最近，小編收到一位半導(dǎo)體客戶的咨詢，想要對芯片封裝中銅絲鍵合可靠性及失效模式分析，該用什么設(shè)備？隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路封裝的高密度、高強(qiáng)度、低成本要求日益增長。在這一背景下，銅絲鍵合技術(shù)因其成本效益和優(yōu)異的物理性能，逐漸成為金絲鍵合的有力替代品。銅絲不僅價(jià)格低廉，而且具有更高的機(jī)械強(qiáng)度、更低的電阻率以及更慢的銅鋁金屬間化合物(IMC)生長速度，這些特性使得銅絲在高密度封裝中展現(xiàn)出獨(dú)te的優(yōu)勢。

然而，銅絲鍵合技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也面臨著一系列挑戰(zhàn)。銅絲易氧化、硬度高，這些特性在鍵合過程中可能導(dǎo)致芯片損傷、氧化層形成等問題，影響鍵合的質(zhì)量和可靠性。此外，銅絲在封裝后還可能受到塑封材料中鹵化物的腐蝕，進(jìn)一步增加了失效風(fēng)險(xiǎn)。因此，對銅絲鍵合的可靠性及失效模式進(jìn)行深入分析顯得尤為重要。

本文科準(zhǔn)測控小編旨在探討銅絲鍵合在芯片封裝中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析其可靠性和可能的失效模式。我們將從銅絲鍵合的基本工藝出發(fā)，探討其在實(shí)際應(yīng)用中的失效機(jī)理，包括外鍵合點(diǎn)氯腐蝕、金屬間化合物氯腐蝕、電偶腐蝕、鍵合彈坑、封裝缺陷等。通過對這些失效模式的分析，我們希望能夠?yàn)殂~絲鍵合技術(shù)的改進(jìn)和器件穩(wěn)定性的提升提供科學(xué)依據(jù)。

一、引線鍵合的基本形式

引線鍵合主要分為兩種形式：球形鍵合和楔形鍵合。這兩種技術(shù)都涉及三個(gè)基本步驟：在芯片上形成第一焊點(diǎn)、形成線弧、以及在引線框架或基板上形成第二焊點(diǎn)。它們的主要區(qū)別在于第一焊點(diǎn)的形成方式：球形鍵合在每次焊接開始時(shí)會形成一個(gè)焊球，然后將其焊接到焊盤上；而楔形鍵合則是直接將引線焊接到芯片焊盤上。

1、球形鍵合

在球形鍵合中，劈刀對金屬球施加壓力，促使引線金屬與芯片電極金屬發(fā)生塑性變形和原子擴(kuò)散，形成第一焊點(diǎn)。接著，劈刀移動到第二焊點(diǎn)位置，通過楔形鍵合和拉尾線的方式完成第二焊點(diǎn)。劈刀控制尾線長度，尾端斷裂后，劈刀上升形成新的焊球。球形鍵合工藝靈活，允許360°任意角度的第二焊點(diǎn)，如圖1所示。

2、楔形鍵合

楔形鍵合通過楔形劈刀傳遞熱能、壓力和超聲能量給金屬線，形成焊接。這種焊接過程中不形成焊球。在劈刀壓力和超聲作用下，金屬線與焊盤金屬接觸形成連接。楔形鍵合是單向焊接工藝，第二焊點(diǎn)需與第一焊點(diǎn)對齊。旋轉(zhuǎn)式楔形劈刀可適應(yīng)不同角度的焊線。楔形鍵合通常用于室溫下的鋁線超聲波鍵合，成本和溫度較低。由于焊點(diǎn)小，適合微波和大功率器件的封裝。

楔形鍵合是用楔形劈刀將熱、壓力、超聲傳給金屬線,在一定時(shí)間形成焊接,焊接過程中不出現(xiàn)焊球。在劈刀的壓力和超聲波能量的作用下,金屬線和焊盤金屬的純凈表面接觸并最終形成連接。楔形鍵合是一種單一方向焊接工藝(即第二焊點(diǎn)必須對準(zhǔn)第一焊點(diǎn)的方向)。傳統(tǒng)的楔形鍵合僅僅能在線的平行方向上形成焊點(diǎn),旋轉(zhuǎn)的楔形劈刀能使楔形鍵合機(jī)適合不同角

度的焊線,在完成引線操作后移動到第二焊點(diǎn)之前劈刀旋轉(zhuǎn)到程序規(guī)定的角度。常見楔形鍵合工藝是室溫下的鋁線超聲波鍵合,其成本和鍵合溫度較低。由于楔形鍵合形成的焊點(diǎn)小于

球形鍵合,特別適用于微波器件,尤其是大功率器件的封裝。

二、檢測原理

在芯片封裝中，使用推拉力測試機(jī)測試銅絲鍵合的可靠性，主要是通過施加拉力來評估鍵合點(diǎn)的強(qiáng)度。測試時(shí)，將引線固定并施加垂直拉力，通過測量拉力值來判斷鍵合質(zhì)量，從而分析失效模式。

三、可靠性測試

1、拉力測試

破壞性拉線測試是一種廣泛應(yīng)用于評估焊點(diǎn)強(qiáng)度的測試手段。這種方法通過測量引線在斷裂時(shí)所承受的拉力值，并分析其斷裂模式，來評定焊線的承載能力和焊點(diǎn)的牢固度。第一焊點(diǎn)與第二焊點(diǎn)的拉線測試值受到測試中幾何結(jié)構(gòu)配置的影響。如圖2所示，F為拉線的測試力，F和F，分別為施加在第一焊點(diǎn)和第二焊點(diǎn)上的力。

2、剪切力測試

剪切測試是一種用于評估焊點(diǎn)與焊盤之間粘結(jié)質(zhì)量的方法，它補(bǔ)充了拉力測試，共同用于評估球形焊點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度。在銅絲球焊中，第一焊點(diǎn)在受到剪切力時(shí)可能在不同位置發(fā)生斷裂。銅球焊點(diǎn)在剪切力作用下可能在銅球內(nèi)部、銅鋁連接面、鋁焊盤層、硅鋁界面或硅片內(nèi)部發(fā)生斷裂。具體失效位置主要受鍵合工藝、焊后處理等因素的影響。

銅絲球焊點(diǎn)除了可能在剪切力作用下發(fā)生斷裂外，還可能出現(xiàn)彈坑等較嚴(yán)重的失效形式。在剪切測試過程中，剪切工具對電介質(zhì)層的直接作用以及焊點(diǎn)界面的傳遞作用，使得剪切力直接作用于電介質(zhì)層，可能形成剪切型彈坑。此外，焊點(diǎn)內(nèi)部的殘余應(yīng)力也可能導(dǎo)致一些不可見的內(nèi)部傷害，在剪切測試時(shí)形成彈坑。這些內(nèi)部傷害可能在鍵合過程中就已經(jīng)形成，而在剪切測試時(shí)顯現(xiàn)出來，表現(xiàn)為彈坑等失效模式。

3、常用檢測設(shè)備

Beta S100 推拉力測試機(jī)

1）設(shè)備概述

推拉力測試機(jī)是微電子領(lǐng)域?qū)Ｓ玫膭討B(tài)測試設(shè)備，主要用于評估引線鍵合后的焊接強(qiáng)度、焊點(diǎn)與基板的粘接強(qiáng)度，并進(jìn)行失效分析。該設(shè)備能夠執(zhí)行晶片推力測試、金球推力測試和金線拉力測試等多種測試，配備高速力值采集系統(tǒng)以確保測試精確性。用戶可根據(jù)測試需求更換測試模塊，系統(tǒng)會自動調(diào)整量程，適應(yīng)不同產(chǎn)品的測試需求，并設(shè)有獨(dú)立安全高度和速度限制以保護(hù)測試探頭。推拉力測試機(jī)以其快速、精確和廣泛的適用性，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路封裝測試、LED封裝測試、光電器件封裝測試、PCBA電子組裝測試，以及汽車電子、航空航天和軍事等領(lǐng)域，也適用于電子分析和研究單位的失效分析，以及教育機(jī)構(gòu)的教學(xué)和研究活動。

2）設(shè)備特點(diǎn)

以上就是小編介紹的有關(guān)于芯片封裝中銅絲鍵合可靠性及失效模式分析的相關(guān)內(nèi)容了，希望可以給大家?guī)韼椭∪绻€想了解更多關(guān)于推拉力測試機(jī)怎么使用和校準(zhǔn)，推拉力測試儀操作規(guī)范，焊接強(qiáng)度測試儀使用方法和鍵合拉力測試儀等問題，歡迎您關(guān)注我們，也可以給我們私信和留言，【科準(zhǔn)測控】小編將持續(xù)為大家分享推拉力測試機(jī)在鋰電池電阻、晶圓、硅晶片、IC半導(dǎo)體、BGA元件焊點(diǎn)、ALMP封裝、微電子封裝、LED封裝、TO封裝等領(lǐng)域應(yīng)用中可能遇到的問題及解決方案。