一种涂胶封装半导体绑定金线断裂失效原因分析及改善方法

甘声豹 苏华飞 宋建华

摘  要：在半导体封装工艺中，芯片键合是非常关键的一环，其中绑定是芯片键合的一种普遍方式，它用高纯度金线把芯片接口和基板接口键合，从而实现信号的传输和电气连接[1]。然而使用过程中绑定容易出现一些故障，金线断裂是绑定常见的故障原因之一。本文通过对一种PCBA上涂有防护胶的传感器进行不良解析，采用故障树梳理金线断裂的可能因素，结合CT扫描、金线断面SEM对比分析等方式，找出金线颈部断裂的根本原因并提出改善方法，为金线断裂分析提供了一种有效的解析方式。

关键词：涂胶封装；绑定金线断裂；故障树；CT扫描；SEM；对比分析

中图分类号：U463.46     文献标志码：A     文章编号：1005-2550（2024）02-0070-05

Failure Reason Analysis and Improvement Method of Bonding Gold Wire for a Semiconductor Encapsulated with Protective Adhesive

GAN Sheng-bao， SU Hua-fei， SONG Jian-hua

（ VOYAH Automobile Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430056， China）

Abstract： In semiconductor encapsulation technology， chip bonding is a crucial step， and bonding is a common method of chip bonding. It uses high-purity gold wire to bond the chip interface and substrate interface， thereby achieving signal transmission and electrical connection [1]. However， bonding is prone to some faults during use， and gold wire breakage is one of the common causes of bonding failures. This article analyzes the defects of a PCBA sensor coated with protective adhesive， uses a fault tree to sort out the possible factors of gold wire fracture， and combines CT scanning， and SEM comparative analysis of gold wire cross-section to identify the root cause of gold wire neck fracture and propose improvement methods， providing an effective analysis method for gold wire fracture analysis.

Key Words： Adhesive Encapsulated; Bonding Wire Breakage; Fault Tree; CT Scanning; Sem; Comparative Analysis

引    言

传感器是现代汽车重要的电子元器件，通过感知汽车实际情况，为车辆的控制提供关键信号。其中绑定作为传感器芯片封装中的重要过程，直接影响传感器的可靠性。

用户在使用过程中，传感器可能因为PCBA线路不良、元器件焊接不良、芯片失效、绑定金线断裂等原因引起故障，这需要质量分析工作者通过实验分析找出故障原因，针对原因做出改善，从而提高产品可靠性。某车型在路试检测时，行驶过程中出现转向无助力现象，读取整车故障码，显示当前故障为转向扭矩传感器通道A存在错误，经排查锁定直接原因是通道A ASIC芯片绑定金线断裂，引起输出电压超差，导致传感器A通道错误。为进一步分析金线断裂产生的根本原因，对PCBA进行溶胶，通过金线断面SEM对比分析，最后在传感器装配方式、金线拉力过程能力提升等方面提出改善，为解决同类问题提供思路和方法。

1    转向扭矩传感器制造工艺流程

转向扭矩传感器制造工艺流程如图1所示：

绑定是通过焊接方式将芯片引脚与PCBA引脚用金线连接的一种技术，如图2所示。常见的绑定金线封装工艺主要包括焊丝加热、焊丝放置、焊丝接触、焊丝连接和焊丝修剪等步骤。在这个过程中，需要保证绑定金线能够牢固连接，并提供良好的导电通路。

转向扭矩传感器制造过程中，绑定金线表层涂覆Coating胶、PCBA表层涂覆Potting胶用来防止振动、及异物污染，如图3所示：

2    传感器故障原因分析

2.1   故障原因确定

CT是一种利用精確准直的X线束、γ射线、超声波等，与灵敏度极高的探测器一同对被测物的某一部位作断面成像的扫描方式[2]。对故障传感器采用CT分析金线内部状态，由传感器制造工艺可知，金线和PCBA表层均覆盖防护胶，CT可有效观察到金线状态。分析发现#1、#2、#3点位金线颈部异常，如图4所示：

同时根据传感器故障FTA对其他可能因素如：PCBA制程异常、芯片异常、外围电路异常等逐项展开确认并逐一排除。最后确定传感器故障的根本原因是3根回路的绑定金线断裂。

2.2   金线断裂原因挖掘

对造成金线颈部断裂原因进行深入挖掘，采用故障树梳理所有可能因素：①二焊点温度、压力、功率、时间异常；②金线拉力小；③劈刀型号错误；④劈刀寿命超期；⑤劈刀磕伤；⑥Coating胶型号错误；⑦Coating胶流动性黏度过大；⑧Coating胶打胶量过大；⑨烘烤温度过高、时间过长；⑩烘烤过程受热不均匀；?劈刀触碰金线；?镊子触碰金线；?手、治具触碰金线；?传感器受外力冲击。基于故障树，对供应商进行现场审核并针对性逐一排查，排除①③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩???因素，锁定?传感器受外力冲击和②金线拉力小是该失效件金线颈部断裂的两个主要因素，如图6所示：

3    传感器受外力冲击因素解析确认

SEM是一种介于透射电子显微镜和光学显微镜之间的一种观察手段，其利用聚焦很窄的高能电子束来扫描樣品，通过光束与物质间的相互作用，来激发各种物理信息，对这些信息收集、放大、再成像以达到对物质微观形貌表征的目的[3]。为了确认金线断裂与传感器受外力冲击的关联性，对金线金线SEM分析其微观形貌。

3.1   模拟件金线断面SEM分析

金线直径为0.8mil，未查到如此小失效件SEM分析的参考资料，特制作绑定金线疲劳断裂和冲击断裂模拟[4]其微观差异，作为故障件形貌参考。模拟件#a、#b点位金线为疲劳断裂，#c点位金线为冲击断裂，对其进行SEM金线断面分析，如图7所示。

在SEM扫描下：当放大倍数为1K倍时，#a点位金线和#b点位金线断面呈现不规则形貌，#c点位金线断面呈现规则相貌；为更清晰区分两种断裂模式下金线断面形貌，将放大倍数增加到5K倍和10K倍，此时可以清晰的观察到#a点位金线和#b点位金线断面韧口明显卷曲，呈现疲劳断裂形貌，而#c点位金线断面韧口方向齐整，呈现冲击断裂形貌[5]。

3.2   失效件金线断面SEM分析

根据失效件CT结果，对绑定异常点位#1、#2、#3金线断面进行SEM分析。在0.9K倍SEM扫描下，三个点位金线断口均规则锋利；在被放大到2.5K和5K倍，观察其断面均呈现韧口方向齐整形貌，与模拟件的冲击断裂形貌一致，如图8所示：

由SEM对比分析，确认传感器受外力冲击是导致该失效件绑定金线颈部断裂的直接原因。转向扭矩传感器在运输和装配过程中需严禁非常规外力冲击：比如跌落、装配敲击等。

4    金线拉力小因素解析确认

外部冲击会导致传感器绑定金线断裂，金线自身强度也是影响其断裂的因素之一，而金线拉力是衡量金线质量的重要指标，绑定工艺如图9所示。

在相同金线线径条件下，金线焊接过程与金线拉力相关联因素有：线一焊点参数、线二焊点参数、劈刀寿命、弧高。其中，线一焊点为金线与芯片引脚间焊接点，线二焊点为金线与PCBA引脚间焊接点，劈刀为金线焊接工装，弧高为金线焊接完成后拱起高度。

对每种因素不同条件各测试20组金线拉力，取拉力平均值，对比同一因素下不同取值的金线拉力均值，如图10所示。

由实验可知，不同弧高会对金线拉力产生明显影响，金线弧高由104μm提高到293μm时，拉力平均值由6.58g提升到8.85g，通过提高金线弧高可以实现金线拉力的提升，如表1所示：

根据实验结果，供应商对金线弧高进行优化，改善前金线弧高为200μm，金线拉力过程能力Cpk=1.447；改善后金线弧高为240μm，金线拉力过程能力Cpk=2.293，如图11所示：

5    结语

通过高清CT和SEM确认了故障的根本原因是绑定金线断裂，可作为同类PCBA封装件失效原因分析的参考。

对线径只有0.8mil的金线断面分析中，采用对比分析方法，先通过模拟件明确疲劳断裂和冲击断裂呈现出的不同断面形貌，然后对失效件金线断面进行SEM扫描，最后和模拟件比对确认断裂类型。其分析方法和SEM形貌特征可作为其它类似项目上的参考。

本文还从金线自身强度提升着手，指出绑定过程中弧高与金线拉力的正向关系。有助于绑定过程改善。

参考文献：

[1]石磊，朱建新.半导体器件物理与工艺[M].机械工业出版社，2019.

[2]陈浩，江子涵.CT系统参数标定及成像研究[J].黑龙江科技信息，2021，006.

[3]孟庆新，李蓉.某车型发动机电子水泵卡簧失效原因分析[J].测试试验，2019，10.（119-121）.

[4]闫桂玲，王弘，高庆.超声疲劳试验方法及其应用[J].力学与实践，2004，26.

[5]刘柯军，邵亮.汽车零件失效分析[M].机械工业出版社，2022.