金丝引线键合失效的主要因素分析

半导体的封装工业中引线键合是嘴重要的技术工艺之一，讲金属引线的两端与芯片分别和管脚用焊接的方法连接起来，从而形成电气的连接。进行键合的过程中，引线在压力、热能量和超声能量的同时作用下，通过接触焊盘金属产生原子间的的扩散用以达到键合的作用目的。

金丝引线键合有两种引线键合主要的方法，金丝楔形键合和金丝球键合。这两种不同的键合方式的基本工业都相差不多，主要包括的工艺步骤是：首先将第一焊点焊接在芯片的表面，两点之间形成一个线弧度，紧接着在基板或者引线的框架上形成另一个焊点。两种键合方式的区别在于金丝引线键合的第一个焊点未焊接时经过电子打火就可以形成一个焊球，这时金丝烧之后的形状是圆形的，本身有全方位的焊接功能。最后出现了两种更为灵活的键合方式，他们是垫球键合和压球键合这两种方法。

根据论文发表不完全的统计，半导体器件的失效一小部分都是芯片的相互连接所产生的，连接方式在半导体的封装中很重要。金丝引线键合的使用性能不稳定，带来的损失超过工业本身损失的N倍，为了降低引线键合导致的元器件失效，我们来对金色引线键合的失效模式进行研究，找出相应的解决措施，来提升封装工艺的质量和生产质量，同时降低半导体产品的生产成本。

金丝引线键合失效的主要因素分析

1、引线键合的工艺

引线键合有不同的生产工艺，以此来区别，主要的键合方式有热超声键合、热压键合和超声键合三种方式。超声键合是超声波经过Wedge的引导金属线让其紧贴在金属的焊盘上，转换器在这时会输入一些频率、一定的振幅与接触的平面超声波保持平行，此时的劈刀会顺着发生水平方向而产生弹性的振动。向下施加压力时劈刀就会在这样两种不相同的力推动的作用下引起引线与焊盘的金属表面进行迅速的摩擦，受到能量作用的引线形成塑性变形来完成金丝引线的焊接操作。

热键键合的方法是先将金属预热到308～408℃的碳化钨或者氧化铝之类的耐火金属材料做成空心圆形的劈刀，然后用氢焰或者电火花把金属线进行熔烧，采用熔融金属表面通过张力的效应把金属线的末端变成球形，键合头把金属头进行下压到150～240 ℃的金属焊盘中实行球形结合的一种方法。这样的键合方式原理就是采用大压力来完成焊盘和金线进行紧密连接，所以这种键合方式又叫热压球键合。

1.1 引线键合的工艺

将金丝经过线管和线夹穿入键合的球焊劈刀让其到达顶部，采用键合机的负电子高压进行打火穿透空气的阻隔产生电火花将线尾融化，表面张力这时起到了形成标准球形的作用，随着劈刀会自动搜索焊点，在合适的超声和压力的时间里把金球压在芯片或者电极上，这样第一个键合的点就完成了。之后劈刀进行拉弧线后运动，到第二个焊点焊盘的位置进行下压操作，球焊劈刀外壁对金线加大压力就形成了第二个焊点，然后把金线扯断，劈刀经过线夹到达线的尾部上升到打火的位置，第二次的打火成为球形就完成了循环的键合工艺流程。

1.2 金丝楔焊键合工艺流程

金丝楔焊的键合的工艺流程是将金线经过线管和线夹穿入键合机楔焊劈刀到达其顶部，随着劈刀下降到第一个键合点的位置，探测到劈刀和压焊面的键合机后超声波换能器就会启动，经过参数设定的压力、超声功率和超声波的发生时间因素来进行第一键合点的键合操作。完成第一键合点的键合后，抬起键合头把劈刀提升到键合线弧顶端对其进行拉弧操作。结束拉弧操作后，引线就会从劈刀中伸出来和压焊面进行接触。在劈刀继续向下运动时，键合的压力发出反馈信息，超声波换能器在反馈信息的作用下完成了第二个焊点。两个焊点完成后，线夹会进行关闭并同时将金丝作断裂操作，然后送线夹继续进行送线，劈刀移动到适当的高度，根据可以调整的送线长度和时间的间隙流出一定长度的尾丝，紧接着循环第二次键合操作。

2、金丝引线键合失效的主要原因

2.1 弹坑现象

超声键合工艺中的焊盘产生弹坑是一种常见的缺陷，它造成了焊盘金属层以下的半导体材料的变形，半导体材料层的破坏都集中在一个点上，是一个弹坑的形状，所以叫它弹坑现象。弹坑现象的发生会使元件的性能降低的同时引起电损伤，究其原因主要为以下几点：

（1）超声波的能力太高使SI晶格出现了错层。金丝键合是一种热超声键合的工艺，需要在键合的工艺流程中施加一定的超声波能量，如果超声波能量过大能量就会透过金属层对底层的SI晶格带来损伤，这样就会损伤电性能而让电器元件失去效果。

（2）键合压力太大使底层材料损伤。键合过程的压力是瞬间增加的，这样很短的时间里施加超高的压力可能会使金属层发生变形，垂直向下的压力会破坏底层材料，这样就形成了弹坑现象。

（3）线尾太短会使球焊的烧球太小，太小的金球会在键合时缩回到球焊的劈刀里，使劈刀代替了金球的下压作用，劈刀对底层材料造成了损坏。

（4）焊盘金属的厚度不够。金线的硬度和焊盘金属的硬度要适配，焊盘要控制好镀膜层的厚度，一般在低于0.6 μm厚度的焊盘进行键合的时候，金线和焊盘金属发生共同的塑形形变，太薄的焊盘满足不了键合的要求，这样会造成底层材料的损坏，造成弹坑现象。

2.2 键合点开裂和翘起

经常出现的金丝楔焊的第一点开裂原因是超声波过大或者键合的压力过大，瞬间将很大的压力施加在金丝上，金丝本身难以承受这样的压力，出现了烂点的现象。导致金属球焊的第二代翘起的主要因素是超声的能力太小又或者键合压力过小。脱落现象造成很大的损失，有三个根本原因：键合操作机械发生过渡疲劳的现象；温度循环导致的热疲劳；弯曲半径太小引发的断裂等。

2.3 键合尾丝不一致

每一次的键合过程中送线的尾丝保持一致的状态是最合适的，在实际的工艺中控制太难。尾丝如果太短，第一个键合点的力的分布范围就比较小会发生变形。而尾丝太长的情况就会使烧球过大，楔焊如果尾丝过长还会导致焊盘短路的情况。导致尾丝过长或过短的因素主要是引线表面清洁度不够；线夹的间隙不合理；送线的角度发生偏移；劈刀的老化等等。

2.4 引线根本变形或裂纹

发生变形和裂纹的主要原因是引线的键合的第一焊点疲劳弯曲，会导致器件的失效，这种失效的现象会导致键合点的脱落，造成很大的损失。

2.5 键合点脱键

自动引线键合的时，经常会出现半导体器件的失效的现象，当失效的情况发生采用常规的测试和筛选很难恢复，受到强烈的震动的情况才更容易显现出来，因此要究其原因，找到解决的办法。

3、改进方法

为了提高金丝引线键合在半导体中的实用性，就该对其方法进行改进和提升。改进的方法主要体现在：

3.1 弹坑现象的改善

控制超声波的能量和键合的压力参数，尾丝的长度，合理调整键合机械，避免弹坑现象的发生。

3.2 键合点开裂和翘起的改善

通过表面现象看本质，引起键合点开裂的原因是键合的能量和压力过大或者过小，可以对其参数进行调整，及时更换磨损的劈刀来进行改善。

3.3 键合尾丝不一致

键合尾丝不一致的原因是送线的路径不合适导致的，金丝引线的送线过程中会受到外力的影响，要及时清洗劈刀和送线的路径。