摘 要： 半導(dǎo)體的性能和可靠性與器件的封裝形式密切相關(guān)，而引線鍵合工藝無疑是其中重要且容易出現(xiàn)失效的一環(huán)，其失效大約占總失效的1/3。因此，對引線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鍵合工藝，包括引線鍵合的多種工藝方法、引線鍵合的技術(shù)原理與特點、引線鍵合的打線方式、引線鍵合的實際應(yīng)用以及引線鍵合常見的失效形式等。本文對引線鍵合的綜合性論述工作對器件封裝的設(shè)計和制造有著重要的啟引作用。

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 引線鍵合常見的失效形式

在器件封裝流程中，引線鍵合是一項十分關(guān)鍵的工藝步驟，引線的潔凈度、鍵合的穩(wěn)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(yīng)分析其失效因素，從而對工藝流程進(jìn)行調(diào)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，往往會有許多失效情況出現(xiàn)，常見的有外觀問題、焊線拉力失效、焊點推力失效、焊盤清潔度程度不足、焊盤出現(xiàn)彈坑等等。

5.1.1 工藝失效

以金線球焊為例，其外觀檢測主要是燒球外觀、拉線外觀。其中燒球失效包括燒球尺寸、形狀、穩(wěn)定性、滑球等等；拉線失效包括金線殘留不符要求、弧度不良、各個節(jié)點（一般是A、D、E點）不良等等。

焊線拉力與焊點推力是焊線質(zhì)量評判的一個重要指標(biāo)，其很好地反映引線的應(yīng)力與焊點的牢固性，只有達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)才能保證器件的可靠性。如圖18所示，其在焊線的時候就會自動對引線進(jìn)行一次拉力測試，焊線條數(shù)對應(yīng)檢驗次數(shù)（15mil會施加250g的拉力，20mil會施加300g的拉力）。可以看到，相比于拉力標(biāo)準(zhǔn)，這個拉力是偏小的，因為這一步驟是為了檢驗焊點是否存在虛焊的現(xiàn)象，不僅大大提高了檢驗的效率，也降低了器件的不合格率。

焊線結(jié)束后，會使用專門的鉤針與推針進(jìn)行測試，機器會記錄焊線斷開與焊點移動的力量數(shù)據(jù)，從而與標(biāo)準(zhǔn)比較，判定產(chǎn)品是否符合推拉力要求。鉤針一般在線弧最高點進(jìn)行鉤線，斷點不同原因不同；而推針一般高于電極5μm。

圖18 器件推拉力結(jié)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 焊盤清潔度

焊盤清潔度在焊線工藝也是造成失效的一個因素，焊點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上。鹵化物、清洗殘留、鍍層污染等都是造成焊盤污染的重要因素。

5.1.3 彈坑

彈坑是鍵合失效中常見的問題，其經(jīng)常發(fā)生在高強度加壓加能量的超聲焊接。彈坑是指焊盤金屬化層或其下方的半導(dǎo)體材料層的機械損壞，如圖19（a）所示。這種損壞，有時可見為凹痕或裂紋，或更常見的是對材料結(jié)構(gòu)看不見的損壞，會降低半導(dǎo)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(xiàn)象往往有兩個因素：引線硬度較大以及鍵合參數(shù)不匹配芯片材料脆性。

以銅線為例，燒球時銅線極易氧化，由于其氧化物硬度較大，往往在鍵合中會對焊盤造成損傷，因此在銅線鍵合時需要氣體進(jìn)行保護(hù)；引線與焊盤的鍵合參數(shù)是否匹配也對彈坑有著相應(yīng)的影響，因此設(shè)備參數(shù)也需要慢慢調(diào)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硬接觸焊盤形成彈坑。圖19（b）是器件對鋁線腐蝕后的效果圖，圖19（c）是其在顯微鏡下的彈坑觀察圖，可以看到其表面僅僅只有鋁線鍵合時留下楔形痕跡，并沒有明顯的彈坑痕跡。

圖19 （a）彈坑、（b）器件去鋁線示意圖、（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，難免會出現(xiàn)老化失效的可靠性問題，因此我們在整個封裝流程結(jié)束后，需要對器件進(jìn)行可靠性測試與相應(yīng)的失效分析，其主要失效模式包括引線與焊盤表面金屬間化合物的擴散、焊線疲憊勞損、焊點失效（剝離、腐蝕等等）等等。

5.2.1 金屬間化合物的擴散

在引線與芯片焊盤鍵合的過程中，引線與表面鋁墊存在金屬擴散的情況，當(dāng)兩種不同擴散速率的金屬相互接觸并施加壓力時，會出現(xiàn)柯肯達(dá)爾效應(yīng)，雖然固體中擴散速度很慢，但隨著時間推移，難免會產(chǎn)生可靠性問題。以鍵合金線為例，當(dāng)金線鍵合在芯片電極鋁墊上，經(jīng)過長期環(huán)境因素影響，會形成緊密結(jié)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 焊線疲勞

器件投入應(yīng)用后，其引線焊點處經(jīng)常出現(xiàn)細(xì)微缺陷，在受到溫度變化或其他環(huán)境因素影響下引線會發(fā)生形變，而缺陷也會隨之?dāng)U大。引線的拉伸彎曲會影響焊點處應(yīng)力的變化，最終出現(xiàn)焊線疲勞，更嚴(yán)重的是，隨著環(huán)境溫度的變化，這種失效會經(jīng)常出現(xiàn)。經(jīng)驗證，當(dāng)引線弧高超過兩個焊點間距的四分之一時，線弧會出現(xiàn)塌陷的問題。

5.2.3 鍵合焊點失效

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

6 結(jié)論

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

(1) 引線鍵合常見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(hù)芯片，是目前主流的引線鍵合方法。

(2) 根據(jù)焊點的形狀，引線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焊接，楔形鍵合適用于鋁線焊接以及鍵合引線的特點。

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

(4) 引線鍵合常見的失效形式主要有：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、焊線疲勞與焊點失效。 

（完結(jié)） 

參考文獻(xiàn)

[1] CSIA.國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新時期促進(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金線鍵合工藝的質(zhì)量控制[J].電子質(zhì)量,2010(03):44-45+48.

[4] 楊陽.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.集成電路銅引線鍵合強度試驗方法標(biāo)準(zhǔn)研究[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2020(11):56-60+66.

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

[7] 賀玲,劉洪濤.引線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.鍵合引線懸空的引線鍵合工藝研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2016,45(08):5-8.

[13] 丁康偉. 半導(dǎo)體金線鍵合可靠性研究[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(fù)雜的引線鍵合互聯(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(xì)引線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.引線鍵合工藝介紹及質(zhì)量檢驗[J].電子工業(yè)專用設(shè)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新型引線鍵合設(shè)計與實現(xiàn)[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(tǒng)中IGBT模塊封裝的研究[D].成都：西南交通大學(xué),2017.