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聶洪林 陳佳榮 任萬春 郭林 蔡少峰 李科 陳鳳甫 蒲俊德

（西南科技大學(xué) 四川立泰電子有限公司）

摘要：

探究了引線鍵合工藝的重要參數(shù)對(duì)功率器件鍵合可靠性的影響機(jī)制，進(jìn)而優(yōu)化超聲引線鍵合工藝參數(shù)。采用單參數(shù)變化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，改變超聲功率、鍵合壓力、鍵合時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)制備芯片，利用拉斷力測(cè)試方法表征引線鍵合的質(zhì)量，研究工藝參數(shù)與鍵合質(zhì)量的映射關(guān)系，分析其影響機(jī)理；進(jìn)一步利用正交實(shí)驗(yàn)得到引線鍵合關(guān)鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化配方。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)超聲功率 210 mW、鍵合時(shí)間 80 ms 和鍵合壓力 3.4 N 時(shí)，可得到較好的鍵合可靠性和數(shù)據(jù)收斂性。而且，參數(shù)中超聲功率對(duì)鍵合可靠性的影響最大，鍵合壓力次之，而鍵合時(shí)間的影響不顯著。

0 引言

集成電路技術(shù)的高速發(fā)展對(duì)封裝工藝的可靠性提出了更高要求，引線鍵合工藝是實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部器件與外部管腳之間可靠電氣連接的至關(guān)重要環(huán)節(jié)。超聲引線鍵合是目前的主流鍵合技術(shù)，具備低熱預(yù)算、高經(jīng)濟(jì)性、強(qiáng)適配性等優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)了 90% 以上的應(yīng)用市場(chǎng)。然而有統(tǒng)計(jì)表明，超過 25% 的半導(dǎo)體器件的可靠性問題是由引線鍵合失效導(dǎo)致。由于功率器件的工作電壓 / 電流較高，對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化和可靠性提升提出了更高要求。在超聲引線鍵合工藝中，對(duì)引線鍵合可靠性影響最大的關(guān)鍵工藝參數(shù)有超聲功率、鍵合壓力、鍵合時(shí)間等。鍵合參數(shù)設(shè)置不合理可能導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度降低、變脆以及接觸電阻變大等問題，甚至出現(xiàn)器件開路或電性能退化等嚴(yán)重失效。因此，研究人員針對(duì)超聲引線鍵合的失效原因和參數(shù)優(yōu)化展開了相關(guān)研究，羅玨等研究了第二點(diǎn)鍵合金絲的短尾失效問題，并討論其主要影響因素和形成

機(jī)理。范俊玲等通過調(diào)整鍵合壓力與超聲功率參數(shù)，討論了銀基鍵合線楔焊點(diǎn)形貌的影響因素。曹軍等深入研究了熱超聲鍵合工藝的燒球時(shí)間、超聲功率和鍵合壓力等參數(shù)對(duì)金絲鍵合質(zhì)量的影響。然而，目前研究主要針對(duì)金絲或超細(xì)引線的鍵合失效，而較少關(guān)注功率器件的粗鋁線鍵合失效與參數(shù)優(yōu)化問題，制約了大電流 / 電壓條件下的功率器件引線鍵合可靠性提高。

本文擬采用單一變量試驗(yàn)法，設(shè)計(jì)功率器件的超聲引線鍵合工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)，利用拉斷力測(cè)試設(shè)備表征引線鍵合的可靠性，討論鍵合可靠性背后的物理機(jī)制。進(jìn)一步利用正交實(shí)驗(yàn)給出超聲引線鍵合的工藝參數(shù)的最優(yōu)配置，為功率器件的超聲引線鍵合工藝可靠性提高提供技術(shù)支撐。

1 超聲鍵合系統(tǒng)及其原理

功率器件一般采用超聲引線鍵合法。如圖 1 所示，超聲引線鍵合系統(tǒng)主要由超聲發(fā)生器、安裝環(huán)、變幅桿及鍵合工具等組成。超聲發(fā)生器將工頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹黝l約 60 KHz 的高頻正弦信號(hào)。再利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將超聲發(fā)生器產(chǎn)生的高頻信號(hào)轉(zhuǎn)變成機(jī)械振動(dòng)，經(jīng)變幅桿調(diào)整使劈刀產(chǎn)生振幅為 4~5 μm 的前后振動(dòng)。

引線鍵合過程中，劈刀在鍵合線與界面之間施加一定的鍵合壓力。在超聲能量和壓力的共同作用下，一方面鍵合界面處的氧化膜破碎并露出潔凈界面，另一方面促使鋁線發(fā)生塑性形變使鍵合線與金屬面之間的原子層形成共價(jià)鍵結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了芯片內(nèi)部器件與外部管腳之間的緊密可靠電氣連接。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 材料選用

材料選擇。功率器件選擇溝槽型肖特基功率二極管 ( 型號(hào) ：M30T100CT，四川立泰電子有限公司 )。芯片表面材質(zhì)為CuAl 合金，硅基與芯片之間粘合鋁層厚度約為 4~5μm。為滿足功率器件大電流工作要求，鍵合線選擇直徑 380μm 的粗鋁絲 ( 純度 99.99%)，并采用 TO-200 的封裝形式。鍵合設(shè)備采用全自動(dòng)超聲鍵合機(jī) ( 型號(hào) ：W60，創(chuàng)唯新 )。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 單參數(shù)變化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在基準(zhǔn)工藝參數(shù)條件基礎(chǔ)上，分別調(diào)整引線鍵合關(guān)鍵工藝參數(shù)，包括超聲功率、超聲時(shí)間以及鍵合壓力。每個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)在基準(zhǔn)上下分別取 2 個(gè)點(diǎn)，每個(gè)參數(shù)點(diǎn)鍵合 150 根鋁線，進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn) ( 如表 1)。由于第二鍵合點(diǎn)的可靠性遠(yuǎn)優(yōu)于第一鍵合點(diǎn)，因此本研究主要針對(duì)第一鍵合點(diǎn)的鍵合工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.2.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

如表 2 所示，采用 3 因素 4 水平的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。3 因素包括影響鍵合強(qiáng)度的三個(gè)核心工藝參數(shù)：超聲功率、鍵合時(shí)間、鍵合壓力 ；4 水平是在單參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，綜合高功率二極管的應(yīng)用特征和工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定工藝參數(shù)范圍和四個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。每組設(shè)置 40 個(gè)樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以消除隨機(jī)誤差的影響，采用最大拉斷力 (F MBF ,Maximum Breaking Force) 的平均值表征正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果。進(jìn)一步探究不同參數(shù)對(duì)鍵合質(zhì)量的影響機(jī)制及最優(yōu)參數(shù)配方。

2.3 鍵合質(zhì)量評(píng)估方法

最大拉斷力測(cè)試。鍵合強(qiáng)度是評(píng)估鍵合質(zhì)量好壞的重要技術(shù)指標(biāo), 其檢測(cè)方法可分為鍵合拉力測(cè)試 (BPT) 與剪切力測(cè)試 (BST) 兩種。本實(shí)驗(yàn)采用拉斷力測(cè)試儀 ( 型號(hào) ：XL30) 測(cè)試最大拉斷力，以表征引線鍵合強(qiáng)度。所采用儀器和方法符合中國國家標(biāo)準(zhǔn)《微電子器件實(shí)驗(yàn)方法和程序 (GJB-548B-2005)》和美國國家標(biāo)準(zhǔn) (MIL-STD-883)。拉斷力測(cè)試過程如圖 2 所示，包括拉鉤與鍵合線對(duì)準(zhǔn)、施力后鍵合線的彈 /塑性變形、拉斷三個(gè)主要階段。

物理失效的顯微觀察。測(cè)試后對(duì)產(chǎn)生的物理失效進(jìn)行分析，采用光學(xué)顯微鏡 ( 型號(hào) ：AD409) 觀察具體失效部位及其形貌。引線鍵合可靠性與拉斷位置有關(guān)，如果出現(xiàn)在拉鉤施力處，則為正常拉斷；若在鍵合點(diǎn)處，則可靠性不合格 ；而位于頸縮點(diǎn)斷裂，則需要再次測(cè)量確認(rèn)其可靠性。

3 結(jié)果與討論

3.1 基于單參數(shù)實(shí)驗(yàn)的影響機(jī)制分析

3.1.1 超聲功率

利用單參數(shù)變化實(shí)驗(yàn)法，改變超聲引線鍵合工藝的超聲功率 (230,240,250,260,270mW)，制備好引線鍵合芯片后，分別測(cè)試其最大拉斷力。如圖 3(a) 所示，隨著超聲功率增加，最大拉斷力在給定功率范圍內(nèi)呈波動(dòng)式變化。其中在 240mW和 270mW 處，拉斷力分別比基準(zhǔn)條件 250mW 處大 10.58% 和11.71%. 同時(shí)，240mW 與 260mW 處的標(biāo)準(zhǔn)差分別比基準(zhǔn)條件小10.28% 和 12.70%. 如圖 3(b) 所示，超聲功率為 240mW 時(shí)，不僅拉斷力較大、鍵合強(qiáng)度高，而且測(cè)試數(shù)據(jù)收斂、可重復(fù)性好。

因此，在功率器件的粗鋁線鍵合工藝中，超聲功率將影響鍵合強(qiáng)度和工藝一致性。在基準(zhǔn)條件基礎(chǔ)上，建議將粗鋁絲第一鍵合點(diǎn)的超聲功率控制在 240±5mW。

3.1.2 鍵合時(shí)間

如圖 4(a) 所示，改變超聲鍵合時(shí)間 (80,100,120,140,160ms)后，最大拉斷力先減小后增大。其中在80和100ms處，拉斷力分別比基準(zhǔn)條件 120ms 處大 13.39% 和 10.27%，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差分別比基準(zhǔn)條件小 16.13% 和 16.49%。圖 4(b) 中，盡管在 140ms 處的數(shù)據(jù)收斂性最好，但其可靠性僅比基準(zhǔn)條件高 4.39%。因此當(dāng)鍵合時(shí)間為 80~100ms 時(shí)，鍵合強(qiáng)度高，而且測(cè)試數(shù)據(jù)收斂較好。

因此，在功率器件的粗鋁線鍵合工藝中，鍵合時(shí)間控制對(duì)鍵合可靠性的影響較大。在基準(zhǔn)條件下，將超聲鍵合時(shí)間選取在 80~100ms 之間較合適。

3.1.3 鍵合壓力

如圖 5(a) 所示，改變鍵合壓力 (3.4,3.6,3.8,4.0,4.2N)，拉斷力在 3.6N 處達(dá)到最大值 7.764N，比基準(zhǔn)條件大 15.33%，而且此時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差最小，僅為 0.412。從圖 5(b) 中可以看出，鍵合壓力 3.6N 時(shí)，可靠性最好、數(shù)據(jù)最收斂。

因此，在功率器件的粗鋁線鍵合工藝中，合理選擇鍵合壓力對(duì)保證鍵合可靠性與工藝一致性至關(guān)重要。在基準(zhǔn)條件下，將超聲鍵合壓力選取在 3.6±0.2N 較合適。

3.2 基于正交實(shí)驗(yàn)的參數(shù)優(yōu)化

單參數(shù)實(shí)驗(yàn)有利于分析引線鍵合工藝的單一參數(shù)對(duì)可靠性的影響機(jī)制，然而該方法僅關(guān)注工藝參數(shù)的局部改變，引線鍵合參數(shù)的整體優(yōu)化需要采用正交實(shí)驗(yàn)方法。正交實(shí)驗(yàn)廣泛應(yīng)用于多因變量與結(jié)果中耦合關(guān)系的研究，可通過選取完全實(shí)驗(yàn)中的代表點(diǎn)，既大大減少了繁復(fù)的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，又可分析各因變量的相互關(guān)系，最終得到全局優(yōu)化后的工藝參數(shù)配方。

如圖 6 所示，引線鍵合可靠性隨著超聲功率的增大呈明顯下降趨勢(shì)，而鍵合壓力和時(shí)間的影響趨勢(shì)并不顯著。其中超聲功率的極差為 0.73，分別比鍵合壓力和時(shí)間的極差大1.61和9.43倍。因此，在功率器件的粗鋁絲引線鍵合工藝中，超聲功率對(duì)鍵合可靠性影響最大，鍵合壓力次之，而鍵合時(shí)間的影響并不顯著。

正交實(shí)驗(yàn)的鍵合可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)如圖 7 所示。盡管在條件 3 處（210mW,360N,100ms）的鍵合強(qiáng)度 7.575N 最大，但其標(biāo)準(zhǔn)差 0.510 也為最大，說明該條件下的數(shù)據(jù)收斂性最差。條件16 （270mW,3.8N,60ms）的鍵合強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)差分別比條件 3 小3.84% 和 50.39%，可見其數(shù)據(jù)收斂性大大提高，強(qiáng)度則有一定程度降低。而在條件 2 （210mW,3.4N,80ms）的鍵合強(qiáng)度僅比條件 3 低 1.48%，但其標(biāo)準(zhǔn)差卻改善了 32.31%。綜上所述，對(duì)于高功率器件的粗鋁絲鍵合工藝，當(dāng)超聲功率為 210mW、鍵合壓力為3.4N和鍵合時(shí)間為80ms時(shí)，為引線鍵合的最優(yōu)工藝參數(shù)，其第一鍵合點(diǎn)的鍵合強(qiáng)度與數(shù)據(jù)收斂性的綜合可靠性較好。

3.3 失效機(jī)理分析

引線鍵合過程主要依靠超聲功率和劈刀壓力，將能量用于去除表面氧化層，同時(shí)通過超聲產(chǎn)生材料間摩擦而形成可靠的共價(jià)鍵連接。根據(jù)不同材質(zhì)、表面狀態(tài)和引線尺寸優(yōu)選合適的工藝參數(shù)，可保證引線鍵合的可靠性。如圖 8(a) 所示，當(dāng)引線鍵合工藝可靠性較好時(shí)，拉斷力測(cè)試后鍵合線從拉鉤施力處斷裂，而鍵合點(diǎn)保持可靠的連接狀態(tài)；當(dāng)鍵合施加的能量過大時(shí)，如超聲功率、時(shí)間和壓力過大，會(huì)引起鍵合線頸縮點(diǎn)部的過度塑性變形，鍵合線受損而導(dǎo)致強(qiáng)度和牢固性降低，拉斷力測(cè)試時(shí)鍵合線便從頸縮點(diǎn)處斷裂 ( 如圖 8(b) 所示 )，而且，施加在芯片上壓力過大還可能引起芯片內(nèi)部器件的損傷；相反地，引線鍵合時(shí)施加的能量過小 ( 功率小、時(shí)間短、壓力小 )，可能導(dǎo)致如圖 8(c) 所示的失效形貌，鍵合線從鍵合點(diǎn)處整體脫離。這是由于鍵合線的塑性變形不足而導(dǎo)致共價(jià)鍵合不強(qiáng)與鍵合面積太小，而且同時(shí)可能存在芯片表面的氧化層未完全去除的問題，從而降低了引線鍵合工藝的可靠性。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)功率器件的大電流 / 電壓應(yīng)用需求，對(duì)其超聲引線鍵合的工藝可靠性展開研究。采用單一變量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，變化超聲引線鍵合的關(guān)鍵工藝參數(shù)包括超聲功率、鍵合時(shí)間和鍵合壓力，探究引線鍵合工藝參數(shù)與可靠性之間的相互影響機(jī)制和優(yōu)化方向。進(jìn)一步采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，探究最佳鍵合參數(shù)。研究表明，在基準(zhǔn)工藝條件基礎(chǔ)上，分別單獨(dú)對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整：超聲功率 210mW、鍵合時(shí)間80ms 和鍵合壓力 3.4N 時(shí)，可得到較高的鍵合可靠性和較好的數(shù)據(jù)收斂性。進(jìn)一步地，通過對(duì)鍵合失效形貌的顯微圖像觀察，研究了鍵合失效的內(nèi)部機(jī)制，發(fā)現(xiàn)鍵合能量過大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鍵合線頸縮點(diǎn)斷裂失效；能量太小會(huì)造成表面氧化層去除不足和有效鍵合的強(qiáng)度面積太小等問題，導(dǎo)致鍵合點(diǎn)整體脫落。該研究為功率器件的引線鍵合工藝可靠性優(yōu)化指明了方向。

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電子器件封裝中引線鍵合質(zhì)量的檢測(cè)方法

齊翊 陳偉民 劉顯明

（重慶大學(xué)光電工程學(xué)院 光電技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

摘要：

引線鍵合是半導(dǎo)體封裝中實(shí)現(xiàn)芯片與封裝引腳之間連接的關(guān)鍵技術(shù)，近年來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)更高的集成度、更高的可靠性和更低的成本等方面的迫切需求，對(duì)引線鍵合技術(shù)提出了更高的要求，因此引線鍵合的質(zhì)量檢測(cè)成為了保證半導(dǎo)體封裝質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。詳細(xì)闡述了引線鍵合中質(zhì)量檢測(cè)的技術(shù)方法，對(duì)比了各種技術(shù)的目的和技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)了各種方法的使用場(chǎng)合，并提出了鍵合線質(zhì)量檢測(cè)尚需解決的問題和發(fā)展方向。

統(tǒng)計(jì)表明，截止2014年仍有超過90%以上的芯片內(nèi)連接由引線鍵合技術(shù)（Wire bonding）完成。引線鍵合中焊盤不潔、表面氧化、腐蝕和工藝參數(shù)不合理等都會(huì)產(chǎn)生缺陷，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋、斷線和焊點(diǎn)脫落等問題，這些問題會(huì)直接造成芯片的整體失效或嚴(yán)重影響其可靠性。因此，在現(xiàn)代半導(dǎo)體集成電路器件的研制和加工中，都必須對(duì)引線鍵合的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，以保證芯片內(nèi)部連接的可靠性。典型集成電路芯片結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

1 引線鍵合的質(zhì)量問題及主要表征方法

要對(duì)引線鍵合的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，就必須了解該技術(shù)的基本原理和工藝流程，掌握引線鍵合中存在的質(zhì)量問題，熟悉這些質(zhì)量的表征方法。

引線鍵合技術(shù)的基本原理是利用直徑通常為幾十至幾百微米的高電導(dǎo)率金屬導(dǎo)線（金、鋁和銅等），在熱超聲作用下按壓在焊盤上，使焊盤與焊線的金屬原子發(fā)生擴(kuò)散，形成金屬間化合物（Intermetallic Compounds，IMC），從而實(shí)現(xiàn)晶粒與引腳的連接。典型的引線鍵合工藝流程包括形球、超聲加熱、按壓形成第一焊點(diǎn)、走線、按壓形成第二焊點(diǎn)和分離等。如圖2所示。

就引線鍵合的環(huán)節(jié)而言，焊盤的清潔、引線端的微球形成、引線的焊接、引線的走線，都可能產(chǎn)生質(zhì)量問題。在焊接前如果焊盤被污染，就會(huì)在焊點(diǎn)內(nèi)部形成幾百納米至幾十微米的空洞缺陷或微裂紋，從而造成鍵合失效。在引線微球形成時(shí)的放電電流不合適，就會(huì)造成圖2（a）中的微球尺寸超標(biāo)或形狀不規(guī)則，導(dǎo)致后續(xù)的焊球變形和焊盤產(chǎn)生裂縫。如果在圖2的第一焊點(diǎn)（c）和第二焊點(diǎn)（e）引線壓焊過程中，施加的壓力、超聲的強(qiáng)度與頻率不恰當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致焊盤變形甚至產(chǎn)生裂縫和虛焊。引線壓焊過程中，焊盤與焊球的位置識(shí)別偏差會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)錯(cuò)位和脫焊等問題 。在圖2的走線（d）過程，引線長(zhǎng)度和空間布局不合理，就會(huì)發(fā)生引線塌陷和搭線短路等嚴(yán)重問題。

就鍵合后的注塑環(huán)節(jié)而言，其填料和固化工藝等，也可能引起鍵合的質(zhì)量問題。如填料內(nèi)存在氣泡和不均勻等缺陷，就會(huì)在注塑后產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，從而可能在器件后續(xù)使用中造成引線的斷線或焊點(diǎn)的脫落，對(duì)引線的鍵合質(zhì)量產(chǎn)生間接影響，影響其使用的可靠性。

在以上引線鍵合質(zhì)量問題中，內(nèi)應(yīng)力斷線和焊點(diǎn)脫落等問題反應(yīng)了引線鍵合的力學(xué)特性，可以用動(dòng)態(tài)或靜態(tài)機(jī)械參數(shù)加以描述；斷路和電參數(shù)變化問題反映了引線鍵合的電學(xué)特征，可以由電感和電容等電學(xué)參數(shù)加以描述；空洞缺陷和微裂紋等問題反映引線鍵合的微觀形貌，可以由顯微成像得到的微觀形貌特征來描述；引線塌陷和焊點(diǎn)錯(cuò)位等問題反映引線鍵合的整體形貌，可以由整體形貌特征進(jìn)行描述。因此，引線鍵合的質(zhì)量檢測(cè)，可以歸結(jié)為機(jī)械參數(shù)檢測(cè)、電學(xué)參數(shù)檢測(cè)和形貌特征檢測(cè)三大類。

2 機(jī)械參數(shù)檢測(cè)方法

合格的鍵合線必須在實(shí)現(xiàn)有效電氣連接的同時(shí)具有較好的機(jī)械性能。良好的機(jī)械性能不僅是正常工作的基本保證，同時(shí)也是芯片封裝長(zhǎng)期工作可靠性的基礎(chǔ)。因此對(duì)引線進(jìn)行機(jī)械性能的檢測(cè)是評(píng)價(jià)鍵合線質(zhì)量的基礎(chǔ)。應(yīng)力和振動(dòng)是兩種主要的機(jī)械檢測(cè)手段。

2.1 靜態(tài)機(jī)械參數(shù)檢測(cè)

靜態(tài)機(jī)械參數(shù)的檢測(cè)可以用于快速評(píng)估鍵合線的整體鍵合強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)脫焊和虛焊等問題。針對(duì)鍵合線的應(yīng)力檢測(cè)，引線拉力測(cè)試（pull test）和球剪切力測(cè)試（shear test）是最基本手段。在這兩種方法的基礎(chǔ)上，為了解決工業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)對(duì)速度和非破壞性的要求，還發(fā)展出高壓空氣吹檢法和焊球成型過程壓力測(cè)試法等。

引線拉力測(cè)試是測(cè)量鍵合線強(qiáng)度最簡(jiǎn)單有效的方法之一，并被中國的國家標(biāo)準(zhǔn)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)（MIL-STD-883）等廣泛采用。該方法是用一個(gè)小勾勾住引線，測(cè)試時(shí)拉力的施加作用點(diǎn)作用于內(nèi)、外兩個(gè)焊點(diǎn)的中間部位，拉力的施加方向垂直于兩焊點(diǎn)連線的垂直方向。在非破壞性試驗(yàn)時(shí)不斷增大拉力，當(dāng)拉力到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值而引線未斷裂或焊點(diǎn)未脫落，說明鍵合強(qiáng)度符合要求，最后輕輕移開小勾。在破壞性試驗(yàn)中，不斷增加拉力直至引線斷開或鍵合點(diǎn)脫落位置，此時(shí)得到的數(shù)值，即為極限鍵合強(qiáng)度。方法原理圖如圖3所示。

球剪切力測(cè)試（Ball shear test）是用一個(gè)平面的剪切刀，平行于焊盤向焊球施加推力，使焊球被剝離的力就是鍵合剪切力。球剪切力測(cè)試原理圖如圖4所示。

引線拉力測(cè)試和球剪切力測(cè)試除了能夠通過拉力和剪切力評(píng)價(jià)鍵合質(zhì)量之外，經(jīng)過測(cè)試后脫落的焊盤還可以用于研究鍵合界面處金屬間化合物的生長(zhǎng)情況，進(jìn)而優(yōu)化鍵合過程的工藝參數(shù)或分析改進(jìn)鍵合材料。這些進(jìn)一步的分析通常需要借助材料分析手段或下面的顯微成像檢測(cè)方法，如圖5所示。

高壓空氣吹檢法是一種引線拉力測(cè)試的替代方法，該方法利用高壓空氣自下而上吹過鍵合線，通過空氣流動(dòng)為引線提供拉力。該方法可以同時(shí)對(duì)多條鍵合線進(jìn)行檢測(cè)，但該方法不能提供精確的引線鍵合強(qiáng)度數(shù)據(jù)，只能作為定性的檢測(cè)手段。

引線鍵合過程中需要將焊線材料壓在焊盤上，并提供能量實(shí)現(xiàn)兩種材料的鍵合。鍵合過程中焊接頭壓下時(shí)壓力的大小和沖擊變化過程直接影響焊球的質(zhì)量。對(duì)該應(yīng)變的大小和位置等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)也是一種評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量的有效方法。檢測(cè)焊接時(shí)沖擊過程的沖擊力曲線和多次焊接時(shí)壓力的差異可以用于提高鍵合線的整體質(zhì)量。這種檢測(cè)方法主要通過在焊接機(jī)操作臂上增加壓力傳感器或在焊盤周圍布置壓力傳感器的方式實(shí)現(xiàn)。在利用這些方法測(cè)量得到的壓力參數(shù)時(shí)，可以通過統(tǒng)計(jì)分析的方法尋找最優(yōu)工藝參數(shù)，或利用多個(gè)傳感器得到的數(shù)據(jù)分析焊球的位置和成型質(zhì)量等。

2.2 動(dòng)態(tài)機(jī)械參數(shù)檢測(cè)

動(dòng)態(tài)機(jī)械參數(shù)檢測(cè)可用于評(píng)價(jià)鍵合線整體性能及其疲勞特性。振動(dòng)檢測(cè)可以分為外加激勵(lì)振動(dòng)檢測(cè)和超聲焊接過程振動(dòng)檢測(cè)。其中外加激勵(lì)振動(dòng)檢測(cè)是對(duì)完成焊接的鍵合線施加振動(dòng)激勵(lì)源，檢測(cè)鍵合線振動(dòng)信號(hào)。超聲焊接過程振動(dòng)檢測(cè)是檢測(cè)超聲焊接時(shí)焊接臂或焊點(diǎn)振動(dòng)。

電磁共振測(cè)試法（electromagnetic resonance test）利用載有交流電信號(hào)的導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受交變的安培力，引起鍵合線共振從而實(shí)現(xiàn)拉力測(cè)試。不同長(zhǎng)度、粗細(xì)的鍵合線具有不同的共振頻率，為了在測(cè)試中為引線提供足夠的拉力，Michael Pecht等人提出利用一個(gè)具有一定頻率帶寬的交流激勵(lì)信號(hào)，引起被測(cè)鍵合線發(fā)生共振。實(shí)驗(yàn)原理圖如圖6所示。

微機(jī)械沖擊法（Force Detected WireVibration Analysis）是由一個(gè)探針提供震動(dòng)激勵(lì)信號(hào)，另一個(gè)傳感探針采集鍵合線的震動(dòng)信號(hào)，從而檢測(cè)焊點(diǎn)和鍵合線的質(zhì)量。其中提供激勵(lì)信號(hào)的探針接觸鍵合線的末端，用于檢測(cè)的微探針接觸鍵合線中間。通過這種方法，H. Luo等人建立了鍵合點(diǎn)鍵合狀態(tài)與鍵合線震動(dòng)信號(hào)頻域特性的關(guān)系，研究表明鍵合存在機(jī)械連接缺陷時(shí)，信號(hào)頻域特征峰的幅度成比例下降，且特征峰向高頻移動(dòng)。

超聲鍵合和熱超聲鍵合是引線鍵合中的基本方法，它們都是以超聲波作為鍵合過程的能量源，超聲波通過焊線機(jī)的操作臂傳遞到焊點(diǎn)處。對(duì)焊接過程的超聲波信號(hào)進(jìn)行采集和分析是評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量的重要方法之一。在焊接機(jī)中，超聲波的產(chǎn)生通常就是通過驅(qū)動(dòng)壓電材料實(shí)現(xiàn)的，將該壓電材料同時(shí)用作傳感器或者增加專用的壓電振動(dòng)傳感器是測(cè)量超聲信號(hào)的有效方法，也可以通過激光干涉的方法直接測(cè)量焊接頭振動(dòng)情況。

鍵合性能良好的引線應(yīng)該具有合格的機(jī)械性能，因此對(duì)引線焊接過程和焊接結(jié)果的機(jī)械性能檢測(cè)是評(píng)價(jià)鍵合質(zhì)量的基本手段。在引線鍵合技術(shù)發(fā)展中，引線拉力測(cè)試和球剪切力測(cè)試雖然方法簡(jiǎn)單，但應(yīng)用最為廣泛，具有很好的適用性和統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)。振動(dòng)檢測(cè)中，超聲振動(dòng)檢測(cè)是焊接過程中實(shí)現(xiàn)焊接控制必不可少的環(huán)節(jié)。電磁振動(dòng)法、微機(jī)械沖擊法等雖然具有一定的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，但由于方法復(fù)雜等原因并未受到廣泛應(yīng)用。

3 電學(xué)參數(shù)檢測(cè)方法

電學(xué)檢測(cè)方法是建立引線或焊點(diǎn)質(zhì)量與電信號(hào)之間關(guān)系的檢測(cè)方法。

當(dāng)焊點(diǎn)內(nèi)部存在裂紋和空洞等問題時(shí)，焊點(diǎn)電阻、電感和電容等電學(xué)參數(shù)發(fā)生相應(yīng)改變。因此，可以通過測(cè)量焊點(diǎn)直流電阻或交流阻抗來進(jìn)行焊點(diǎn)的缺陷檢測(cè)。鍵合線高頻電參數(shù)分析是應(yīng)用于射頻芯片等傳輸和處理高頻信號(hào)芯片必要的檢測(cè)方法。該類檢測(cè)需要引線鍵合在經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的測(cè)試板上，通過高頻激勵(lì)信號(hào)測(cè)量鍵合線的單位長(zhǎng)度損耗和阻抗等參數(shù)。也可以通過高頻信號(hào)有限元仿真的方式對(duì)鍵合線進(jìn)行模擬分析。在半導(dǎo)體發(fā)光二極管中，還可以利用其p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)，采用交變光源照射待測(cè)LED芯片，在封裝的短路支架上激勵(lì)出光生短路電流；通過非接觸檢測(cè)支架回路中光生短路電流 I L1 的狀態(tài)對(duì)芯片質(zhì)量及芯片與支架之間焊接處的直流電阻值的變化做出判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的非接觸檢測(cè)。

當(dāng)出現(xiàn)焊點(diǎn)脫落、虛焊和斷線等問題時(shí)，可以直接進(jìn)行脫線故障檢測(cè)。附加獨(dú)立檢測(cè)電路的脫線檢測(cè)（lift-off detection）常用于重要功率型器件，為了保證器件故障發(fā)時(shí)診斷并及時(shí)對(duì)系統(tǒng)做保護(hù)而開發(fā)的焊點(diǎn)故障實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。

4 形貌特征檢測(cè)方法

機(jī)械參數(shù)或電參數(shù)都是用間接或整體性的特征參數(shù)對(duì)引線鍵合質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，有方便、易操作和易標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)點(diǎn)，但往往不足以對(duì)引起質(zhì)量差異的因素進(jìn)行確定和深入研究。因此直接對(duì)鍵合的局部或整體的形貌進(jìn)行成像檢測(cè)就顯得至關(guān)重要。

局部顯微成像是利用高倍率光學(xué)顯微鏡和掃面電子顯微鏡等通用的顯微設(shè)備，拍攝引線鍵合的局部特征，進(jìn)而分析鍵合質(zhì)量。整體成像檢測(cè)是鍵合質(zhì)量檢測(cè)方法中受到較多研究者關(guān)注的方法。隨著圖像采集和處理技術(shù)手段的快速發(fā)展，結(jié)合機(jī)器視覺的鍵合線圖像檢測(cè)法在工業(yè)中也得到了有效應(yīng)用。除了以可見光圖像或紅外圖像為基礎(chǔ)的檢測(cè)方法外，近年來還出現(xiàn)了電磁成像法、激光干涉成像法和渦流脈沖熱成像法等新的成像檢測(cè)手段。

4.1 局部形貌特征檢測(cè)方法

局部形貌特征直接反應(yīng)鍵合層厚度、鍵合層材料結(jié)合和鍵合點(diǎn)局部形貌等重要信息。局部形貌特征的檢測(cè)是通過顯微成像方法實(shí)現(xiàn)的，包含高倍率光學(xué)顯微鏡（Optical Microscope, OM）、掃描電子顯微鏡（scanning Electron Microscope, SEM）、透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope,TEM）、電子背景散射成像（Back-Scatter Electron image，BSE）和電子探針顯微分析（Electro-Probe Microanalyzer, EPMA）等，圖7分別為五種成像手段得到的典型結(jié)果。

顯微成像通常用于分析焊點(diǎn)的表面形貌、成型特點(diǎn)、研究新工藝或新材料下焊點(diǎn)的形成質(zhì)量。其中SEM使用最為廣泛。在進(jìn)行鍵合材料分析時(shí)，還可以結(jié)合X射線散射能譜儀（line-scan Energy Dispersive X-ray, EDX）、次級(jí)離子質(zhì)譜分析儀（Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy,Tof-SIMS），彈坑測(cè)試（Crater test） [41] 等材料分析手段進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4.2 整體形貌特征檢測(cè)方法

整體形貌特征可用于評(píng)價(jià)引線鍵合的塌陷和幾何參數(shù)不合格等問題。鍵合線的整體形貌特征檢測(cè)方法有光學(xué)成像法、X射線透射成像法和紅外熱成像法等。

X射線成像是利用不同材料對(duì)X射線的穿透能力不同實(shí)現(xiàn)成像的方法，它可以穿透封裝外殼，對(duì)完成封裝的完整芯片進(jìn)行成像，并分析內(nèi)部引線的鍵合情況，因此可以用于工作中損壞的芯片檢測(cè)。

紅外熱成像法通常用于大功率芯片的整體檢測(cè)，該方法可以通過熱量集中點(diǎn)位置的分析，實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)。

基于光學(xué)圖像傳感器的鍵合線整體形貌檢測(cè)，由于具有可以實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)化快速檢測(cè)的特點(diǎn)，且圖像傳感器和圖像處理技術(shù)發(fā)展迅速，因此受到了國內(nèi)外研究者的重視。對(duì)封裝中鍵合線的斷線、丟線、偏移、焊線長(zhǎng)度過短或過長(zhǎng)、下垂和觸碰等進(jìn)行整體成像檢測(cè)。隨著集成電路的復(fù)雜度和集成度的提高和對(duì)檢測(cè)速度要求的提高，近年來基于成像方法的鍵合線檢測(cè)研究主要集中在提高檢測(cè)效率和精度、適應(yīng)高密度或空間布局復(fù)雜的鍵合線檢測(cè)、優(yōu)化圖像質(zhì)量、提高特征提取準(zhǔn)確度和采用新的激勵(lì)源實(shí)現(xiàn)特殊成像。

在圖像處理和特征提取的算法優(yōu)化方面，1993年Wang Q.W.等人提出利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測(cè)鍵合線質(zhì)量。1994年Khotanzad A.等人通過優(yōu)化邊緣提取算法，通過二維圖像的分析實(shí)現(xiàn)了焊球形貌、焊球位置和焊線直線度等參數(shù)的分析。1996年，Rajeswari等人通過優(yōu)化圖像增強(qiáng)算法和改進(jìn)系統(tǒng)照明，設(shè)計(jì)完成了基于機(jī)器視覺的快速自動(dòng)焊線檢測(cè)系統(tǒng)。Kong F.Z.于2009年提出了利用小波算法實(shí)現(xiàn)低清晰度的芯片鍵合線圖像去噪和增強(qiáng)，該算法解決了邊緣圖形清晰度下降時(shí)依然保證高精度的鍵合線識(shí)別。2013年Kong F.Z.等人將SIFT-MIC算法減少運(yùn)算量，提高了提取鍵合線特征的效率。實(shí)驗(yàn)表明該方法具有對(duì)拍攝圖像角度和位置不敏感的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有很好的位置精度和測(cè)量效率。

在提升檢測(cè)效率方面，1992年Tsukahara H.等人為了提高鍵合檢測(cè)精度，在一套圖像采集系統(tǒng)中用兩種光源對(duì)焊球和鍵合線分別進(jìn)行圖像采集和處理，從而實(shí)現(xiàn)了±5 μm、0.2 s的鍵合線檢測(cè)。1999年Rajeswari等人通過系統(tǒng)分析認(rèn)為圖像采集部分是限制引線鍵合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)速度的瓶頸。為了實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)的檢測(cè)，提出了分步采集的方式，并設(shè)計(jì)了相關(guān)的算法流程，最終通過邊采集邊運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了單次檢測(cè)總時(shí)間0.22 s的實(shí)時(shí)檢測(cè)分析系統(tǒng)。2007年P(guān)erng D.B.等人利用熒光光源實(shí)現(xiàn)了焊線檢測(cè)中增強(qiáng)焊線在圖像中的對(duì)比度，增加了圖像識(shí)別的準(zhǔn)確性。并利用增強(qiáng)的焊線圖像結(jié)合數(shù)學(xué)建模，實(shí)現(xiàn)了單俯視圖識(shí)別焊線下垂。

在改進(jìn)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，1997年Liang MongKoh等人基于二維機(jī)器視覺提出了兩種精確測(cè)量焊球高度的方法，一種利用結(jié)構(gòu)光識(shí)別算法，另一種利用自動(dòng)聚焦過程處理。兩種算法的測(cè)量準(zhǔn)確度都可以達(dá)到±1 μm。2007年P(guān)erng D.B.等人利用LED搭建了用于鍵合線檢測(cè)的可調(diào)空間結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供可控的不同方向的光源，與成像系統(tǒng)配合可以實(shí)現(xiàn)二維或三維的芯片整體鍵合線檢測(cè)。

在解決空間復(fù)雜走線問題方面，1997年S.H. Ong等人提出利用單攝像頭多角度成像實(shí)現(xiàn)鍵合線的3維建模，并建立了相關(guān)的算法。2000年Q.Z. Ye等人單攝像頭旋轉(zhuǎn)芯片的方法，實(shí)現(xiàn)了鍵合線的3維建模，并通過模型分析和算法優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了運(yùn)算速度的提高。2010年Der-Baau Perng等人為了解決高密度多層鍵合線分析的困難，通過分別采集引線框、焊點(diǎn)位置和引線交錯(cuò)信息實(shí)現(xiàn)了高速自動(dòng)識(shí)別多層走線間的關(guān)系。

在新方法實(shí)現(xiàn)特殊成像方面，2011年WangX.Y.等人提出了以激光通過狹縫形成的干涉條紋作為光源，利用鍵合線對(duì)干涉條紋的擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)微鍵合線形貌的識(shí)別。2014年Kongjing Li等人提出的渦流脈沖熱成像法（eddy current pulsed thermography，ECPT）利用電磁感應(yīng)原理以脈沖式的渦流作為激勵(lì)源，并利用熱成像儀對(duì)被渦流加熱后的鍵合線進(jìn)行成像。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，針對(duì)普通成像無法檢測(cè)出的鍵合線部分?jǐn)嗔鸦蚝更c(diǎn)部分脫落等缺陷，該方法能夠進(jìn)行有效快速的檢測(cè)。2014年Dietachmayr F.W.等人針對(duì)大功率器件中為提高芯片長(zhǎng)期可靠性常用冗余焊接（多根焊線用于同一電通路）中，兩根或多跟焊接線中一根出現(xiàn)局部斷裂等缺陷時(shí)無法檢測(cè)的問題，基于法拉第效應(yīng)提出了鍵合線的電磁圖像法（magneto-optical imaging）。該方法也能解決其他情況下的焊接檢測(cè)問題。

5 檢測(cè)方法對(duì)比總結(jié)

本文對(duì)電子器件封裝中引線鍵合質(zhì)量的檢測(cè)方法進(jìn)行了詳細(xì)綜述。從應(yīng)用的角度出發(fā)，引線鍵合的檢測(cè)有抽檢和全檢。各種檢測(cè)方法及其特點(diǎn)對(duì)比見表1。

6 未來與展望

雖然引線鍵合技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，不斷提高和完善，但是在該技術(shù)領(lǐng)域依然存在巨大的發(fā)展空間和許多未解決的問題。

首先是采用銅和鋁等廉價(jià)引線材料替代金等傳統(tǒng)引線材料所產(chǎn)生的新問題。在銅線鍵合技術(shù)中，離子間化合物形成更為困難，鍵合層薄，因此容易形成不易檢測(cè)的缺陷焊點(diǎn)；銅鍵合線的硬度比金更大，又常應(yīng)用于大功率器件中，溫度造成的疲勞應(yīng)力問題更加顯著；另外由于銅的硬度高，造成適用于金線鍵合的檢測(cè)手段應(yīng)用于銅線鍵合時(shí)現(xiàn)象不同，例如球剪切力法中銅焊球會(huì)整體脫落而不是像金焊球一樣被部分撥出；銅鍵合時(shí)更大的壓力造成的焊盤變形容易引起局部裂縫；銅的抗腐蝕性和抗氧化性不如金。現(xiàn)有的檢測(cè)手段無法很好地解決這些問題。

其次是集成電路發(fā)展為鍵合技術(shù)提出新的要求。隨著芯片集成度的提高，對(duì)粗引線鍵合、單焊盤多焊點(diǎn)、微間距引線鍵合和空間立體走線的需求不斷加劇。針對(duì)傳統(tǒng)封裝形式設(shè)計(jì)的檢測(cè)手段難以滿足這些新的需求。

除了通常的集成電路芯片封裝之外，人們還將引線鍵合技術(shù)用于MEMS微傳感器、微型電感和微型彈簧等非傳統(tǒng)應(yīng)用中，這些非傳統(tǒng)應(yīng)用中的鍵合線通常不是標(biāo)準(zhǔn)形式，也需要針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行研究。

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審核編輯 黃宇