內引線破壞性鍵合拉力試驗失效類別及原因分析

袁亦靈，李曉紅，張麗巍

（1.重慶大學光電工程學院，重慶 400044； 2.中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

內引線破壞性鍵合拉力試驗失效類別及原因分析

袁亦靈1，李曉紅2，張麗巍2

（1.重慶大學光電工程學院，重慶 400044； 2.中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

通過對內引線破壞性鍵合拉力試驗中的第3、4種失效類別失效原因的案例分析，發現存在著工藝加工、原材料生產、篩選試驗等方面的質量問題，對產品是否合格作出最終的結果判定。

內引線破壞性拉力試驗；失效類別；失效原因分析

引言

集成電路制造流程的后工序生產中，經常采用內引線鍵合實現芯片與基板、芯片與管腳、基板與管腳的電氣連接。內引線鍵合是集成電路生產過程中的關鍵工序，對集成電路的生產合格率和長期可靠性有很大地影響。

目前，在軍用集成電路的通用規范GJB 597B-2012《半導體集成電路通用規范》和GJB 2438A-2002《混合集成電路通用規范》中，內引線的鍵合強度（破壞性鍵合拉力試驗）（以下均簡稱為破壞性鍵合拉力試驗）為質量一致性逐批檢驗項目，其試驗方法為GJB 548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》方法2011，一般采用試驗條件D。破壞性鍵合拉力試驗是鍵合質量的最有效的評價手段之一，其中對部分失效類別的失效原因分析非常必要。

1 破壞性鍵合拉力試驗

1.1 破壞性鍵合拉力試驗的工作原理

GJB 548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》方法2011鍵合強度（破壞性鍵合拉力試驗）中的試驗條件D為雙鍵合點引線拉力。其工作原理為：固定試驗樣品后，在被測試的引線下方插入一個鉤子，當鉤子接觸到引線時，開始施加拉力并逐漸增大直至引線斷裂。拉力方向與芯片或基板表面垂直，或與兩鍵合墊肩的直線大致垂直；鉤子位置約在引線中央部位。其工作原理圖如圖1所示。

1.2 破壞性鍵合拉力試驗的失效判據

一般情況下，破壞性鍵合拉力試驗的失效判據按GJB 548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》方法2011第3.2條，若外加應力小于圖2中所要求的最小鍵合強度，則為失效。

圖1 鍵合拉力試驗的工作原理圖

1.3 破壞性鍵合拉力試驗的試驗記錄

按GJB 548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》方法2011條件D要求，當出現失效時，記錄引起失效的力的大小和失效類別。

2 內引線鍵合強度（破壞性鍵合拉力試驗）的失效類別

按GJB 548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》方法2011第3.2.1條，對于內引線鍵合，其失效類別有：①在頸縮點處（即由于鍵合工藝而使內引線截面減小的位置）引線斷開；②在非頸縮點上引線斷開；③芯片上的鍵合（在引線和金屬化層之間的界面）失效；④在基板、封裝外引線鍵合區或非芯片位置上的鍵合（引線和金屬化層之間的界面）失效；⑤金屬化層從芯片上浮起；⑥金屬化層從基板或封裝外引線鍵合區上浮起；⑦芯片破裂；⑧基板破裂。

在這八種失效類別中，常見的失效類別有第①、③、④種，其中最多見是第①種——在頸縮點處引線斷開。對于其中出現第③、④種失效類別，應分析其失效原因，確定是否存在潛在的質量隱患。

3 案例

3.1 案例一 某放大器

1）樣品的情況

外殼型號T08，內引線φ45 μm硅鋁絲，3只樣品共24根引線，試驗樣品為篩選合格品。

2）鍵合拉力試驗的試驗記錄

篩選合格品φ45 μm硅鋁絲鍵合拉力合格判據≥0.040 N。3只樣品24根引線拉力值數據見表1所示。

3）失效原因分析

表1中，A失效類別引線數17根，D失效類別引線數7根。

對其中D失效類別的鍵合點進行分析，其鍵合拉力試驗失效在外引線鍵合區、鍵合絲端界面的典型形貌分別如圖3、圖4所示。

圖2 最小鍵合拉力極限值

表1 樣品24根引線拉力值數據

圖3 外引線鍵合區失效界面

圖4 鍵合絲端失效界面

通過對樣品封裝外引線鍵合區位置上的鍵合失效界面分析，并與外殼生產廠家進行溝通，確定該失效類別是由于該批外殼生產中鍍金液使用時間過長、鍍液內的雜質含量增加造成的。雜質離含量達到一定程度，就會影響鍵合效果，特別是硅鋁絲的鍵合。當鍍金層存在雜質離子污染時，雜質離子阻擋了金鋁之間正常擴散。在雜質離子集中到一定水平，就會發生離子沉淀現象。沉降的離子像空槽子一樣，吸收原子擴散中產生的空缺，先形成微小的空洞，最終形成大的空洞（Kirkendall空洞），導致鍵合界面分離。

3.2 案例二 某射頻器

1）樣品的情況

外殼型號ST31，內引線φ25 μm金絲，4只樣品共抽取15根引線進行試驗，試驗樣品為篩選合格品。

2）鍵合拉力試驗的試驗記錄

篩選合格品φ25 μm金絲鍵合拉力合格判據≥0.025 N。4只樣品15根引線拉力值數據見表2所示。

3）失效原因分析

表2中，A失效類別引線數10根，B失效類別引線數1根，C失效類別引線數4根。

表2 樣品15根引線拉力值數據

圖5 芯片鍵合區失效界面

圖6 鍵合絲端失效界面

對其中C失效類別的鍵合點進行分析，其鍵合拉力試驗失效在芯片鍵合區、鍵合絲端界面的典型形貌分別如圖5、圖6所示。

通過對鍵合失效界面的分析，確定該樣品在篩選老煉結溫溫度過高（超過150 ℃），使鍵合界面產生了界面金屬間化合物（IMC），隨著老煉時間的增長，鍵合點界面間金屬間化合物（IMC）的生成會伴隨Kirkendall空洞出現，隨著這種固相反應的加劇，空洞會不斷集聚，從而導致樣品在鍵合拉力試驗中出現在引線和金屬化層之間的界面）失效類別。

3.3 案例三 某A/D轉換器

1）樣品的情況

外殼型號LCC48，內引線φ35 μm金絲，1只樣品共43根引線，試驗樣品為篩選合格品。

表3 樣品43根引線拉力值數據

圖7 芯片鍵合區失效界面

2）鍵合拉力試驗的試驗記錄

篩選合格品φ35 μm金絲鍵合拉力合格判據≥0.030 N。1只樣品43根引線拉力值數據見表3所示。

3）失效原因分析

表3中， A失效類別引線數16根，C失效類別引線數27根。

對其中C失效類別的鍵合點進行分析，其鍵合拉力試驗失效在芯片鍵合區界面的典型形貌分別如圖7所示。

通過對樣品鍵合失效界面、樣品鍵合點原始形貌的觀察和分析、樣品的生產過程復查，確定該批次產品生產過程中所使用鍵合劈刀的CD（Cuter Diameter）尺寸較小，使鍵合金球形變相應減小，金球與鋁膜之間的結合力不足，從而導致樣品在鍵合拉力試驗中出現在引線和金屬化層之間的界面失效類別。

4 結果討論

在破壞性鍵合拉力試驗中，第①種失效類別（在頸縮點處引線斷開）是最常見的失效類別。在正常鍵合工藝加工中，頸縮處為鍵合絲的形變部位，是鍵合絲拉力最薄弱處。而其他的失效類別（如第③、④種）通常會反映出一些原材料、工藝或篩選中的問題。

案例一反映出樣品的外殼生產的質量問題。外殼的外引線鍵合區的鍍金層雜質離子達到一定程度，會嚴重影響到硅鋁絲的鍵合質量，鍵合界面經過篩選的機械應力或溫度應力后，特別是高溫溫度應力后，容易出現脫鍵的開路失效現象，在自然貯存中也會隨時間而退化，最終出現開路失效。

案例二反映出樣品的篩選老煉中的超溫問題。樣品金鋁鍵合界面形成形成的Kirkendall空洞，一方面會使金鋁界面的接觸電阻增大，另一方面空洞的不斷集聚，連在一起形成裂縫，最終導致器件開路失效。

案例三反映出樣品在工藝加工中使用不合理的劈刀的問題。鍵合劈刀CD（Cuter Diameter）尺寸小使成形的金球與鋁膜界面的接觸面積減小，導致結合力不足。這種結構在后續的機械應力、溫度應力等試驗或長時間貯存中易出現脫落開路失效。

5 結束語

在破壞性鍵合拉力試驗中，僅依據拉力值判定批次產品合格與否是不夠的，還應對其一些不常見的失效類別進行進一步的分析，特別是在拉力值偏小甚至臨界的情況下。分析其原材料、工藝加工、后續篩選試驗應力等是否存在潛在的質量隱患，對批次產品最終是否合格接收作出適當的判定。

[1] GJB 548B-2005,微電子器件試驗方法和程序[S].

[2] 高偉東,等,鍍層質量對金-鋁異質鍵合可靠性的影響[J].電子工藝技術, 2016,37(2): 94-95.

[3] 蘇杜煌,等,混合集成電路金鋁鍵合退化與控制動態研究[J].電子元件與材料, 2008,27(12): 5-7.

[4]羅輯,趙和義 主編. JY電子元器件質量管理與質量控制[M].北京：國防工業出版社, 2004.

[5]姚立真.電子元器件可靠性物理[M].西安：西安電子科技大學, 2003.

Failure Category and Failure Cause Analysis on Destructive Internal Bond Pull Test

YUAN Yi-ling1, LI Xiao-hong2, ZHANG Li-wei2
(1. College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044; 2. No.24 Research Institute of CETC, Chongqing 400060)

This paper analyzes the sample’s failure cause of the third and fourth kinds of failure categories in destructive internal bond pull test. Then it found that it has the quality problems in the technology process, raw material production, and screening test, etc. Finally, it makes the final judgment whether the product is qualified.

destructive internal bond pull test; failure category; failure cause analysis

TN306

A

1004-7204（2017）02-0059-05

袁亦靈（1995-），女，2014年進入重慶大學光電工程學院學習，本科學生。現主要進行測控技術與儀器專業方面的學習。