鋁線鍵合工藝中哪些可以節約成本（影響鋁線鍵合失效因素及失效分析）

2023-04-21 12:34:15

1 前言

隨著混合電路和功率半導體器件在軍事和商業上的廣泛應用，對器件鍵合系統的可靠性要求也更加苛刻。半導體功率器件和電子元器件產品的引線鍵合失效是半導體分離器件、混合集成電路等常見的失效模式。因此、迫切要求我們分析影響鍵合鋁線鍵合強度的因素，並且根據實際生產中遇到的問題進行失效分析。

2 影響粗鋁線鍵合失效的因素及失效分析

超聲波鍵合的原理是壓電陶瓷將超聲發生器產生的高頻正弦功率信號轉變成機械振動，振動經傳輸放大並匯聚後作用在鍵合界面上，在機械能和鍵合力的作用下，劈刀中的鋁線與界面發生摩擦，去除沾汙並且將界面氧化膜破碎，純淨的金屬表面原子在溫升及高頻振動下變為激活狀態，當共價鍵的金屬原子接近到納米級的距離時，就有可能通過共用電子形成原子間的電子橋。

鍵合界面材料行為分析：第一階段，超聲能量促使鋁線軟化變形。第二階段，超聲波通過鋁線傳到鍵合界面，這一波的形式是一種與脈衝方向垂直的對鍵合表面的周期性切入的行為。

2.1 鍵合區域表面有汙染或氧化

DBC 表面的汙染和破壞，如圖 1，焊錫鋪展到鍵合區域，鋁線無法鍵合，就算是能夠鍵合上，鍵合強度也很低。如圖 2，鍵合區域表面有油汙，鋁線無法鍵合，出現跳點。

2.2 鍵合參數設置不當引起的鍵合失效

2.2.1 超聲功率與鍵合壓力

鍵合功率影響劈刀水平方向震動的頻率和幅度，當鍵合壓力和鍵合時間一定時，功率越小，劈刀的振幅越小。為鍵合提供的能量也小，鍵合質量不夠好，如果功率過大，鋁線會損失，影響鍵合質量，功率也是一個逐漸增加的一個量。

理想的鍵合壓力應該使劈刀的橫向振動最大限度的傳遞到界面，當功率及鍵合時間一定時，壓力過小，鋁線與界面之間摩擦不夠，表面氧化層難以去除，並且塑性形變也不夠，焊接不牢，有時還會造成劈刀與鋁線的粘連，造成刀髒的快。如果壓力過大，鋁絲形變大，鋁線受損，造成鍵合質量不高，這裡特別要注意爬坡時間。

壓力的施加是一個逐漸增加的一個過程，隨著壓力的增加，鋁線與接觸面之間逐漸緊密，更多的氧化層被去除，隨著壓力繼續升高，能量能更好的在鋁線及接觸面見傳遞，鍵合質量上升，但當壓力超過最佳點時，過大的能量傳遞會造成鍵合點裂紋或者是抗疲勞程度降低。

超聲功率對鍵合質量和外觀影響最大，因為它對鍵合的變形起主導作用。過小的功率會導致過窄、未成形的鍵合或尾絲翹起；過大的功率導致根部斷裂、鍵合塌陷或焊盤破裂。研究發現超聲波的水平振動是導致焊盤破裂的最大原因。超聲功率和鍵合力是相互關聯的參數。增大超聲功率通常需要增大鍵合力使超聲能量通過鍵合工具更多的傳遞到鍵合點處，但過大的鍵合力會阻礙鍵合工具的運動，抑制超聲能量的傳導，導致汙染物和氧化物被推到了鍵合區域的中心，形成中心未鍵合區域。

圖 3 和圖 4 是由於鍵合參數 Power 和 Force 過大引起的鍵合不良。

2.2.2 鍵合時間

鍵合時間也是決定能量的一個重要參數，在功率和壓力一定的情況下，如果鍵合時間長，引起過分的摩擦，鍵合不牢，而且過多能量集中在鋁線上，造成鋁線本身受損；如果時間過短，提供的能量不夠，鍵合點當然就不夠牢固。

短的鍵合時間條件下主要鍵合失效形式為剝離和無粘連，主要是由於鍵合界面原子擴散不夠；大超聲功率長鍵合時間條件下的鍵合失效形式多為根切，表明鍵合界面原子擴散雖然足夠，但是長時間的超聲振動會導致粗鋁線產生疲勞斷裂，形成過鍵合。一般來說，鍵合時間越長，引線吸收的能量越多，鍵合點的直徑就越大，界面強度增加而頸部強度降低。但是過長的時間，會使鍵合點尺寸過大，超出焊盤邊界並且導致空洞生成概率增大，溫度升高會使頸部區域發生再結晶，導致頸部強度降低，增大了頸部斷裂的可能。

圖 5 是由於鍵合參數 Time 過長引起的鍵合不良。

綜上，目測法可以在顯微鏡下進行，觀察鍵合點是否完全鍵合、頸部是否斷裂、根部是否脫落。效果良好的鍵合點的形狀，W表示鍵合點寬度，L 表示鍵合點長度，D 表示線徑。一般情況下，1.2D≤W≤3.0D ，1.5D≤L≤5.0D ；否則，應該檢查鍵合功率是否合適。

在推力破壞性測試中，需要注意推刀的剪切高度。從推刀接觸到鍵合點時開始，鍵合點即發生形變，所受到的推力近似線性地增大；當形變達到最大時，推力也達到最大；隨後鍵合點被推動，推力迅速從最大值減小到零。

在拉力破壞性測試中，一般要求測試點在焊線的中點位置。需要注意的是，為避免因拉勾過細而導致引線割斷的發生，拉勾的直徑應設置為線徑的 3 倍以上。

2.3 鍵合線弧度、高度不合理導致鍵合失效及失效分析

端子上的鍵合線弧度不允許過低（如拉成直線），否則容易造成處於端子邊緣上的引線在溫循過程中端子對鍵合線產生類似切割行為，導致鍵合線斷裂。如圖 6 所示，鋁線弧度過低溫循過程中端子邊緣鋁線斷裂。

從圖 6 看出，端子上由於鍵合弧度過低導致了鋁線頸部斷裂，斷裂位於鍵合區域與非鍵合區域過渡部位，即鍵合劈刀後端與鋁絲接觸部位，而斷口正好與劈刀後端壓痕一致，這是由於端子的邊緣溫循過程中殘餘應力大，應力集中係數高，鍵合後還可能存在機械損傷，當熱應力使鋁絲受到豎直方向的拉應力時，此區域就發生剪切破壞，所以導致了鋁線頸部斷裂失效。

綜合上述分析，在可靠性測試中，封裝內部因為弧度設置不當過低，產生熱循環應力，鋁絲根部力學性能因為應力集中和微裂紋而嚴重惡化，在循環應力作用下，微裂紋迅速擴展，最後導致鋁絲斷裂失效。所以，在鍵合過程中，鍵合線弧度的設定要滿足鋁線距離鍵合面邊緣的高度至少要 2 倍線徑。

鍵合線高度控制，如圖 7 所示：距離晶片和 DBC 邊緣的高度至少滿足兩倍線徑，端子上線弧高度不得高於灌膠的最高位置。

2.4 鍵合空刀導致晶片鍵合失效及失效分析

鍵合過程中，如果空刀發生在 IGBT 或者 FRD 等晶片上，就會導致晶片擊穿損壞，整個模塊就報廢，所以儘量要避免空刀的出現，這樣就要分析產生空刀的原因。

失效原因 1：如圖 8，導向器破損嚴重時，劈刀與導向器凹槽距離變大，線頭易從劈刀口脫出，導致空刀。

失效原因 2：如圖 9，當鍵合點下有異物時，鍵合點非常不牢，在退刀將線拉斷過程中點會脫落，在脫落過程中焊點與扯斷方向不再平行，使線頭跑出劈刀槽，造成空刀。異物包含：助焊劑、錫膏、DBC 氧化物及其他不明異物。

失效原因 3：人為因素，在補線過程中，對前一根線的最後一個點進行 bond 後，忘記將線頭扯出，而下一根補線產品需重新打線時會造成空刀。另外，線尾過長，導致扯線距離變小，造成下一個點的空刀。

在補線過程中或者在選擇剩餘鍵合線的過程中，選中了已經鍵合的線，相當於在原有的鋁線上重新鍵合一根鋁線，這樣子上面的鋁線就會被完全切斷，這樣劈刀下面就不會有線頭，下一根線就會空刀，造成鍵合失效。

在切線時，切線位置的後方有鋁線，距離太近，切完線後沒有線頭，鍵合下一根線的時候就會空刀，造成失效。

失效原因 4：設備因素，切深不穩定，導致有的線被直接切斷，下一個鍵合線第一點便會空刀。刀頭旋轉過快，當旋轉角度過大時線頭易被甩出，使鍵合點歪斜甚至空刀，通過調節旋轉加速度可解決，但會降低生產速度，因此在編程中儘量避免旋轉角度過大的點出現，使其小於 180 是安全的。角度自動優化，機器會對角度進行優化，程序運行多次是正常的，可是會出現突然旋轉 360 的現象，也會導致空刀，此原因導致的空刀極少。

失效原因5：鍵合鋁線因素，鋁線即將使用完畢，線緊造成空刀。鋁線打結，線緊空刀。餵線器靈敏度降低，線緊空刀。

失效原因 6：程序原因，自動鍵合時 PR 尋找錯誤，錯誤的原因基本是找到了錫膏或助焊劑。另外，就是補線時 PR 尋找錯誤，因為原產品上已經有了鍵合線，尋找 PR 時會尋找錯誤，這種情況修改 PR 都可以解決。

2.5 劈刀清洗不乾淨導致晶片鍵合失效及失效分析

本公司通過分析一個型號為 1200V-600A 的 E 模塊的其中一顆晶片的門極短路失效。通過 SEM 與 EDS 等分析手段找出了失效原因：晶片失效是由於鍵合鋁線的一小部分穿透破壞了晶片表面的層間介質導致的門極短路失效。

SEM 中可以看到晶片表面有破損並且有異物。通過對這一異物的 EDS 成分分析可以得到，這一異物成分為 Al、Si、Mg 並且氧含量很高，而選取的完整的晶片表面EDS成分分析，只含有Al元素。這就可以說明，鍵合區域的晶片表面已經破壞，從成分和含量上推斷出這個異物為鍵合線的一小部分。

從上面的分析結果已經可以得出晶片鍵合失效的原因：劈刀清洗不乾淨，劈刀口有鍵合鋁線小部分的殘留或者是在長時間鍵合過程中粘連了一小部分鍵合鋁線，伴隨著超聲能量的振動最終脫落劃傷晶片，並且在劈刀 force 的作用下注射到晶片內部，導致了晶片的 ILD 的破損，最終導致了晶片失效門極短路失效。

改進措施：制定劈刀清洗規範，定期清洗劈刀，劈刀經過一段時間的使用後，底部容易粘上鋁，會影響鍵合的質量和產品良率。劈刀的清洗方法：將劈刀放在超聲波清洗機中，清洗槽內為 20%的氫氧化鈉溶液，浸泡時間 15 分鐘；用鑷子將劈刀取出放入去離子水（或清水）中清洗，再用氣槍吹乾；在顯微鏡下觀察刀口，確認劈刀已清洗乾淨 , 左邊圖片為髒的劈刀，右邊為乾淨的劈刀。若劈刀未清洗乾淨，則重複以上操作。

3 結論

本文根據大量的工作和經驗的積累，列舉了影響鍵合失效的因素，並根據這些失效的產品或樣品給出了失效分析，總結了經驗和積累了數據，並給出了相應的解決方法，只有不斷的優化鍵合過程，才能提升產品良率。

來源：半導體封裝工程師之家

作者：黃全全 王立 葛偉華