最近，小編收到一位半導體客戶的咨詢，想要對芯片封裝中銅絲鍵合可靠性及失效模式分析，該用什么設備？隨著半導體技術的飛速發(fā)展，集成電路封裝的高密度、高強度、低成本要求日益增長。在這一背景下，銅絲鍵合技術因其成本效益和優(yōu)異的物理性能，逐漸成為金絲鍵合的有力替代品。銅絲不僅價格低廉，而且具有更高的機械強度、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出獨te的優(yōu)勢。

然而，銅絲鍵合技術在實際應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致芯片損傷、氧化層形成等問題，影響鍵合的質量和可靠性。此外，銅絲在封裝后還可能受到塑封材料中鹵化物的腐蝕，進一步增加了失效風險。因此，對銅絲鍵合的可靠性及失效模式進行深入分析顯得尤為重要。

本文科準測控小編旨在探討銅絲鍵合在芯片封裝中的應用現狀，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)，探討其在實際應用中的失效機理，包括外鍵合點氯腐蝕、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，我們希望能夠為銅絲鍵合技術的改進和器件穩(wěn)定性的提升提供科學依據。

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。這兩種技術都涉及三個基本步驟：在芯片上形成第一焊點、形成線弧、以及在引線框架或基板上形成第二焊點。它們的主要區(qū)別在于第一焊點的形成方式：球形鍵合在每次焊接開始時會形成一個焊球，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散，形成第一焊點。接著，劈刀移動到第二焊點位置，通過楔形鍵合和拉尾線的方式完成第二焊點。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，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，第二焊點需與第一焊點對齊。旋轉式楔形劈刀可適應不同角度的焊線。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,在一定時間形成焊接,焊接過程中不出現焊球。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(即第二焊點必須對準第一焊點的方向)。傳統(tǒng)的楔形鍵合僅僅能在線的平行方向上形成焊點,旋轉的楔形劈刀能使楔形鍵合機適合不同角

度的焊線,在完成引線操作后移動到第二焊點之前劈刀旋轉到程序規(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的強度。測試時，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用于評估焊點強度的測試手段。這種方法通過測量引線在斷裂時所承受的拉力值，并分析其斷裂模式，來評定焊線的承載能力和焊點的牢固度。第一焊點與第二焊點的拉線測試值受到測試中幾何結構配置的影響。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和第二焊點上的力。

2、剪切力測試

剪切測試是一種用于評估焊點與焊盤之間粘結質量的方法，它補充了拉力測試，共同用于評估球形焊點的結合強度。在銅絲球焊中，第一焊點在受到剪切力時可能在不同位置發(fā)生斷裂。銅球焊點在剪切力作用下可能在銅球內部、銅鋁連接面、鋁焊盤層、硅鋁界面或硅片內部發(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。

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

3、常用檢測設備

Beta S100 推拉力測試機

1）設備概述

推拉力測試機是微電子領域專用的動態(tài)測試設備，主要用于評估引線鍵合后的焊接強度、焊點與基板的粘接強度，并進行失效分析。該設備能夠執(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。用戶可根據測試需求更換測試模塊，系統(tǒng)會自動調整量程，適應不同產品的測試需求，并設有獨立安全高度和速度限制以保護測試探頭。推拉力測試機以其快速、精確和廣泛的適用性，廣泛應用于半導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域，也適用于電子分析和研究單位的失效分析，以及教育機構的教學和研究活動。

2）設備特點

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