金丝引线键合失效的主要因素分析

常 亮，孙 彬，徐品烈，赵玉民，张彩山

( 中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

引线键合（Wire Bonding）是半导体封装中重要的工艺技术之一，目的是将金属引线的两端分别与芯片和管脚焊接从而形成电气连接。在键合过程中，引线在超声能量、压力或热量的共同作用下，与焊盘金属接触并发生原子间扩散而达到键合的目的。

金丝引线键合是引线键合工艺的一种，它是一种通过超声振动和键合力的共同作用，在基板加热或金丝加热的情况下，将金丝引线分别键合到芯片焊盘和基板引脚上，以实现芯片与基板电路间物理互连的方法。

金丝引线主要有两种引线键合技术，金丝球键合（ball bonding）和金丝楔形键合（wedge bonding）。两种引线键合技术的基本工艺步骤都包括：在芯片表面进行第一焊点焊接、形成连通两点的线弧、在引线框架或基板上形成第二焊点。其不同之处在于金丝球键合第一焊点在焊接前通过电子打火会形成一个焊球（free air ball-FAB），同时，由于金丝烧球后形状为圆型，具备多方向焊接的功能。因此，出现了更为灵活的压球键合和垫球键合的方法。

据统计，在半导体微电子封装中，半导体器件的失效约有1/4 至1/3 是由芯片互连引起。金丝引线键合导致的失效和可靠性降低，带来的损失远大于其工艺本身的损失。通过对金丝引线键合工艺失效模式的研究，分析影响金丝引线键合失效的各种因素，提出的解决措施有助于整个封装工艺的质量提升、生产效率提高和产品成本降低。

1 引线键合的工艺

引线键合根据其工艺特点分为超声键合、热压键合和热超声键合三种。超声键合是指超声波通过楔型劈刀Wedge 引导金属线使其压紧在金属焊盘上，再由换能器输入一定频率、一定振幅并平行于接触平面的超声波脉冲，使劈刀发生水平方向的弹性振动。同时再施加向下的压力，使得劈刀在这两种力作用下带动引线在焊盘金属表面迅速摩擦，引线受能量作用发生塑性变形从而完成焊接。由于超声键合的劈刀采用楔型劈刀且无需加热，采用的金属丝一般是较易发生塑性变形的硅铝丝，所以这种键合又称为铝丝楔焊。

热压键合是指金属线通过预热至300～400 ℃的氧化铝或碳化钨等耐火材料所制成的空心圆管状劈刀，再以电火花或氢焰将金属线烧熔并利用熔融金属的表面张力效应在金属线的末端形成球状，键合头再将金属球下压至已预热至150～250 ℃的第一金属焊盘上进行球形结合（Ball Bond）的一种键合方式。这种键合方式利用热能使金属软化，同时通过较大的压力以形成金线与焊盘间的紧密连接，但不涉及超声波能量，所以又称之为热压球键合。

热超声键合是超声键合和热压键合结合后的一种混合键合方法，其工艺方法更加多样，它可以使用球焊劈刀也可以使用楔焊劈刀，同时加热的方式也可以采用劈刀加热或基板加热。热超声键合所用的导电丝主要有金丝和铜丝，目前使用最多的是金丝。键合金丝一般采用纯度为99.99%、线径为18～50 μm 的高纯度合金金丝。由于金丝具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，广泛用于小功率器件和集成电路封装。

由于热超声键合具备诸多优势，目前已基本取代了超声键合和热压键合，成为引线键合的主流键合工艺，目前市场约占90%。根据市场对产品键合的不同要求，又将热超声键合工艺细分为金丝球键合工艺和金丝楔焊键合工艺两种。

1.1 金丝球键合工艺过程

金丝球键合是将金丝通过过线管和线夹再穿入键合机毛细管劈刀（球焊劈刀）并到达其顶部（通过送线机构预留一定长度的线尾），利用键合机负电子高压打火（-3600 V 或-4500 V）击穿空气并产生电火花以融化线尾，在表面张力作用下形成标准的球形（球直径一般为线径的2～4 倍）。紧接着下降劈刀搜索焊点，在适当的压力和超声时间内将金球压在电极或芯片上，完成第一焊点的键合。然后劈刀拉弧线后运动到第二焊点焊盘位置下压，通过球焊劈刀的外壁对金线施加压力完成第二焊点，之后扯线使金线断裂，劈刀通过线夹送出尾线并提升至打火位置，再次打火成球并形成键合循环的工艺过程，如图1 所示。

图1 金丝球焊键合工艺流程图

1.2 金丝楔焊键合工艺过程

金丝楔焊的键合工艺首先是将金丝通过过线管和线夹再穿入键合机楔焊劈刀并到达其顶部（预留的线尾长度一般为1～2 mm）。然后劈刀下降到第一键合点，键合机探测到劈刀与压焊面的接触后启动超声波换能器，根据参数设定的超声功率和压力以及超声波发生的时间，对第一键合点进行键合。第一焊点键合完成后，键合头抬起并将劈刀上升到键合线弧的顶端进行拉弧（在劈刀上升和下降过程中线夹处于打开状态）。拉弧结束后，劈刀下降，从劈刀中伸出的引线首先接触到压焊面。当劈刀继续向下移动时，键合压力进行反馈，超声波换能器作用并形成第二压焊点。二焊完成后，线夹关闭并扯断金线，之后线夹送线，劈刀从压焊面上升到适当的高度，按照可调的送线线长和时间间隙留出尾丝，并循环进行第二次键合，如图2 所示。

图2 金丝楔焊键合工艺流程图

2 金丝引线键合失效的主要因素

2.1 弹坑现象

焊盘产生弹坑(Cratering)是超声键合中常见的一种缺陷，指对焊盘金属化层下面的半导体材料层造成的破坏，由于破坏集中于一点，形成弹坑形状，故称为弹坑现象。这种现象会降低器件的性能并引发电损伤，其产生的原因主要为：

（1）超声波能量过高导致SI 晶格错层。由于金丝键合属于热超声键合工艺，在键合过程中需要施加超声波能量，过大的超声波能量会穿透金属层进而造成底层SI 晶格沿水平方向横向错位，导致电性能损伤，造成器件失效。

（2）键合压力过高导致底层材料破损。键合过程中的压力是瞬时施加的，在极短的时间内施加的压力较高则会造成金属层极大的变形，同时竖直向下的压力会造成底层材料的破碎，进而形成弹坑现象。

（3）线尾过短导致球焊烧球过小。过小的金球在键合过程中缩回球焊劈刀中，导致劈刀代替金球下压，从而由劈刀外壁对底层材料造成了破坏。

（4）焊盘金属厚度过薄。焊盘金属一般和金线的硬度要匹配，匹配好的焊盘金属需要控制镀层的厚度，根据失效实验数据比较，0.6 μm 以下厚度的焊盘在进行键合时，由于焊盘金属与金线共同塑性变形，其应变力无法满足键合要求，因此造成底层材料损坏，形成弹坑。

2.2 键合点开裂和翘起

通常发生于金丝楔焊的第一点和金丝球键合的第二点，键合点开裂一般称为烂点，键合点翘起则称为虚焊。这两种现象都会引起器件的电性能降低或丧失，通过分析，其产生的原因为：

（1）金丝楔焊的第一点开裂主要是由于超声能量过大或键合压力过大造成的，较大的能量瞬间施加于金丝上，超过了金丝本身能够承受的塑性变形，造成烂点现象。金丝球焊的第二点翘起则主要是由于超声能量过小或键合压力过小造成的，因为劈刀施加的能量过小，第二焊点未完全完成塑性变形，导致焊点与焊盘间的金属结合能力不足，同时由于键合机扯线的动作会造成第二点翘起。

（2）键合劈刀由于长时间磨损，造成劈刀的机械形状发生改变，这导致劈刀在相同能量的情况下产生的焊点变形不同，进而造成键合点开裂和翘起。

（3）金线的氧化和焊盘腐蚀会造成相关失效。金线长时间暴露在空气中会被氧化，同样，焊盘在含水分子和污染物的环境中也会被腐蚀，使金线或焊盘表面金属发生化学性质改变，进而造成材料塑性变形，键合时在相同的参数条件下产生不同的失效。

2.3 键合尾丝不一致

在理想的状态下，键合过程中每一次送线的尾丝都能够保持一致，但实际工艺控制很难。如果尾丝太短，作用在第一键合点上的力分布在一个很小的范围内，这将导致过量变形。而尾丝太长则会使球焊的烧球过大、楔焊的第一焊点尾丝过长，导致焊盘间短路。

导致尾丝不一致的因素有：

（1）引线表面脏污，当脏污的金线通过毛细管劈刀或楔焊劈刀时，脏污会粘在劈刀口，导致线夹送线不顺畅，向下送出的尾丝力不一致，从而导致每次送线尾丝长短不一致；

（2）线夹的间隙不正确，线夹间隙较窄会对金线造成损伤，导致金线被“夹扁”，造成金线从劈刀口送线困难，而线夹间隙较大则造成夹线松，会出现送线时长时短、尾丝长短不一致；

（3）送线通道的角度偏移，因为金线本身较为柔软，送线通道角度偏移则会导致金线在送线管道内“打弯”，这样在送线过程中，金线的伸缩时长时短，造成每一次键合尾丝不一致；

（4）劈刀长时间使用，金属残留也会造成劈刀过线孔逐渐减小，当累积到一定程度后同样也会造成金线送线困难，造成尾丝不一致。

2.4 引线根部裂纹或变形

根部裂纹或变形的现象是引线键合点弯曲疲劳，多出现于金丝楔焊的第一焊点，如图3 所示。这种失效在器件振动或超声波清洗后会发生键合点脱落的现象，造成较大的损失，其主要原因有三点：

图3 键合点根部变形

（1）键合操作中的机械疲劳，当第一焊点焊接完成后进行拉弧操作时，由于弧线高度或长度参数设置错误或人为的原因造成金线折弯成较大的角度，而当继续拉弧时，由于第一焊点根部已经受到机械疲劳的影响进而产生根部裂纹，如图4 所示；

（2）温度循环导致的热应力疲劳，由于劈刀加热的影响，金线在焊接前即进行加热，由此产生软化效应，这能够降低金丝键合的难度，但同时过高的问题也会导致热应力疲劳，在进行拉弧的时候可能会产生根部断裂的情况；

（3）弯曲半径较小产生的弯曲断裂，引线闭环情况下产生的拉弧高度对引线根部有重要影响，当引线键合的拉弧高度≤键合点间距的25%时容易产生引线的根部裂纹。

2.5 键合点脱键

在自动引线键合过程中，半导体器件的键合点脱键是较为常见的失效模式。这种失效采用常规筛选和测试的方法很难剔除，只有在强烈振动下才能暴露出来，因此对半导体器件的可靠性危害极大，可能造成键合点脱落的因素主要有：

（1）芯片键合区域的污染或胶质残留可形成钝化绝缘层，管壳的镀金层质量不高会造成表面疏松、起皮等现象，在含有水汽、氧、氯等气体的环境中，金属会被氧化、硫化生成绝缘夹层，造成键合时键合点脱键；

（2）金属化层缺陷，当芯片金属化层过薄，使得键合时无缓冲作用，从而在键合处形成缺陷，导致芯片金属化层粘附不牢，产生键合点脱键；

（3）材料间热应力、机械应力和超声应力等接触应力不当，应力过小会产生键合点脱键。

3 改进方法

金丝引线键合失效的原因很多，针对具体问题提出了相应的改进方法。

3.1 弹坑现象的改善

弹坑主要是由于超声波能量或键合压力过大、尾丝过短以及焊盘金属层与金线硬度匹配不当产生的。通过对产生弹坑的原因分析，提出了相应的改进方法。

（1）通过工艺参数调整对键合超声能量和键合压力进行控制。通过键合点形状的管控消除弹坑，完整的金丝球键合成球大小为线径的2.5～3.5 倍，键合后第一焊点球径要求饱满，显微镜观察压球厚度约为线径的1.5～2 倍。第二焊点月牙形状饱满，大小约为线径的2.5～3 倍，可以有轻微压圈但不能太深，键合点形状如图5、图6 所示。

图5 金丝球键合第一焊点

图6 金丝球键合第二焊点

（2）尾丝过短则需要调整键合头上的送线线夹。首先用酒精清洗线夹，避免线夹上的脏污；其次，保证线夹的夹缝中心与劈刀孔中心垂直，保证送线过程不受到外界力的干扰；最后，对劈刀进行超声波清洗，保证劈刀内孔无脏污，出线顺畅。

（3）焊盘金属层与金线的匹配。主要通过设计改变，金线的莫氏硬度约为2.5～3，要求相应焊盘的金属硬度也要与金线基本一致，过软则容易被击穿容易形成弹坑。

3.2 键合点开裂和翘起的改善方法

通过现象分析表明，引起此类现象的原因主要有键合能量过大、劈刀磨损以及金线和焊盘氧化造成的，对此提出了相应的解决办法。

（1）键合能量过大或过小造成金属变形过大或过小，通过改变键合工艺参数予以调整。一般来说，通过调整键合压力、键合时间和超声波功率满足工艺要求，结合显微镜观察，可有效地控制键合丝的变形，进而解决相关的开裂和翘起。

（2）劈刀磨损需更换；为避免金线和焊盘的氧化需对其无氧存放，一般的做法是将金线和器件存放在高浓度氮气柜内，取出后尽快使用，不用时入柜继续无氧存放。

3.3 键合尾丝不一致

键合尾丝不一致的问题通过分析是由于送线路径导致的，可以通过调整送线路径的角度减少金丝在送线过程中受到的外力影响，同时对送线路径、线夹以及劈刀进行清洗，保证金线在通过劈刀孔的整个过程不会受到污染。另外，由于线夹对送线影响较大，需要细致地对线夹进行调整，通过调整线夹的缝隙宽度、线夹的弹簧力大小保证送线过程平滑，不会受到多余外力影响。

3.4 引线根部断裂

引线根部断裂的改进方法有：

（1）通过调整全自动键合机键合程序中拉弧的参数，提高第一点焊接后的拉弧高度，同时降低劈刀的横移参数，改善拉弧过程对引线根部的受力，从而降低引线根部断裂的风险；

（2）温度循环导致的热应力疲劳，由于劈刀加热丝圆径较小，对劈刀内金丝的加热温度过高容易导致此类问题，解决办法是降低劈刀加热的功率，使劈刀加热的温度不会造成金丝的热应力疲劳现象，从而降低根部断裂；

（3）键合点间距过小时，要提高键合点的拉弧高度，保证拉弧高度≥25%的键合间距，从而减小金丝根部的应力，减小根部断裂的失效。

3.5 键合点脱键

减少键合点脱键。首先需要对键合环境进行确认，因为键合过程需要减少污染，需要对键合区域的残胶进行清理，同时需要减少键合区域的氧化，平时保管也很重要；另外，对于金属化层的缺陷，需要在键合的前道工序进行反复检验，保证金属化层能够满足键合需求；最后，对键合力进行确认，通过键合点形状的变化，判断键合力的大小，调节参数，满足键合点的形状要求，降低键合点脱键的风险。

4 结束语

金丝引线键合在半导体行业的应用极其广泛。作为目前半导体封装内部连接的主流方式，引线键合技术不断改进适应了各种半导体封装新工艺和新材料的挑战。本文主要针对金丝引线键合失效的主要因素进行分析，介绍了金丝键合技术的基本原理和工艺过程，并通过对引起金丝引线键合失效的原因进行了详细分析，提出了改进金丝引线键合失效的解决办法。