外殼引線柱設計對鍵合可靠性影響研究

胡長清，趙鶴然，康 敏，曹麗華

（1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032；2.中國科學院沈陽金屬研究所，沈陽110016）

1 引 言

在大功率電路封裝過程中，一般采用直徑100μm 以上粗鋁絲作為引線鍵合材料，以保證電路工作時能夠承載足夠大的電流。粗鋁絲鍵合通常具有較高的可靠性，但是如果工藝設計不當或者設備參數調試手段不成熟也會引發很多失效現象。常見的粗鋁絲鍵合失效模式有鍵合脫鍵、芯片鋁焊盤損傷、鍵合點形貌不合格及鍵合點根部受損、鍵合強度低等等[1-2]。

其中鍵合脫鍵多是由工藝問題引起的。鍵合質量主要由工藝成熟度和工藝參數決定；同時，鍵合質量也跟其他設備、人員、原材料等因素有關。除此之外，可肯達爾效應（Kirkendall effect）容易引發金鋁界面原子不對稱擴散，也可導致焊接空洞的生成和生長，引發鍵合脫鍵。

2 失效原因排查

選取由中電四十七所自主設計的某款點火電路，內部具有芯片、電阻、電容近100 個，芯片與陶瓷基板通過金絲互連，陶瓷基板與外圍引線柱采用100μm 粗鋁絲鍵合。樣品在試制階段，發現鍵合引線強度偏低，在考核試驗后，經常出現脫鍵現象，如圖1所示。

圖1 溫度循環后發生脫鍵的鍵合點形貌

針對上述問題，展開專項分析，查找粗鋁絲鍵合脫鍵的原因，從設備、設計、工藝、原材料和人員等方面列出可能誘發鍵合脫鍵的各種因素，如圖2所示。

圖2 導致粗鋁絲鍵合脫鍵的因素

設備方面，所選用的粗鋁絲鍵合機為進口設備，一直運行穩定，參數正常，用其他電路做鍵合試驗未發現異常，故可排除設備因素；

工藝方面，粗鋁絲鍵合工藝為該產線的成熟工藝，已采用該工藝完成多款電路的鍵合，未曾出現過問題，可將此因素排除；

原材料方面，鍵合絲來源穩定可靠，均經過入所檢驗并檢驗合格；

人員方面，操作員均持證上崗，并嚴格遵守操作規程，也可將此因素排除。

綜上，從人、機、料、法、環等各個方面開展分析，認為設計上存在缺陷的可能性較大。故此進一步對脫鍵樣品進行解剖和界面分析，以確定引發鍵合脫鍵的根本原因。

3 基于可肯達爾效應的失效分析

柯肯達爾效應是一種引起鍵合脫鍵的典型失效機理。金鋁鍵合在高溫下由于Au-Al 原子不對稱擴散，容易在界面上產生微小空洞，隨著使用時間的推移，空洞逐漸生長并相互連接，界面結合力不斷減弱，直至完全分離。在300℃以上連續老化時，Au 迅速向Al 中擴散生長。

針對發生失效的電路進行樣品制備，如圖3所示，將1 號樣品沿縱虛線切開后，對兩部分分別進行樹脂封樣，再沿橫向箭頭方向研磨拋光至鍵合點所在平面。樣品制備后鍵合點剖面如圖4所示。

圖3 待分析樣品的制備

圖4 待分析樣品鍵合點剖面

對制備好的樣品進行電鏡掃描，結果如圖5所示。可觀察到鍵合界面存在焊接不連續狀態。圖中A區域為鍵合點與焊盤之間存在的微裂紋，并且微裂紋沿著結合界面向上生長，延伸到了粗鋁絲內部約20μm 處。B 區域為鍵合點與焊盤之間存在的較大空洞，空洞高度約10～25μm。在粗鋁絲一側的剖面上，局部區域可以看到與焊盤上鍍金層摩擦后金層殘留的痕跡，有些區域發生摩擦的痕跡并不明顯，EDS 顯示無金屬間化合物產生，說明鋁絲與金屬焊盤未形成焊接界面，初始焊接狀態差[3-4]。

圖5 鍵合剖面掃描電鏡觀測結果

如圖6所示，為可觀察到的另一種典型的失效情況，鍵合破壞發生在金-金之間和金-鋁之間，金-鋁鍵合界面可觀察到缺陷和空洞，同時金層分裂。導致這種情況可能是由于鍵合應力過大，損壞了金屬焊盤表面的金鍍層，使鋁絲和金屬焊盤之間沒有形成有效的結合[5-6]。

圖6 典型位置2 及界面狀態

上述兩種情況，說明初始鍵合強度不足，鍵合完成后焊點即存在斷層和裂紋。而典型的金鋁效應需要經過較長時間的演化，在金絲和鋁焊盤之間形成金屬間不對稱的擴散，這說明導致鍵合可靠性差的原因并不是柯肯達爾效應，而是初始結合狀態差。

4 基于外殼設計的失效分析

所采用的管殼引腳情況如圖7所示。引腳直徑d ＝0.6mm，鍵合引腳凸臺高度h=0.9mm，不符合國軍標外殼加工規范的要求。如鍵合引腳凸臺高度過高，易發生形變，在進行鍵合時引腳會發生彎曲，導致鍵合壓力和超聲功率不能良好加載，從而發生鍵合失效。特別是粗鋁絲鍵合，所需鍵合壓力很大，從而使引線更容易彎曲。

圖7 鍵合引腳設計示意圖

在定位問題后，將鍵合引腳凸臺高度修改到0.7mm，按 GJB 548B-2005 方法 1010.1 條件 C（-65℃～150℃）進行溫度循環后，對比鍵合強度的變化，結果如圖8所示。拉力測試后鍵合點斷裂位置如表1所示。

圖8 新舊外殼鍵合拉力對比試驗結果

表1 新舊外殼各斷裂位置所占百分比

在對比試驗中，舊的外殼鍵合后強度不高，且隨著溫度循環次數的增加，鍵合強度衰減很大，在60循環后全部脫鍵，脫鍵位置均在外殼端；新的外殼初始鍵合強度高于舊的外殼，且鍵合強度隨溫度循環次數增加而衰減幅度相對較小，60 次溫度循環后仍無脫鍵現象[7-8]。通過對比可見新外殼鍵合性能更好。以新外殼組裝了2 個批次各200 只電路，沒有再出現鍵合可靠性問題。由此可見外殼設計缺陷對鍵合質量和可靠性確實能夠產生很大的影響。

同時還可以觀察到隨著溫度循環次數的增加，在鍵合拉力測試后斷裂位置的變化趨勢：從鍵合點根部斷裂逐步向引線中間斷裂轉變[9-10]。

綜上可以確定，導致該電路鍵合強度不足的原因是外殼設計不當，鍵合工藝與外殼鍵合引線柱設計不匹配，引線柱未能承受粗鋁絲鍵合中過大的壓力，導致難以形成有效的焊接。針對這一情況，更改外殼設計后，增加了引線柱的直徑，焊接強度得到了明顯的改善。

5 結束語

通過對可能引發鍵合脫落的主要失效機理進行分析，研究了脫鍵發生界面的形貌和成分，排除了可肯達爾效應引發脫鍵的可能性。研究了外殼設計對鍵合可靠性的影響，發現對于直徑較大的粗鋁絲，外殼引線柱的設計尤為重要，過高的引線柱難以支撐超聲鍵合的能量，引線柱容易發生彎區和變形，使鍵合不能有效完成。