內(nèi)引線破壞性鍵合拉力試驗(yàn)失效類別及原因分析

袁亦靈，李曉紅，張麗巍

（1.重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400044； 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所，重慶 400060）

內(nèi)引線破壞性鍵合拉力試驗(yàn)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(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400044； 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所，重慶 400060）

通過對(duì)內(nèi)引線破壞性鍵合拉力試驗(yàn)中的第3、4種失效類別失效原因的案例分析，發(fā)現(xiàn)存在著工藝加工、原材料生產(chǎn)、篩選試驗(yàn)等方面的質(zhì)量問題，對(duì)產(chǎn)品是否合格作出最終的結(jié)果判定。

內(nèi)引線破壞性拉力試驗(yàn)；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(chǎn)中，經(jīng)常采用內(nèi)引線鍵合實(shí)現(xiàn)芯片與基板、芯片與管腳、基板與管腳的電氣連接。內(nèi)引線鍵合是集成電路生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序，對(duì)集成電路的生產(chǎn)合格率和長(zhǎng)期可靠性有很大地影響。

目前，在軍用集成電路的通用規(guī)范GJB 597B-2012《半導(dǎo)體集成電路通用規(guī)范》和GJB 2438A-2002《混合集成電路通用規(guī)范》中，內(nèi)引線的鍵合強(qiáng)度（破壞性鍵合拉力試驗(yàn)）（以下均簡(jiǎn)稱為破壞性鍵合拉力試驗(yàn)）為質(zhì)量一致性逐批檢驗(yàn)項(xiàng)目，其試驗(yàn)方法為GJB 548B-2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》方法2011，一般采用試驗(yàn)條件D。破壞性鍵合拉力試驗(yàn)是鍵合質(zhì)量的最有效的評(píng)價(jià)手段之一，其中對(duì)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(yàn)

1.1 破壞性鍵合拉力試驗(yàn)的工作原理

GJB 548B-2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》方法2011鍵合強(qiáng)度（破壞性鍵合拉力試驗(yàn)）中的試驗(yàn)條件D為雙鍵合點(diǎn)引線拉力。其工作原理為：固定試驗(yàn)樣品后，在被測(cè)試的引線下方插入一個(gè)鉤子，當(dāng)鉤子接觸到引線時(shí)，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(yàn)的失效判據(jù)

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

圖1 鍵合拉力試驗(yàn)的工作原理圖

1.3 破壞性鍵合拉力試驗(yàn)的試驗(yàn)記錄

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

2 內(nèi)引線鍵合強(qiáng)度（破壞性鍵合拉力試驗(yàn)）的失效類別

按GJB 548B-2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》方法2011第3.2.1條，對(duì)于內(nèi)引線鍵合，其失效類別有：①在頸縮點(diǎn)處（即由于鍵合工藝而使內(nèi)引線截面減小的位置）引線斷開；②在非頸縮點(diǎn)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(qū)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(qū)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(diǎn)處引線斷開。對(duì)于其中出現(xiàn)第③、④種失效類別，應(yīng)分析其失效原因，確定是否存在潛在的質(zhì)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(hào)T08，內(nèi)引線φ45 μm硅鋁絲，3只樣品共24根引線，試驗(yàn)樣品為篩選合格品。

2）鍵合拉力試驗(yàn)的試驗(yàn)記錄

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

3）失效原因分析

表1中，A失效類別引線數(shù)17根，D失效類別引線數(shù)7根。

對(duì)其中D失效類別的鍵合點(diǎn)進(jìn)行分析，其鍵合拉力試驗(yàn)失效在外引線鍵合區(qū)、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(shù)據(jù)

圖3 外引線鍵合區(qū)失效界面

圖4 鍵合絲端失效界面

通過對(duì)樣品封裝外引線鍵合區(qū)位置上的鍵合失效界面分析，并與外殼生產(chǎn)廠家進(jìn)行溝通，確定該失效類別是由于該批外殼生產(chǎn)中鍍金液使用時(shí)間過長(zhǎng)、鍍液內(nèi)的雜質(zhì)含量增加造成的。雜質(zhì)離含量達(dá)到一定程度，就會(huì)影響鍵合效果，特別是硅鋁絲的鍵合。當(dāng)鍍金層存在雜質(zhì)離子污染時(shí)，雜質(zhì)離子阻擋了金鋁之間正常擴(kuò)散。在雜質(zhì)離子集中到一定水平，就會(huì)發(fā)生離子沉淀現(xiàn)象。沉降的離子像空槽子一樣，吸收原子擴(kuò)散中產(chǎn)生的空缺，先形成微小的空洞，最終形成大的空洞（Kirkendall空洞），導(dǎo)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(hào)ST31，內(nèi)引線φ25 μm金絲，4只樣品共抽取15根引線進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品為篩選合格品。

2）鍵合拉力試驗(yàn)的試驗(yàn)記錄

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

3）失效原因分析

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

表2 樣品15根引線拉力值數(shù)據(jù)

圖5 芯片鍵合區(qū)失效界面

圖6 鍵合絲端失效界面

對(duì)其中C失效類別的鍵合點(diǎn)進(jìn)行分析，其鍵合拉力試驗(yàn)失效在芯片鍵合區(qū)、鍵合絲端界面的典型形貌分別如圖5、圖6所示。

通過對(duì)鍵合失效界面的分析，確定該樣品在篩選老煉結(jié)溫溫度過高（超過150 ℃），使鍵合界面產(chǎn)生了界面金屬間化合物（IMC），隨著老煉時(shí)間的增長(zhǎng)，鍵合點(diǎn)界面間金屬間化合物（IMC）的生成會(huì)伴隨Kirkendall空洞出現(xiàn)，隨著這種固相反應(yīng)的加劇，空洞會(huì)不斷集聚，從而導(dǎo)致樣品在鍵合拉力試驗(yàn)中出現(xiàn)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(zhuǎn)換器

1）樣品的情況

外殼型號(hào)LCC48，內(nèi)引線φ35 μm金絲，1只樣品共43根引線，試驗(yàn)樣品為篩選合格品。

表3 樣品43根引線拉力值數(shù)據(jù)

圖7 芯片鍵合區(qū)失效界面

2）鍵合拉力試驗(yàn)的試驗(yàn)記錄

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

3）失效原因分析

表3中， A失效類別引線數(shù)16根，C失效類別引線數(shù)27根。

對(duì)其中C失效類別的鍵合點(diǎn)進(jìn)行分析，其鍵合拉力試驗(yàn)失效在芯片鍵合區(qū)界面的典型形貌分別如圖7所示。

通過對(duì)樣品鍵合失效界面、樣品鍵合點(diǎn)原始形貌的觀察和分析、樣品的生產(chǎn)過程復(fù)查，確定該批次產(chǎn)品生產(chǎn)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(yīng)減小，金球與鋁膜之間的結(jié)合力不足，從而導(dǎo)致樣品在鍵合拉力試驗(yàn)中出現(xiàn)在引線和金屬化層之間的界面失效類別。

4 結(jié)果討論

在破壞性鍵合拉力試驗(yàn)中，第①種失效類別（在頸縮點(diǎn)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(huì)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(chǎn)的質(zhì)量問題。外殼的外引線鍵合區(qū)的鍍金層雜質(zhì)離子達(dá)到一定程度，會(huì)嚴(yán)重影響到硅鋁絲的鍵合質(zhì)量，鍵合界面經(jīng)過篩選的機(jī)械應(yīng)力或溫度應(yīng)力后，特別是高溫溫度應(yīng)力后，容易出現(xiàn)脫鍵的開路失效現(xiàn)象，在自然貯存中也會(huì)隨時(shí)間而退化，最終出現(xiàn)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(huì)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(dǎo)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(dǎo)致結(jié)合力不足。這種結(jié)構(gòu)在后續(xù)的機(jī)械應(yīng)力、溫度應(yīng)力等試驗(yàn)或長(zhǎng)時(shí)間貯存中易出現(xiàn)脫落開路失效。

5 結(jié)束語

在破壞性鍵合拉力試驗(yàn)中，僅依據(jù)拉力值判定批次產(chǎn)品合格與否是不夠的，還應(yīng)對(duì)其一些不常見的失效類別進(jìn)行進(jìn)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(xù)篩選試驗(yàn)應(yīng)力等是否存在潛在的質(zhì)量隱患，對(duì)批次產(chǎn)品最終是否合格接收作出適當(dāng)?shù)呐卸ā?/p>

[1] GJB 548B-2005,微電子器件試驗(yàn)方法和程序[S].

[2] 高偉東,等,鍍層質(zhì)量對(duì)金-鋁異質(zhì)鍵合可靠性的影響[J].電子工藝技術(shù), 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(dòng)態(tài)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(zhì)量管理與質(zhì)量控制[M].北京：國(guó)防工業(yè)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(xué), 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(jìn)入重慶大學(xué)光電工程學(xué)院學(xué)習(xí)，本科學(xué)生?，F(xiàn)主要進(jìn)行測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)方面的學(xué)習(xí)。