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的優勢。
然而，銅絲鍵合技術在實際應用中也面臨著一系列挑戰。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，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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