引線鍵合的失效機理

1、引線鍵合

1.1常用的焊線方法

1.1.1熱壓鍵合法

1.1.2超聲鍵合法

1.1.3熱超聲鍵合法

1.1.4三種(zhǒng)各種(zhǒng)引線鍵合工藝優缺點比較

1.2引線鍵合工藝過(guò)程

2、鍵合工藝差錯造成(chéng)的失效

2.1焊盤出坑

 2.2尾絲不一緻

2.3鍵合剝離

2.4引線彎曲疲勞

2.5鍵合點和焊盤腐蝕

2.6引線框架腐蝕

2.7金屬遷移

2.8振動疲勞

3、内引線斷裂和脫鍵

4、金屬間化合物使Au—Al系統失效

  4.1 Au—Al 系統中互擴散及金屬間化合物的形成(chéng)

   4.2雜質對(duì)Au—Al系統的影響

   4.3改善方法

5、熱循環使引線疲勞而失效

   5.1熱循環峰值溫度對(duì)金相組織的影響

   5.2熱循環峰值溫度對(duì)沖擊功的影響

   5.3引線疲勞

6、鍵合應力過(guò)大造成(chéng)的失效

 

1、引線鍵合

引線鍵合是芯片和外部封裝體之間互連最常見和最有效的連接工藝。

1、1常用的焊線方法

1、1、1熱壓鍵合法：熱壓鍵合法的機制是低溫擴散和塑性流動(Plastic Flow)的結合,使原子發(fā)生接觸,導緻固體擴散鍵合。鍵合時(shí)承受壓力的部位，在一定的時(shí)間、溫度和壓力的周期中，接觸的表面(miàn)就(jiù)會(huì)發(fā)生塑性變形(Plastic Deformation)和擴散。塑性變形是破壞任何接觸表面(miàn)所必需的,這(zhè)樣(yàng)才能(néng)使金屬的表面(miàn)之間融合。在鍵合中,焊絲的變形就(jiù)是塑性流動。該方法主要用于金絲鍵合。

1、1、2超聲鍵合法：焊絲超聲鍵合是塑性流動與摩擦的結合。通過(guò)石英晶體或磁力控制，把摩擦的動作傳送到一個金屬傳感器(Metal“HORN”)上。當石英晶體上通電時(shí)，金屬傳感器就(jiù)會(huì)伸延；當斷開(kāi)電壓時(shí)，傳感器就(jiù)會(huì)相應收縮。這(zhè)些動作通過(guò)超聲發(fā)生器發(fā)生，振幅一般在4-5個微米。在傳感器的末端裝上焊具，當焊具随著(zhe)傳感器伸縮前後(hòu)振動時(shí)，焊絲就(jiù)在鍵合點上摩擦，通過(guò)由上而下的壓力發(fā)生塑性變形。大部分塑性變形在鍵合點承受超聲能(néng)後(hòu)發(fā)生，壓力所緻的塑變隻是極小的一部分，這(zhè)是因爲超聲波在鍵合點上産生作用時(shí)，鍵合點的硬度就(jiù)會(huì)變弱，使同樣(yàng)的壓力産生較大的塑變。該鍵合方法可用金絲或鋁絲鍵合。

 

1、1、3熱超聲鍵合法：這(zhè)是同時(shí)利用高溫和超聲能(néng)進(jìn)行鍵合的方法，用于金絲鍵合。

1、1、4三種(zhǒng)各種(zhǒng)引線鍵合工藝優缺點比較：

特性	熱壓鍵合法	超聲鍵合法	熱超聲鍵合法
可用的絲質及直徑	Au絲 φ15～φ100um	Au絲，Al絲 Φ10～φ500um	Au絲 Φ15～φ100um
鍵合絲的切斷方法	高電壓（電弧） 拉斷	拉斷(超聲壓頭) 拉斷(送絲壓頭) 高電壓(電弧)	高電壓（電弧） 拉斷
優點	鍵合牢固，強度高；在略粗糙的表面(miàn)上也能(néng)鍵合；鍵合工藝簡單	無需加熱；對(duì)表面(miàn)潔淨度不十分敏感；	與熱壓鍵合法相比，可以在較低溫度、較低壓力下實現鍵合
缺點	對(duì)表面(miàn)清潔度很敏感；應注意溫度對(duì)元件的影響	對(duì)表面(miàn)粗糙度敏感；工藝控制複雜	需要加熱；與熱壓法相比工藝控制要複雜些
其他	适用于單片式LSI	最适合采用Al絲	适用于多芯片LSI的内部布線連接

 

1、2引線鍵合工藝過(guò)程

引線鍵合的工藝過(guò)程包括：焊盤和外殼清潔、引線鍵合機的調整、引線鍵合、檢查。外殼清潔方法現在普遍采用分子清潔方法即等離子清潔或紫外線臭氧清潔。

     （1）等離子清潔——該方法采用大功率RF源將(jiāng)氣體轉變爲等離子體，高速氣體離子轟擊鍵合區表面(miàn)，通過(guò)與污染物分子結合或使其物理分裂而將(jiāng)污染物濺射除去。所采用的氣體一般爲O2、Ar、N2、80%Ar+20%O2，或80%O2+20%Ar。另外O2/N2等離子也有應用，它是有效去除環氧樹脂的除氣材料。

（2）外線臭氧清潔通過(guò)發(fā)射184.9ｍｍ和253.7ｍｍ波長(cháng)的輻射線進(jìn)行清潔。過(guò)程如下：
184.9 nｍ波長(cháng)的紫外線能(néng)打破O2分子鏈使之成(chéng)原子态(O+O)，原子态氧又與其它氧分子結合形成(chéng)臭氧O3。在253.7nｍ波長(cháng)紫外線作用下臭氧可以再次分解爲原子氧和分子氧。水分子可以被(bèi)打破形成(chéng)自由的OH-根。所有這(zhè)些均可以與碳氫化合物反應以生成(chéng)CO2+H2O，并最終以氣體形式離開(kāi)鍵合表面(miàn)。253.7nｍ波長(cháng)紫外線還(hái)能(néng)夠打破碳氫化合物的分子鍵以加速氧化過(guò)程。盡管上述兩(liǎng)種(zhǒng)方法可以去除焊盤表面(miàn)的有機物污染，但其有效性強烈取決于特定的污染物。例如，氧等離子清潔不能(néng)提高Au厚膜的可焊性，其最好(hǎo)的清潔方法是O2+Ar 等離子或溶液清洗方法。另外某些污染物，如Cl離子和F離子不能(néng)用上述方法去除，因爲可形成(chéng)化學(xué)束縛。因此在某些情況還(hái)需要采用溶液清洗，如汽相碳氟化合物、去離子水等。

（3）引線鍵合工藝有球鍵合工藝和楔鍵合工藝兩(liǎng)種(zhǒng)。

球鍵合一般采用D75μｍ以下的細Au絲。主要是因爲其在高溫受壓狀态下容易變形、抗氧化性能(néng)好(hǎo)、成(chéng)球性好(hǎo)。球鍵合一般用于焊盤間距大于100μｍ的情況下。目前也有用于50μｍ焊盤間距的例子。

楔鍵合工藝既适用于Au絲，也适用于Al絲。二者的區别在于Al絲采用室溫下的超聲波鍵合，而Au絲采用150℃下的熱超聲鍵合。楔鍵合的一個主要優點是适用于精細尺寸，如50um以下的焊盤間距。但由于鍵合工具的旋轉運動，其總體速度低于熱超聲球鍵合。最常見的楔鍵合工藝是Al絲超聲波鍵合，其成(chéng)本和鍵合溫度較低。而Au絲楔鍵合的主要優點是鍵合後(hòu)不需要密閉封裝，由于楔鍵合形成(chéng)的焊點小于球鍵合，特别适用于微波器件。

      （6）鍵合的方式有兩(liǎng)種(zhǒng)。正焊鍵合：第一點鍵合在芯片上，第二點鍵合在封裝外殼上；反焊鍵合：第一點鍵合在外殼上，第二點鍵合在芯片上。采用正焊鍵合時(shí)，芯片上鍵合點一般有尾絲；采用反焊鍵合時(shí)，芯片上一般是無尾絲的。究竟采用何種(zhǒng)鍵合方式鍵合電路，要根據具體情況确定。

 

2、鍵合工藝差錯造成(chéng)的失效

2、1焊盤出坑

出坑通常出現于超聲波鍵合中,是指對(duì)焊盤金屬化層下面(miàn)半導體材料層的損傷。這(zhè)種(zhǒng)損傷有時(shí)是肉眼可見的凹痕,更多是不可見的材料結構損傷。這(zhè)種(zhǒng)損傷將(jiāng)降低器件性能(néng)并引發(fā)電損傷。其産生原因如下:

    (1) 超聲波能(néng)量過(guò)高導緻Si 晶格層錯;

    (2) 楔鍵合時(shí)鍵合力過(guò)高或過(guò)低:

    (3) 鍵合工具對(duì)基闆的沖擊速度過(guò)大,一般不會(huì)導緻Si 器件出坑,但會(huì)導緻、GaAs 器件出坑;

    (4) 球鍵合時(shí)焊球太小緻使堅硬的鍵合工具接觸到了焊盤金屬化層;

    (5) 焊盤厚度太薄。1～3 μm 厚的焊盤損傷比較小,但0. 6μm 以下厚度的焊盤可能(néng)存在問題;

     (6) 焊盤金屬和引線金屬的硬度匹配時(shí)鍵合質量最好(hǎo),也可以最小化出坑現象;

      (7)Al 絲超聲波鍵合時(shí)金屬絲太硬可能(néng)導緻Si片出坑。

2、2尾絲不一緻

這(zhè)是楔鍵合時(shí)最容易發(fā)生的問題,而且也是最難克服的。可能(néng)的産生原因如下:

(1) 引線表面(miàn)肮髒;

(2) 金屬絲傳送角度不對(duì);

(3) 楔通孔中部分堵塞;

(4) 用于夾斷引線的工具肮髒;

(5) 夾具間隙不正确;

(6) 夾具所施加的壓力不對(duì);

(7) 金屬絲拉伸錯誤。

尾絲太短意味著(zhe)作用在第1 個鍵合點上的力分布在一個很小的面(miàn)積上,這(zhè)將(jiāng)導緻過(guò)量變形。而尾絲太長(cháng)可能(néng)導緻焊盤間短路。

2、3鍵合剝離

剝離是指拉脫時(shí)鍵合點跟部部分或完全脫離鍵合表面(miàn),斷口光滑。剝離主要是由工藝參數選擇錯誤或鍵合工具質量下降引起(qǐ)。它是鍵合相關失效的一個很好(hǎo)的早期信号。

2、4引線彎曲疲勞

這(zhè)種(zhǒng)失效的起(qǐ)因在于引線鍵合點跟部出現裂紋。原因可能(néng)是鍵合操作中機械疲勞,也可能(néng)是溫度循環導緻熱應力疲勞。已有的試驗結果表明:

(1) 溫度循環條件下,Al 絲超聲波鍵合比Al 絲熱壓鍵合更爲可靠;

(2) 含0. 1%Mg 的Al 絲要好(hǎo)于含1%Si 的Al絲;

(3) 引線閉環的高度至少應該是鍵合點間距的25 %以減輕彎曲。

2、5鍵合點和焊盤腐蝕

腐蝕可導緻引線一端或兩(liǎng)端完全斷開(kāi),從而使引線在封裝内自由活動并造成(chéng)短路。潮濕和污物是造成(chéng)腐蝕的主要原因。例如,鍵合位置上存在Cl 或Br 將(jiāng)導緻形成(chéng)氯化物或溴化物,腐蝕鍵合點。腐蝕將(jiāng)導緻鍵合點電阻增加直至器件失效。絕大多數情況下,封裝材料在芯片表面(miàn)和相鄰鍵合點施加了一個壓力,隻有腐蝕非常嚴重才會(huì)出現電連接問題。

2、6引線框架腐蝕

起(qǐ)因是殘餘應力過(guò)大,或者在爲防止引線框架基體金屬(42 合金或Cu) 腐蝕而進(jìn)行的表面(miàn)鍍層(如Ni) 工藝中引入了過(guò)多的表面(miàn)污染。最敏感的區域是密封化合物材料與引線框架的界面(miàn)處。

2、7金屬遷移

是指從鍵合焊盤處開(kāi)始的金屬枝晶生長(cháng)。這(zhè)是一個金屬離子從陽極區向(xiàng)陰極區遷移的電解過(guò)程,與金屬的可獲得性、離子種(zhǒng)類、電勢差等相關。金屬遷移將(jiāng)導緻橋連區的洩露電流增加,如果橋連完全形成(chéng)則造成(chéng)短路。最爲廣泛報道(dào)的是Ag 遷移。其它金屬,如Pb、Sn、Ni 、Au 和Cu 也存在遷移現象。因爲與失效相關,這(zhè)是一種(zhǒng)逐漸失效現象。

2、8振動疲勞

可能(néng)産生諧振并因此損傷鍵合點的最小頻率,

對(duì)于Au 絲爲3～5 kHz ,Al 絲爲10 kHz。一般而言,

引線鍵合的振動疲勞失效發(fā)生于超聲波清洗過(guò)程,

因此超聲波清洗設備的諧振頻率應在20～100 kHz

以内。

3、内引線斷裂和脫鍵

内引線斷裂的方式一般分爲三類：引線中間斷裂；引線在近鍵合點的根部裂；脫鍵。

（1）  引線中間斷裂

引線中間斷裂不一定在早期失效中出現，因爲它和内引線存在損傷的程度和由損傷誘發(fā)的機理有關。鍵合絲的損傷使引線損傷部位面(miàn)積變小，將(jiāng)導緻：電流密度加大，使損傷部位易被(bèi)燒毀；抗機械應力的能(néng)力降低，會(huì)造成(chéng)内引線損傷處斷裂。産生損傷的原因：一是鍵合絲受到機械損傷，二是鍵合絲受到了化學(xué)腐蝕的侵蝕

 

（2）鍵合絲在近鍵合點的根部斷裂

這(zhè)種(zhǒng)現象的發(fā)生主要是由工藝所引入的。存在铊(Tl)污染源,Tl 可以與

Au 形成(chéng)低熔點的共晶相并從鍍Au 的引線框架傳輸到Au 絲中。鍵合點形

成(chéng)過(guò)程中,Tl 可以快速擴散并在球頸以上的晶界處富集形成(chéng)共晶相。在塑

性密封或溫度循環時(shí),球頸斷裂,器件失效。

（3）鍵合點脫鍵隐患

自動引線鍵合技術中，半導體器件鍵合點脫落是最常見的失效模式。這(zhè)種(zhǒng)失效模式用常規篩選和測試很難剔除，隻有在強烈振動下才可能(néng)暴露出來，因此對(duì)半導體器件的可靠性危害極大。可能(néng)影響内引線鍵合可靠性的因素主要有：
<1>界面(miàn)上絕緣層的形成(chéng)在芯片上鍵合區光刻膠或窗口鈍化膜未去除幹淨，可形成(chéng)絕緣層。管殼鍍金層質量低劣，會(huì)造成(chéng)表面(miàn)疏松、發(fā)紅、鼓泡、起(qǐ)皮等。金屬間鍵合接觸時(shí)，在有氧、氯、硫、水汽的環境下，金屬往往與這(zhè)些氣體反應生成(chéng)氧化物、硫化物等絕緣夾層，或受氯的腐蝕，導緻接觸電阻增加,從而使鍵合可靠性降低。

<2>金屬化層缺陷，金屬化層缺陷主要有：芯片金屬化層過(guò)薄，使得鍵合時(shí)無緩沖作用，芯片金屬化層出現合金點，在鍵合處形成(chéng)缺陷；芯片金屬化層粘附不牢，最易掉壓點。

<3>表面(miàn)沾污，原子不能(néng)互擴散包括芯片、管殼、劈刀、金絲、鑷子、鎢針，各個環節均可能(néng)造成(chéng)沾污。外界環境淨化度不夠，可造成(chéng)灰塵沾污；人體淨化不良，可造成(chéng)有機物沾污及鈉沾污等；芯片、管殼等未及時(shí)處理幹淨，殘留鍍金液，可造成(chéng)鉀沾污及碳沾污等，這(zhè)種(zhǒng)沾污屬于批次性問題，可造成(chéng)一批管殼報廢，或引起(qǐ)鍵合點腐蝕，造成(chéng)失效；金絲、管殼存放過(guò)久，不但易沾污，而且易老化，金絲硬度和延展率也會(huì)發(fā)生變化。

<4>材料間的接觸應力不當，鍵合應力包括熱應力、機械應力和超聲應力。鍵合應力過(guò)小會(huì)造成(chéng)鍵合不牢，但鍵合應力過(guò)大同樣(yàng)會(huì)影響鍵合點的機械性能(néng)。應力大不僅會(huì)造成(chéng)鍵合點根部損傷，引起(qǐ)鍵合點根部斷裂失效，而且還(hái)會(huì)損傷鍵合點下的芯片材料，甚至出現裂縫。

4、金屬間化合物使Au—Al系統失效

4、1 Au—Al 系統中互擴散及金屬間化合物的形成(chéng)

Au - Al 系統中互擴散及金屬間化合物的形成(chéng)過(guò)程如下:

(1) 在鍵合的早期階段,Au- Al 之間形成(chéng)一很薄的擴散層,其成(chéng)分爲AuAl2(紫斑) ;

(2) 進(jìn)一步受熱導緻Au -Al 擴散繼續,随著(zhe)Au不斷向(xiàng)Al 薄膜中擴散,純Al 層消失。與此同時(shí),在Au 絲球一側形成(chéng)Au5Al2化合物層;

(3) 擴散層厚度不會(huì)無限增加,這(zhè)是因爲Al 的來源有限而且二者之間互擴散速度存在差别。定義D 爲擴散速度, DAu→Al > DAl→Au 。假設初始Al 薄膜厚度爲1μm ,總的擴散層厚度約爲4～5μm。進(jìn)一步受熱則Au 向(xiàng)擴

散層中擴散并在Au 絲球一側形成(chéng)Au4Al,并向(xiàng)半導體芯片一側生長(cháng);

(4) 進(jìn)一步受熱則Au 向(xiàng)擴散層中的擴散繼續,并最終使擴散層成(chéng)分僅爲Au5Al2和Au4Al 。同時(shí)由于kirkendall效應,擴散層周圍將(jiāng)有空洞産生;

(5) 如果繼續受熱,無空洞位置的Au 的擴散進(jìn)一步加強,導緻在中央部位形成(chéng)Au4Al層;

(6) 對(duì)于塑封IC ,由于樹脂材料中的阻燃劑含溴化物,它將(jiāng)成(chéng)爲Au4Al層中Al 氧化的催化劑。溴化物穿過(guò)空洞進(jìn)入鍵合點并氧化Au4Al層中的Al ,

從而在Au 球中央和化合物層之間的界面(miàn)處形成(chéng)一高電阻層,這(zhè)將(jiāng)導緻一種(zhǒng)斷開(kāi)失效。

4、2雜質對(duì)Au—Al系統的影響

在引線開(kāi)發(fā)的最初階段，其主要目的是爲了增強機械強度例如引線結構和引線長(cháng)度的控制，因此沒(méi)有太多考慮金屬間的斷裂問題。但是随著(zhe)焊盤間距的不斷減小和控制窗口的不斷變窄，引線鍵合技術的發(fā)展開(kāi)始受到金屬間相問題的束縛。迄今爲止，引線摻雜效應還(hái)沒(méi)有得到深入的研究。通過(guò)添加摻雜雜質和減緩金屬間相的擴散速度被(bèi)認爲是減少金屬間失效的唯一手段。實際上，摻雜濃度爲100ppm時(shí)摻雜雜質并不能(néng)有效地阻止金屬間相的生長(cháng)。爲此，一些常用引線中摻雜雜質的含量被(bèi)提高到1%，此時(shí)摻雜雜質能(néng)夠阻止Au和Al的擴散。但是其效果沒(méi)有我們預期的那麼(me)好(hǎo)，而且還(hái)會(huì)降低引線的電導率。因此，我們需要能(néng)夠更加有效地解決這(zhè)些問題的新方法，而且不能(néng)影響電導率性能(néng)。

4、3改善方法

金屬間失效的主要原因有很多，因此很難通過(guò)控制一個因素將(jiāng)其降低到最小程度。我們能(néng)做的是選擇最佳EMC以減小封裝應力、選擇最佳毛細管劈刀類型以形成(chéng)更緻密的金屬間相，以及優化工藝參數以盡量減小不規則生長(cháng)程度和提高初始金屬間相覆蓋率。研究結果顯示最有效的影響因素是引線類型。毛細管劈刀類型也會(huì)影響金屬間相的形成(chéng)。但是，當金屬間相覆蓋率大于70%時(shí)，金屬間相覆蓋率不再是主要因素。當我們將(jiāng)焊盤間距爲70um的毛細管劈刀和引線類型用于40um時(shí)，我們將(jiāng)遇到HTS和溫度循環失效問題。但是，通過(guò)選擇最佳毛細管劈刀類型、引線類型和EMC，我們可以在可靠性性能(néng)上取得很好(hǎo)的改善效果。

5、熱循環使引線疲勞而失效

5、1　熱循環峰值溫度對(duì)金相組織的影響

熱循環不同峰值溫度條件下的金相組織如圖1所示。由圖1可看出，當熱循環峰值溫度爲1350℃時(shí)，冷卻後(hòu)轉變成(chéng)粗大的低碳馬氏體＋少量的側闆條貝氏體組織。當熱循環峰值溫度爲950℃時(shí)，冷卻後(hòu)組織明顯細化。當熱循環峰值溫度爲750℃時(shí)，對(duì)應于熱影響區的部分淬火區，因高溫停留時(shí)間短，奧氏體成(chéng)分均勻化很不充分，使該區組織爲鐵素體＋粒狀貝氏體組織。峰值溫度爲600℃時(shí)，未超過(guò)調質處理時(shí)的高溫回火溫度，組織以回火索氏體爲主。

5、2熱循環峰值溫度對(duì)沖擊功的影響

經(jīng)不同峰值溫度熱循環作用下，随著(zhe)熱循環峰值溫度的提高，沖擊功下降。當熱循環峰值溫度超過(guò)1100℃後(hòu)，沖擊功已降低到較低水平。由此可以看出，随著(zhe)熱循環峰值溫度的增加，晶粒長(cháng)大傾向(xiàng)增大，當熱循環峰值溫度爲1350℃時(shí)，奧氏體晶粒嚴重長(cháng)大，緻使該區沖擊功最低。

5、3引線疲勞

在 Au 納米引線的熱疲勞測試中，將(jiāng)正弦交變電壓（Vpp＝10V）輸入引線，從而在引線中産生交變熱應力。實驗中交變電壓信号的頻率爲50Hz－100Hz。如設由于交變電信号在引線中産生的溫度變化爲ΔT, 則引線中産生的熱應變爲Δε=(αAu-αSi)ΔT，其中(αAu-αSi)爲Au和Si 的熱膨脹系數之

(αAu=1.42×10-5/oC; αSi =3×10-6/oC)。

這(zhè)一應變將(jiāng)導緻Au 引線經(jīng)曆壓－壓疲勞循環。在實驗中，記錄每一試件的疲勞失效壽命(指引線開(kāi)路時(shí)的疲勞循環次數)，并同時(shí)通過(guò)SEM 觀察引線表面(miàn)的形貌變化。表給出了長(cháng)度爲20μm，三種(zhǒng)不同寬度Au 引線在相同交變電壓信号(Vpp=10V)，不同電壓頻率作用下的疲勞失效結果。對(duì)于同樣(yàng)的輸入電壓随著(zhe)引線線寬的減小，其失效循環次數明顯減少。産生這(zhè)一結果有兩(liǎng)個原因，其一是由于引線寬度的減少，導緻其橫截面(miàn)積相應地減少，這(zhè)樣(yàng)在相同的電壓作用下，較窄的引線中將(jiāng)形成(chéng)較大的電流，而随著(zhe)電流的增加，將(jiāng)在導線中引起(qǐ)較高的溫度及較大的熱應力，從而加速了引線的疲勞失效；其二是由于本文的納米引線厚度僅35nm，寬度從500nm 到150nm，引線材料中晶粒在厚度方向(xiàng)將(jiāng)小于35nm，在寬度方向(xiàng)小于100nm。和以往研究者所利用的微米到亞微米晶粒相比，細化後(hòu)的晶粒能(néng)夠拟制位錯的運動，因而導緻引線失效的原因可能(néng)是由局部界面(miàn)損傷引起(qǐ)引線在寬度方向(xiàng)的破壞所控制。因此較寬和較薄的引線將(jiāng)具有更長(cháng)的疲勞壽命。結合中引線失效時(shí)的顯微圖片可以看到，在納米引線的表面(miàn)并沒(méi)有發(fā)現類似于體材料疲勞時(shí)由于往複的位錯運動導緻的滑移在薄膜表面(miàn)形成(chéng)平行的起(qǐ)皺圖案（體材料在機械疲勞載荷作用下的擠出和擠入機制，在這(zhè)些起(qǐ)皺位置由于引線橫截面(miàn)積的突然減少將(jiāng)會(huì)導緻局部電流過(guò)載引起(qǐ)焦耳熱而導緻引線熔斷失效）。顯然，較大尺寸的引線（含有較大的晶粒）破壞過(guò)程由位錯作用控制。而在本文的實驗中由于引線細而薄，使得引線結構中晶粒尺度減小，其疲勞行爲受擴散機制以及界面(miàn)特性控制，而不是位錯滑移機制控制。即損傷可能(néng)在膜基界面(miàn)形核（由于納米晶粒的高強度很難在納米晶薄膜上形成(chéng)裂紋，且金薄膜和SiO2 界面(miàn)爲弱結合界面(miàn)），一旦局部界面(miàn)脫粘，由電流誘導的邊界或界面(miàn)擴散將(jiāng)進(jìn)一步加速界面(miàn)脫粘，最終將(jiāng)在壓-壓疲勞驅動下形成(chéng)局部跨線寬損傷區域，導緻焦耳熱熔斷引線形成(chéng)開(kāi)路失效。另外從引線失效顯微圖看到，三個線寬的引線疲勞損傷失效機制一緻。在焦耳熱導緻的高溫區晶界消失成(chéng)流動狀态。由于失效過(guò)程爲瞬态行爲，失效區域由于高溫熔融，實驗還(hái)無法觀察損傷前該區域的形貌特性。

6、鍵合應力過(guò)大造成(chéng)的失效

鍵合應力過(guò)小會(huì)造成(chéng)鍵合不牢，鍵合應力過(guò)大會(huì)影響鍵合點的機械性能(néng)。應力大不僅會(huì)造成(chéng)鍵合點根部損傷，引起(qǐ)鍵合點根部斷裂失效，而且還(hái)會(huì)損傷鍵合點下的芯片材料，甚至出現裂縫等情況。這(zhè)種(zhǒng)損傷有時(shí)是肉眼可見的凹痕，更多是不可見的材料結構損傷，這(zhè)種(zhǒng)損傷將(jiāng)降低器件性能(néng)并引發(fā)電損傷。其産生原因如下：

（1）聲波能(néng)量過(guò)高導緻Si晶格層錯；

（2）楔鍵合時(shí)鍵合力過(guò)高或過(guò)低；

（3）球鍵合時(shí)焊球太小緻使堅硬的鍵合工具接觸到了焊盤金屬化層；

（4）焊盤厚度太薄；

（5）Al絲超聲波鍵合時(shí)金屬絲太硬可能(néng)導緻Si片出坑。

 

 

轉載自：半導體封裝工程師之家