摘要:

在微電子封裝中，引線鍵合是實現(xiàn)封裝體內(nèi)部芯片與芯片及芯片與外部管腳間電氣連接、確保信號輸入輸出的重要方式，鍵合的質(zhì)量直接關(guān)系到微電子器件的質(zhì)量和壽命。針對電路實際生產(chǎn)中遇到的測試短路、內(nèi)部鍵合絲脫落等問題，分析其失效原因，通過試驗，確認(rèn)鍵合點間距是弧形狀態(tài)的重要影響因素。據(jù)此，基于鍵合設(shè)備的能力特點，在芯片設(shè)計符合鍵合工藝規(guī)則的前提下，提出鍵合工藝的優(yōu)化。深入探討在設(shè)計芯片和制定封裝工藝方案時，保證鍵合點與周圍金屬化區(qū)域的合理間距以及考慮芯片PAD與管殼鍵合指的距離的重要性。

1引言

在微電子封裝中，封裝體內(nèi)部芯片到芯片，以及芯片到外部管腳之間都需建立電氣連接，以確保信號的輸入與輸出[1]。引線鍵合以工藝簡單、成本低廉、適用封裝形式多樣而在連接方式中占主導(dǎo)地位。目前所有封裝管腳的90%以上均為采用引線鍵合的方式完成[2]，鍵合的質(zhì)量直接關(guān)系到微電子器件的質(zhì)量和壽命[3]。

研究選用的某幾款電路，均采用直徑32μm鋁硅絲超聲鍵合工藝。由于采用的鍵合機為30度角鍵合頭，為避免線夾及鍵合絲碰撞到鍵合指臺階，電路采用反向鍵合方式完成芯片與管殼引腳的引線互連。在對所選電路的封裝中出現(xiàn)了共性化的鍵合質(zhì)量問題，表現(xiàn)為電路密封前后鍵合目檢及強度均合格，滿足GJB548B方法2010.1和方法2011.1中相關(guān)規(guī)定[4]，但在隨后的測試和篩選考核試驗中出現(xiàn)了部分引腳測試短路或引線脫落，導(dǎo)致器件失效。

2鍵合失效分析試驗

對失效電路封裝過程進行追查，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備、引線、操作過程、鍵合參數(shù)等出現(xiàn)異常，首件檢驗也無異常，同期封裝的其他品種電路也均無異常。綜合考慮失效電路、封裝過程和同期封裝其他電路皆正常的情況，可以排除設(shè)備、引線、劈刀、人員及工藝檢測等存在問題的可能[5]。

將失效電路金錫蓋板開封后在顯微鏡下觀察。引腳測試短路電路內(nèi)部形貌如圖1所示；篩選考核試驗引線脫落電路內(nèi)部形貌如圖2所示。高放大倍數(shù)顯微鏡下觀察兩電路鍵合點及引線形貌均未見異常。

將上述兩款電路分別進行鍵合強度測試，測試得到的拉力值如表1、表2所示。

結(jié)合圖、表中的信息可以確認(rèn)，兩電路經(jīng)密封考核篩選后，其形貌及鍵合強度均滿足國軍標(biāo)中相關(guān)規(guī)定。

為進一步查找鍵合失效原因，將鍵合絲完全斷開，觀察芯片PAD及鍵合絲底面的形貌，結(jié)果在兩款電路中均發(fā)現(xiàn)了芯片PAD外圍環(huán)線表面鈍化層破損的現(xiàn)象，如圖3所示。同時，在引線脫落電路中發(fā)現(xiàn)鍵合絲底面由原本的圓柱形變成了平面形，如圖4所示。

從圖3和圖4可以觀察到明顯的電路缺陷，在芯片PAD外圍環(huán)線鈍化層受到了損傷，鍵合絲底面受損變扁平，須針對此異常現(xiàn)象挖掘背后的成因，以定位問題來源所在。

3原因分析及工藝優(yōu)化

超聲鍵合原理為：鍵合絲與芯片表面接觸，在劈刀的壓力和超聲振動的綜合作用下，與被鍵合材料形成冶金結(jié)合[6-7]。

由此可推斷出以下兩點結(jié)論：

1)在測試中出現(xiàn)的部分引腳短路，是因為芯片PAD外圍環(huán)線表面鈍化層在鍵合過程中受到鍵合絲的刮蹭，受損后鋁導(dǎo)線暴露在外面，鍵合絲將其與PAD搭接，兩者間形成電連接，導(dǎo)致測試短路；

2)鍵合絲由于與環(huán)線表面鈍化層摩擦，導(dǎo)致鍵合絲根部受損、變形或部分鍵合絲被剝離，強度下降，在后面的篩選考核試驗中，難以承受由恒加及沖擊振動帶來的強度沖擊，從而引起鍵合絲脫落。

至此，造成電路測試短路及鍵合絲脫落的根本原因可歸結(jié)為：在鍵合過程中鍵合絲與環(huán)線鈍化層刮蹭，造成了鈍化層的破損和引線的損傷。電路實際弧形如圖5所示，失效原因則如圖6所示。對此，可從兩個方面采取措施，一是控制鍵合絲的長度，二是調(diào)整鍵合參數(shù)及鍵合點位置[8]。

為了優(yōu)化弧形，在不同的鍵合點間距條件下對弧形狀態(tài)所產(chǎn)生的影響進行了試驗。鍵合點間距選取在1.1~2.0mm之間，以0.1mm的距離遞增。實驗中弧形狀態(tài)變化情況如表3所示。

通過分析可確定優(yōu)化措施。鑒于鍵合點間距是弧形狀態(tài)的重要影響因素，當(dāng)鍵合點間距過大，弧形易發(fā)生坍塌，故此對此間距進行優(yōu)化調(diào)整，并以AB559A鍵合機進行直徑32μmAl-Si絲鍵合為例，進行對比試驗，觀察優(yōu)化的效果。

通過對比試驗可以看出，當(dāng)鍵合點間距取在1.3~1.7mm時，弧形狀態(tài)良好，鍵合強度較高，引線可靠性較高。此時已不再出現(xiàn)短路現(xiàn)象，引線在后續(xù)篩選考核試驗中也沒有出現(xiàn)損傷情況，表現(xiàn)出良好的可靠性。

在實驗中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鍵合點間距超過1.8mm以后，引線坍塌逐步趨于明顯，接近鍵合點根部的引線仰角變小，趨于水平甚至下垂。在篩選考核的應(yīng)力試驗中，不同程度地造成了引線損傷。當(dāng)鍵合點與外圍金屬化區(qū)域的距離小于40μm時，則極易產(chǎn)生引線搭接，導(dǎo)致短路現(xiàn)象的發(fā)生。

4結(jié)束語

鍵合工藝的優(yōu)化需要基于鍵合設(shè)備的能力特點并符合鍵合工藝規(guī)則的芯片設(shè)計方案，以AB559A鍵合機為例，鍵合點間距在1.3～1.8mm時，引線弧形較好；當(dāng)鍵合點間距大于1.8mm時，線弧會發(fā)生輕微坍塌，可能直接引起短路或在后續(xù)應(yīng)力試驗中引發(fā)引線的損傷甚至斷線。因此，在芯片設(shè)計和封裝工藝方案的制定中，應(yīng)保證鍵合點與周圍金屬化區(qū)域的間距至少在40μm或PAD尺寸的50%以上，同時還要考慮芯片PAD與管殼鍵合指的距離大小。

審核編輯：湯梓紅