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1、引言

 

      半導(dǎo)體集成電路引線鍵合是集成電路封裝中一個非常重要的環(huán)節(jié)，引線鍵合的好壞直接影響到電路使用后的穩(wěn)定性和可靠性。隨著整機對電路可靠性要求的提高引線鍵合不再是簡單意義上的芯片與管殼鍵合點的連接，而是要通過這種連接，確保在承受高的機械沖擊時的抗擊能力。

 

2、引線鍵合失效的機理

 

      引線鍵合是芯片與外部鏈接體之間互接最常見和最有效的連接工藝。引線鍵合的失效會使相應(yīng)的引腳失去功能，從而使器件失效，是超大規(guī)模集成電路常見的失效形式。引線斷裂的常見方式一般分為三類：引線在鍵合點的非頸縮點處斷裂；引線在鍵合點的頸縮點處斷裂；脫鍵。

 

2.1引線在鍵合點的非頸縮點處斷裂

 

      引線中間斷裂不一定在早期失效中出現(xiàn)，因為它和內(nèi)引線存在損傷的程度和由損傷誘發(fā)的機理有關(guān)。鍵合絲的損傷使引線損傷部位面積變小，這將導(dǎo)致：電流密度加大，使損傷部位易被燒毀；抗機械應(yīng)力的能力降低，造成內(nèi)引線損傷處斷裂。產(chǎn)生損傷的原因，一是鍵合絲受到機械損傷，見圖 1；二是電流密度加大，個別部位被燒毀，見圖2。

 

圖1 鍵合絲上有明顯的機械損傷

 

圖2 電流密度加大導(dǎo)致個別部位被燒毀

 

 

 

2.2引線在鍵合點的頸部斷裂

 

      由鍵合力過大或引線受到機械外力損傷所致。此種引線損傷會降低鍵合強度，在試驗或使用中易造成鍵合失效，如圖3。

 

圖3 鍵合點頸部單側(cè)撕裂

 

2.3鍵合點脫落

 

      在自動引線鍵合技術(shù)中，半導(dǎo)體器件鍵合點脫落是最常見的失效模式，如圖4。這種失效模式用常規(guī)篩選和測試很難剔除，只有在強烈振動下才可能暴露出來，因此對半導(dǎo)體器件的可靠性危害極大。

 

圖4 鍵合點Al層脫落

 

3、影響內(nèi)引線鍵合可靠性的主要因素

 

3.1可能造成引線中間斷裂的因素 

 

      發(fā)生這種斷開方式的原因有兩種情況，一是引線存在缺陷，如引線上存在裂口、彎曲、割口、卷曲、刻痕和頸縮等，使得該處的機械強度降低，在鍵合拉力的作用下極易發(fā)生斷裂；二是鍵合工藝很好， 鍵合點和頸縮點處理得都很好，鍵合系統(tǒng)中機械強度最低的位點就落在了引線上。

 

3.2可能造成引線頸部斷裂的因素

 

      原因之一可能是材料間的接觸應(yīng)力不當(dāng)。應(yīng)力包括熱應(yīng)力、機械應(yīng)力和超聲應(yīng)力。鍵合應(yīng)力過小會造成鍵合不牢，但鍵合應(yīng)力過大同樣會影響鍵合點 的機械性能。應(yīng)力大不僅會造成鍵合點根部損傷，引起鍵合點根部斷裂失效，還會損傷鍵合點下方的芯 片材料，甚至出現(xiàn)裂縫。

 

      另外，鍵合工藝操作控制不嚴格，鍵合力過大或引線受力，也會導(dǎo)致引線頸部出現(xiàn)撕裂。 

 

 

 

3.3可能造成鍵合點脫鍵的因素 

 

原因之一：界面上絕緣層的形成 

 

      在芯片上鍵合區(qū)光刻膠或窗口鈍化膜未去除干凈，即可形成絕緣層。除此之外，管殼鍍金層質(zhì)量低劣，會造成表面的疏松、發(fā)紅、鼓泡、起皮等，也會 嚴重影響電學(xué)接觸的有效性。

 

      金屬間鍵合接觸時， 在有氧，氯、硫、水汽存在的環(huán)境下，金屬往往與這些氣體起反應(yīng)生成氧化物、 硫化物等絕緣夾層，或受氯的腐蝕，導(dǎo)致接觸電阻增加，這些都起著絕緣層的作用，使鍵合可靠性降低。 

 

原因之二：金屬化層缺陷 

 

      金屬化層缺陷主要有：芯片金屬化層過薄，使得鍵合時無緩沖作用；芯片金屬化層出現(xiàn)合金點，在鍵合處形成缺陷；芯片金屬化層粘附不牢，最易脫鍵。

 

原因之三：表面沾污

 

      在各個操作環(huán)節(jié)，芯片、管殼、劈刀、金絲、鑷子、鎢針等均可能引入污染；人體凈化不良，也會造成有機物沾污等；芯片、管殼等未及時處理干凈，殘留鍍金液，可造成鉀沾污及碳沾污等，而且此種沾污屬于批次性問題，可能會造成整批管殼報廢；引線鍵合點腐蝕也是一種表面沾污，會引起失效；金絲存放過久，不但硬度和延展率會發(fā)生變化，而且也易沾污，管殼的存放也存在類似的情況。

 

4、改善方法 

 

方法之一：

 

      彎曲引線時，為防止將過大應(yīng)力加在管座和引線之間，應(yīng)將彎曲點和管座間的引線用工具加以固定。彎曲時應(yīng)防止工具碰到管座，更不能用手拿著管座來彎折引線。

 

      在需要采用夾具進行大批生產(chǎn)時，必須使用專門的固定引線的夾具，而且要防止固定引線的夾具將應(yīng)力加到器件上。不要對引線進行反復(fù)彎曲，應(yīng)避免對扁平形狀的引線進行橫向彎折。

 

      在沿引線“ 軸向”施加過大應(yīng)力（拉力）時，會導(dǎo)致器件密封性遭到損壞，所以應(yīng)避免在此種情況下施加超過規(guī)定的應(yīng)力。除此還應(yīng)避免彎折夾具損傷引線鍍層。

 

方法之二：

 

      為預(yù)防金屬化層缺陷造成的鍵合失效，應(yīng)對芯片鍵合區(qū)進行粘附層強度評價。可抽取3只芯片，選擇合適的基板粘片，用鍵合絲將焊盤逐個鍵合起來，不足22根引線的加大抽樣數(shù)量。采用抽樣方案進行抗拉強度測試，以不出現(xiàn)焊盤脫落現(xiàn)象者為合格。

 

方法之三：

 

      為預(yù)防表面沾污，鍵合工具應(yīng)進行定期清洗并放置在氮氣柜中保存，操作人員嚴格按照凈化車間管理規(guī)定著裝及操作。對于可能存在的批次性原材料污染問題，應(yīng)進行充分的封裝質(zhì)量評估，合格后再予使用。