引线键合强度ＢＰＴ试验分析

[摘要]通过试验的方式从键合引线断裂模式的角度讨论增加引线键合强度所需注意的主要问题。四种键合引线断裂模式：焊点脱落，球颈断裂，焊线断裂和二焊点断裂。详诉了引起这些断裂的各种原因，得出提高引线拉力所需要注意的各方面因素，及如何调整这些参数或者选择工具得到最好的工程参数匹配。

[关键词]键合强度 BPT 引线断裂

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0920037－02

一、引言

引线键合工艺具有高可靠性，高品质，工艺成熟，操作简单，成本低廉等优点，目前广泛应用于微电子封装领域，在世界半导体元器件行业中，90％采用引线键合技术。引线键合的质量、可靠性直接决定了微器件、组件的性能和寿命。引线键合工艺可分为：热压焊、超声波焊和热声焊等3种工艺.其中热声焊集中了前两种焊接的特点因而在现代引线连接中占主流。

引线键合实质上还是金属键合。两种金属在摩擦力作用下发生了强烈的塑性流动，为纯净金属表面之间的接触创造了条件。而加热台和劈刀的温升以及高频振动，则又进一步造成了金属晶格上原子的受激活状态。因此，当有共价健性质的金属原子互相接近到以纳米计的距离时。就有可能通过公共电子形成了原子间的电子桥，金属“键合”完成。

二、热声焊接工艺

热声焊接原理：用负高压电火花(EFO)使金属丝端部熔成球形，在芯片焊盘上加热加压加超声，使接触面产生塑性变形并破坏界面的氧化膜，使其活性化，通过接触面两金属之间的扩散结合而完成球焊-第一焊点；然后焊头通过复杂的三维移动到达集成电路底座的外引线的内引出脚，再加热加压加超声完成楔焊-第二焊点。 热声焊接由于机械去膜更为充分，金属的扩散在整个界面上进行，首先在广泛的接触面上分散地形成了扩散地核心，然后首先在超声振动方向上形成合金层，并逐渐生长，最终合金层扩及整个接触面。

引线键合的稳定性将决定封装成品的好坏，所以获得优良的焊线品质就变得非常的重要，而引线键合除了焊丝成球外，焊线路径稳定性与焊线完之后的张力也是非常重要的。直接影响到后续的可靠性问题。本文通过试验分析引线键合拉力及断裂方式的各种影响因素，以提高引线键合强度。

三、试验数据和图表

本试验采用DBT-300 拉力计，引线为直径38umCu丝，随机采样200根引线拉力测试，测量了Cu线的焊接强度（在垂直于焊接表面方向上拉断引线或破坏焊接表面所需的最大拉力），数据分布见图1图2。

四、试验分析

（一）焊点脱落影响因素

引线质量、键合工艺参数、成球状态、焊盘质量均直接影响键合点质量。

1．引线质量和成球质量。微电子领域中使用的金属焊丝对其成分，延伸率，破断强度，电导率和热导率，热膨胀系数要求均较高。而铜丝相比Au丝具有许多优点，现在大部分电子封装中Cu丝已经取代Au丝成为使用面最广的键合丝。

铜丝的易氧化和较高的硬度系数却又给键合造成很大的麻烦。其一，成球要求严格的工艺环境要求，必须有纯净的惰性气体或NH混合气体氛围（如果气管位置设置不当，Cu丝仍然有氧化现象），氧化的Cu球(CuO比Cu硬度系数更高)是焊点低拉力，脱落的主要原因之一；其二，硬度大的球势必要求更大的焊接参数，但大的焊接参数会引起焊点脱落，焊盘质量的损坏及焊盘下基板的损伤；其三，与硬度大相应而来的柔韧性差在拉弧参数设置方面增加很大难度。铜丝生产厂家通常在工艺中通过再结晶的方式，使铜线的晶粒细化，从而降低其硬度系数。

2．键合工艺参数。键合工艺参数包括超声功率、压力、超声时间、加热温度。超声功率体现在焊头的宏观动作即焊头振动振幅。超声功率过小，氧化物去除不干净，会焊接不牢固；超声功率过大，焊点变形过大，焊接同样不牢固。键合压力（焊接压力），它指的是焊点处的垂直压力。焊接压力的大小直接影响到焊点的键合质量。如果压力太小，劈刀不能牢固地压住金丝，超声功率不能传递到金丝与镀金层或芯片金属层的交界面上，不能产生相对摩擦去除氧化层，以至焊接不牢固，同时会造成引线与键合工具端面粘连现象；而压力过大，会使引线的变形增大，甚至切断引线，破坏芯片焊盘。超声时间也是热声焊的重要条件，在一定的超声功率与压力的情况下，超声时间太短，焊点处的金丝与镀金层或芯片焊盘表面的吸附层和氧化层还没有被清除，或者还没有形成原子间的键合振动就停止了，这样会造成焊接不牢固的现象；超声时间太长，焊点变形大，焊接同样不牢固[1][2]。

对被焊接件、劈刀进行加热，对焊接具有双面影响。如果加热温度过高，会损坏对温度敏感的管芯，塑性形变使焊点变形过大，而且金属丝的晶粒会长大，对可靠性有影响；温度过低，不利于焊接表面的相互扩散，可能出现焊接不上的现象。Cu丝压焊对温度的要求比较明显，生产试验证明在230-250度之间焊线质量最好，低于此温度键合过程中断丝，NSOP等报警频率增加近5倍，而高于此温度则引线氧化程度直线上升，抗拉性能骤降。

焊球脱落还有一种特殊的情况，即焊盘被撕开或弹坑，这也是键合工艺参数设置不当的后果, 如果基板面积较大，可以用预键合压力的方法避免铝下基板的损伤，即在压焊功率施加之前先施加压力使引线球先产生塑性形变，在较大的接触面积基础上进行摩擦焊接。如果基板面积较小，则熔球必须控制在一定范围，不能使用以上方法，而用预超声能量的方式可以解决这一问题，即在两界面接触时以一较小功率使得铝焊盘表面氧化层破裂，后再加大超声功率达到焊接目的[3]。

3．焊盘质量。虽然半导体封装的洁净度要求较高，但是焊盘质量的污染仍然很难避免。焊盘形成工艺质量因素，工艺环境因素，焊盘形成后的表面污染和粘污等。如果只是浅层的粘污，焊接摩擦足以破坏这层污染而键合强度依然符合要求，但如果焊盘成形工艺中出现的问题，则出现焊点脱落的现象较多，这在大规模生产中较难被发现。

（二）球颈断裂影响因素

球颈断裂在键合可靠性问题上是一个比较常见而又很难避免的问题。从宏观上来说，球颈断裂的直接原因是对焊丝的过度操作引起，而从综合因素考虑，劈刀参数、打火参数、FAB的热影响区(HAZ)长度、拉弧技术等都会引起球颈处的损伤。

1．劈刀参数和打火参数。影响球颈断裂的劈刀参数主要为内部凹槽(凹槽直径CD和内凹槽角度ICA)：它的作用主要是在形成第一键合点前使焊球位于中央部位及将超声能量传递到焊球形成第一键合点并控制第一键合点地尺寸。焊球偏槽和焊点尺寸过大过小均对球颈的质量造成一定影响。

打火杆位置位置不当会引起熔球变形；打火电流设置过大，使熔球时产生温度过高，导致HAZ加长。

2．FAB的热影响区(HAZ)。热影响区是键合丝的重要性能，它决定成弧的高度和强度。在成球过程中，线的属性在接近球的位置即热影响区发生改变，HAZ的抗机械性能比焊丝本身差很多，这对线弧的形成和线弧的稳定性造成很大的影响，HAZ长度短的线弧颗粒结构细密，允许超低回路，而不会造成颈部损坏, HAZ长度较长则需要用高弧度来补偿由于HAZ受损的抗机械性能。

FAB的大小、EFO控制、线径的大小、焊丝导热性能、焊丝再结晶温度等都直接影响HAZ的长短。在相同的FAB情况下，用高的结晶温度可以减小HAZ的长度；FAB越小(对打火电流和打火杆间距的调整可以达到)，HAZ减小……HAZ减小能使球颈损伤的几率减小很多。

3．拉弧技术。如上图4，在第一焊粘点粘着完成后，在进入反向位移之前，整个焊线头垂直向上进行金线释放一段距离kink height(线颈高度)。此一高度提供焊针在进行反向位移时的一个安全高度以避免损伤到第一焊粘点上方的焊线。如果此高度设定太低，进行反向位移时反向拉动焊丝的作用力对本已受热损伤的球颈带来不可恢复的裂纹。

反向位移Reverse Motion 及反向位移角度Rmot Angle (Reverse Motion Angle) 是定义在进行反向位移时的向量角度以及移动的距离。此反向位移参数藉由整个线弧的支干部分, 提供了强化张力的作用以便支撑整个线弧不至塌陷。反向位移参数值的设定必须大于零才能对线弧的弧度成型有所帮助。

Kink height 与reverse motion的设定值必须控制在约1:1的比率，在低的线颈高度设定下，较大的反向移动将会造成严重的线颈受损。

（三）焊线断裂影响因素

一般来说，焊线正中(即BPT测试点)断裂的情况较少出现，此处断裂不可忽视的是BPT测试时操作失误问题，拉勾角度，拉勾表面粗糙度，拉勾位置等。排除此原因，单从力学的角度分析，随着拉力测试时左右两线弧形成角度的变化，BPT测试值也跟着改变。在线弧弧度较低的情况下，两线弧形成角度较大，BPT测得值也越大，随着弧高慢慢增加，BPT值达到最大值，此时，若弧高继续增大，则BPT值又开始减小。另外一焊点和二焊点的相对高度也对焊线断裂也起一定的影响。

（四）二焊点断裂影响因素

第二键合点是楔压键合点，影响此焊点质量的因素主要有：lead盘表面金属的厚度和质量(平整性,粗糙度及硬度)，劈刀尺寸，焊接工艺参数等。

1．劈刀参数。影响二焊点的劈刀参数主要是FA(Face angle)和OR(outer radius)，这两项参数互相影响。如果此两数值选择过小，则二焊点很容易在焊点转角处产生皱裂，影响引线键合强度。在焊线损伤角度来选择，一般都要求此两项参数均越大越好，但因考虑到键合工艺参数的传递问题，又要求FA和OR越小越好。

2．焊接工艺参数。优化键合点的焊接工艺设置前面已经讨论过，这里不再重复。而具有二焊点特色的就是键合点抬头处的微裂纹或孔洞，这是二焊点断裂的直接原因，它的产生与键合工艺参数直接相关：其一，键合时压力的作用,塑性变形过大导致的；其二，键合点界面已完成键合,但超声振动仍然加载在引线上，致使在引线的内部一定部位剪切应力过大，发生撕裂，造成键合点出现微裂纹或孔洞；其三，超声对金属组织的影响,在超声作用下，使金属内部缺陷(如点缺陷、位错等)急剧增加，形成孔洞或微裂纹源并扩展[4]。

五、总结

BPT试验说明，影响键合拉力主要有四种键合引线断裂模式：焊点脱落、球颈断裂、焊线断裂和二焊点断裂。引起焊点脱落的因素有引线质量、键合工艺参数、成球状态、焊盘质量；而引起球颈断裂的因素有劈刀参数、打火参数、FAB的热影响区(HAZ)长度、拉弧技术；焊线断裂主要与弧高和线弧位置相关；二焊点断裂与劈刀的选型及键合点工艺参数直接相关。

参考文献：

[1]周光平、梁召峰、张杨、卢义刚，超声参数对引线键合性能的影响.

[2]Yeau-Ren Jeng,Jeng-Haur Horng.A microcontact approach for ultrasonic wire bonding in microelectronic..Journal of Electronic Packaging,Transactions of the ASME,vol.123 October 2001.

[3]董永谦、王贵平，热声焊机在电子封装业中的应用乔海灵.

[4]计红军、李明雨、王春青，超声引线键合点形态及界面金属学特征.

作者简介：

王美荣，女，福建龙岩，深圳深爱半导体有限公司，大学本科，助理工程师，主要从事电子封装划片，粘片，引线键合工程技术方面的研究。

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