拉力測試過程中引線斷裂機理的研究

姚立華

（中國電子科技集團公司第55研究所，南京210016）

1 引言

微電子封裝內部芯片的輸入和輸出之間的互聯主要采用下列三項技術中的一項來完成：引線鍵合（WB）、載帶自動鍵合（TAB）和倒裝芯片（FC）。引線鍵合工藝由于其制造設備價格低，技術成熟，程序的靈活性大等原因，并且能夠滿足從消費類電子到大型電子產品、民用產品到軍用產品的各項需求，在實際應用中是最通用的芯片鍵合技術，如今全球超過96%的IC芯片都使用引線鍵合技術[1]。

當電子設備工作時，鍵合引線承受著機械應力和應變，這些應力和應變形成的主要原因是由于電子元件和電路板之間不同的熱膨脹系數造成的。如果系統溫度變化，鍵合點將承受溫度循環載荷，如果熱膨脹的差異導致應力超過屈服應力時，有可能發生塑性變形，鍵合點處就承受拉應力。另外，在某些環境下電子設備在使用過程中經常承受晃動，最顯著的例子就是航空應用，這就造成鍵合引線將承受很強的機械循環載荷。因此為了確保鍵合引線的可靠性，鍵合引線必須具備一定的力學性能，如一定的抗拉強度。因此引線鍵合的抗拉強度成為眾多封測廠判斷產品不失效的重要性能指標。

95%以上的半導體廠商均是通過推拉力測試儀來測試鍵合引線的抗拉強度，其工作原理如圖1，鉤針深入引線最高弧度的正下方，調節掛鉤的方向，使其與引線垂直，而后沿垂直方向向上拉伸鉤針，測試時鉤針與受試工件產生的力通過傳感器傳到主機內，再通過數據線傳輸到計算機內的軟件中，自動繪制成曲線和輸出所需數據。

為了更好地研究鍵合引線在拉力測試過程中的受力情況，本文通過大型有限元分析軟件Abaqus模擬金絲在測試過程中的應力變化，以期為工藝的評估提供有效的方法。

2 有限元模型的構建

以直徑25μm的金絲和直徑為60μm的鉤針作為有限元計算模型，鍵合引線作為模擬對象，其二維簡化模型如圖2所示。

金絲的鍵合點為CG型鍵合點，將鍵合點理想化為圖3所示，鍵合點的尺寸如表1所示。

2.1 金絲的物理性能

超聲熱壓楔焊后的鍵合引線無明顯的熱影響區，其主體材料可被視為各項同性、均勻的材料，材料的特性參數如表2所示。

2.2 拉伸載荷的加載

一般情況下，芯片、基片或底座相對于鍵合引線可視為剛體材料，因此將附著于芯片、基片或底座上的鍵合點視為綁定約束。此次任務重在考慮金絲的受力情況，因此忽略鉤針的彈性形變，忽略鉤針與金絲之間的摩擦，將鉤針定義為解析剛體。鉤針以30 μm/s的速度向上施加拉力載荷（如圖4所示）。

2.3 網格劃分和時間步長

鍵合引線應力與應變隨著鉤針的測試急劇變化，引線鍵合點的腕部受力變化梯度較大，因此腕部網格劃分較為精細。Abaqus模擬選用CPS4I非協調模式單元，鍵合點腕部的網格劃分如圖5所示，最小時間步長控制在0.018s，計算結果相對比較精確。

3 模擬結果與分析

3.1 應力分布特征

為考察在整個拉力測試過程中引線模型的應力-應變情況，圖6繪出了0.1s、1s、1.2s、1.72s四個時刻的金絲各點應力變化歷程。從圖6中可以看出，隨著鉤針的移動，最大應力迅速集中到金絲頂面和右鍵合點（較高平面上的鍵合點）的根部與基底結合的界面處。

圖7為左右鍵合點分別在0.1s、1s、1.2s、1.72s的應力變化歷程，從圖中可以看出兩邊鍵合點應力變化歷程是不同的。左鍵合點（較低平面上的鍵合點）最初應力較大的區域集中在腕部，當鉤針移動到1.72s時，應力較大的區域由節點3120（左鍵合點腕部）轉移至節點3153（左鍵合點根部），即當鉤針上移至50 μ m后根部所受應力開始超過腕部的應力。右鍵合點（較高平面上的鍵合點）的應力較大的區域始終集中在根部與基底結合的界面處（節點273），說明在整個拉力測試過程中右鍵合點的金絲根部都處于剝離趨勢。

圖8為節點3120、節點3153、節點296、節點273、節點2209的應力-時間變化對比曲線圖，從中可以看出模型最大Von mises等效應力始終處于模型右鍵合點的根部與基底結合的界面處，即節點273處。當時間到1.342s時節點273的最大應力已達到399.3MPa，大于實測金絲樣片的最大斷裂強度390MPa，所以判斷出金絲從該位置開始被拉斷和破壞。

從圖8中可以看出節點273、2209的應力變化幅值最大，說明在進行拉力測試過程中，鍵合金絲最有可能從這兩個位置開始斷裂，即從較高平面的鍵合點的根部或鍵合金絲頂部開始斷裂。引線鍵合過程中，超聲振動以及壓力的作用不可避免地使鍵合點處產生塑性應變[2]，鍵合點斷裂強度遠低于金線的斷裂極限，節點273在進行拉力測試過程中最先達到斷裂極限，隨著時間的推移，裂紋擴展，鍵合金絲會沿節點273處剝離斷裂。

3.2 拉力測試試驗

試驗中樣品選擇的是銅鍍Ni-Au，鍵合引線用的是Heraeus直徑為25 μm的金線，鍵合工藝參數完全相同。引線抗拉強度的試驗結果都大于60mN，均超過了GJB548-2000標準規定值2倍，引線的斷裂位置全部處于較高鍵合點位置（如圖9所示），從試驗結果看在進行拉力測試過程中左右鍵合點所受的應力是不同的。

從引線斷裂后的形態看引線并不是從引腳根部垂直向上斷裂，而是處于產生塑性變形的鍵合點1/3～1/2處（如圖10所示），說明最初測試拉力超過了鍵合引線與金屬化層接觸面之間的結合力，鍵合引線與金屬化層開始剝離，當拉力逐漸超過了金絲的斷裂強度后裂紋開始從鍵合引線與金屬化層之間的結合面向上延伸直至斷裂。

從試驗結果中可以看出節點在拉伸過程中的應力最大區域與試樣實際拉伸斷裂位置一致，從而說明計算機模擬結果與試驗結果相吻合。

4 結束語

運用有限元方法以及計算機軟件，通過對拉伸過程中鍵合引線各節點受力情況的分析和計算，可以方便快捷地評價和預測引線的承載能力，為工程應用提供理論參考，同時可以節省人力及資源。

［1］Grant E L.Catching up to Flip Chip Technology, Connections Magazine [J]. 2001, 1：36.

［2］何倫文，潘少輝，汪禮康，等.功率MOSFET無鉛化封裝中鋁線引腳跟斷裂研究[J].電子與封裝，2006，6（11）：19-22.

［3］謝勁松，鐘家騏，楊邦朝，等.CSP鍵合金絲熱應力分析[J].可靠性物理與失效分析技術，2005，5（10）：68-71.

［4］Shankara K Prasad. Advanced Wirebond Interconnection technology [M].2004, 428-508.