(diào)整鍵合壓力、鍵合時(shí)間和超聲波功率滿足工藝要求，結(jié)合顯微鏡觀察，可有效地控制鍵合絲的變形，進(jìn)而解決相關(guān)的開(kāi)裂和翹起。

（2）劈刀磨損需更換；為避免金線和焊盤(pán)的氧化需對(duì)其無(wú)氧存放，一般的做法是將金線和器件存放在高濃度氮?dú)夤駜?nèi)，取出后盡快使用，不用時(shí)入柜繼續(xù)無(wú)氧存放。

3.3 鍵合尾絲不一致

鍵合尾絲不一致的問(wèn)題通過(guò)分析是由于送線路徑導(dǎo)致的，可以通過(guò)調(diào)整送線路徑的角度減少金絲在送線過(guò)程中受到的外力影響，同時(shí)對(duì)送線路徑、線夾以及劈刀進(jìn)行清洗，保證金線在通過(guò)劈刀孔的整個(gè)過(guò)程不會(huì)受到污染。另外，由于線夾對(duì)送線影響較大，需要細(xì)致地對(duì)線夾進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)調(diào)整線夾的縫隙寬度、線夾的彈簧力大小保證送線過(guò)程平滑，不會(huì)受到多余外力影響。

3.4 引線根部斷裂

引線根部斷裂的改進(jìn)方法有：

（1）通過(guò)調(diào)整全自動(dòng)鍵合機(jī)鍵合程序中拉弧的參數(shù)，提高第一點(diǎn)焊接后的拉弧高度，同時(shí)降低劈刀的橫移參數(shù)，改善拉弧過(guò)程對(duì)引線根部的受力，從而降低引線根部斷裂的風(fēng)險(xiǎn)；

（2）溫度循環(huán)導(dǎo)致的熱應(yīng)力疲勞，由于劈刀加熱絲圓徑較小，對(duì)劈刀內(nèi)金絲的加熱溫度過(guò)高容易導(dǎo)致此類問(wèn)題，解決辦法是降低劈刀加熱的功率，使劈刀加熱的溫度不會(huì)造成金絲的熱應(yīng)力疲勞現(xiàn)象，從而降低根部斷裂；

（3）鍵合點(diǎn)間距過(guò)小時(shí)，要提高鍵合點(diǎn)的拉弧高度，保證拉弧高度≥25%的鍵合間距，從而減小金絲根部的應(yīng)力，減小根部斷裂的失效。

3.5 鍵合點(diǎn)脫鍵

減少鍵合點(diǎn)脫鍵。首先需要對(duì)鍵合環(huán)境進(jìn)行確認(rèn)，因?yàn)殒I合過(guò)程需要減少污染，需要對(duì)鍵合區(qū)域的殘膠進(jìn)行清理，同時(shí)需要減少鍵合區(qū)域的氧化，平時(shí)保管也很重要；另外，對(duì)于金屬化層的缺陷，需要在鍵合的前道工序進(jìn)行反復(fù)檢驗(yàn)，保證金屬化層能夠滿足鍵合需求；最后，對(duì)鍵合力進(jìn)行確認(rèn)，通過(guò)鍵合點(diǎn)形狀的變化，判斷鍵合力的大小，調(diào)節(jié)參數(shù)，滿足鍵合點(diǎn)的形狀要求，降低鍵合點(diǎn)脫鍵的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

金絲引線鍵合在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用極其廣泛。作為目前半導(dǎo)體封裝內(nèi)部連接的主流方式，引線鍵合技術(shù)不斷改進(jìn)適應(yīng)了各種半導(dǎo)體封裝新工藝和新材料的挑戰(zhàn)。本文主要針對(duì)金絲引線鍵合失效的主要因素進(jìn)行分析，介紹了金絲鍵合技術(shù)的基本原理和工藝過(guò)程，并通過(guò)對(duì)引起金絲引線鍵合失效的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了改進(jìn)金絲引線鍵合失效的解決辦法。