在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，隨著電子設(shè)備向更高性能、更小尺寸和更輕重量的方向發(fā)展，封裝技術(shù)的重要性日益凸顯。金線球焊鍵合工藝，作為連接芯片與引線框架的橋梁，對(duì)于確保集成電路的電氣性能和機(jī)械穩(wěn)定性至關(guān)重要。這種工藝不僅關(guān)系到產(chǎn)品的即時(shí)性能，更直接影響到產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性和耐用性。因此，對(duì)金線球焊鍵合工藝及其可靠性進(jìn)行深入分析，對(duì)于推動(dòng)封裝技術(shù)的進(jìn)步和提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。
本文科準(zhǔn)測(cè)控小編將對(duì)金線球焊鍵合工藝進(jìn)行詳盡的探討，從工藝的基本原理到實(shí)際操作，再到可靠性的評(píng)估。我們將分析金線球焊相較于其他鍵合技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，探討其在現(xiàn)代封裝技術(shù)中的應(yīng)用，以及如何通過工藝優(yōu)化來提升鍵合的質(zhì)量和可靠性。
一、工作原理
球焊鍵合技術(shù)的核心在于利用熱能、壓力以及超聲能量來實(shí)現(xiàn)芯片與基板間的連接。這一過程涉及到壓電換能器的驅(qū)動(dòng)，它將超聲功率轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，并通過換能桿將這些振動(dòng)放大，最終通過劈刀傳遞到鍵合點(diǎn)。在鍵合過程中，金絲被用來實(shí)現(xiàn)芯片與基板的電氣及機(jī)械連接。為了促進(jìn)這一連接，需要提供額外的熱能，其作用是激發(fā)材料的能級(jí)，從而促進(jìn)兩種金屬之間的有效結(jié)合，以及金屬間化合物(IMC)的擴(kuò)散與形成。
基本的球型焊接工藝包括以下幾個(gè)步驟如圖1所示[1]：在球型焊接開始前，焊頭在打火的位置高度并移動(dòng)到第一焊接點(diǎn)的位置（A）；焊頭接著下降到搜索高度，第一焊接點(diǎn)通過熱和超聲能量在芯片焊盤形成一個(gè)共晶金屬球（B）；之后焊頭上升到反向高度，移動(dòng)一段反向距離（C）；劈刀升高到線弧的頂端并移動(dòng)形成所需要的線弧形式（D）。焊頭移動(dòng)到第二焊點(diǎn)搜索高度，以第二焊點(diǎn)的參數(shù)接觸金屬基板（E）；焊頭上升到尾系長(zhǎng)度（Tail Length），線夾關(guān)閉拉斷尾線（F）；焊球到達(dá)燒球高度，電子打火形成對(duì)稱的金球（G）。
二、可靠性分析（檢測(cè)方法）
1、金線拉力
金線拉力測(cè)試是一種用于評(píng)估金線球焊連接可靠性的破壞性檢驗(yàn)方法。該方法通過測(cè)量金線在斷裂前能承受的最大拉力，來確定連接的強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果會(huì)受到金線材料、測(cè)試點(diǎn)位置以及鍵合弧形態(tài)的不同而有所變化。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，通常將推拉力設(shè)備的應(yīng)用點(diǎn)設(shè)置在金線長(zhǎng)度的中點(diǎn)，即金線長(zhǎng)度的一半位置，以此來獲取測(cè)試數(shù)據(jù)。這種方法能夠揭示金線連接中最脆弱的斷裂點(diǎn)。如下圖所示：
如需要得到更準(zhǔn)確的第一焊點(diǎn)或者第二焊點(diǎn)拉力，可以將測(cè)試桿放在接近第一焊點(diǎn)的頸部或第二焊點(diǎn)的線尾處如圖6所示[3]。
2、焊球剪切力測(cè)試
金線球焊剪切力測(cè)試是一種用于評(píng)估半導(dǎo)體封裝中金線焊點(diǎn)強(qiáng)度的測(cè)試方法。該測(cè)試是生產(chǎn)過程中監(jiān)控生產(chǎn)能力和穩(wěn)定性的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)之一，通常作為統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC）測(cè)試中的重要組成部分。測(cè)試過程中，使用推拉力設(shè)備對(duì)金線鍵合的第一焊點(diǎn)或第二焊點(diǎn)施加推力，通過觀察焊球被推落后的表面狀態(tài)，可以判斷金球失效的模式。具體的金球失效模式包括：
1、Ball lift：推球后，焊區(qū)金屬層上殘留的金線小于或等于25%，表明金球與焊區(qū)金屬層的連接不夠牢固。
2、Ball shear：推球后，焊區(qū)金屬層上殘留的金線大于或等于25%，這通常意味著金球與焊區(qū)金屬層之間存在較強(qiáng)的連接。
3、Pad metal lift：焊區(qū)金屬層與芯片基底分離，金球上粘附有焊區(qū)金屬，表明焊區(qū)金屬層與芯片基底的連接強(qiáng)度不足。
4、Cratering：芯片基底的硅層或氧化層部分損壞或脫落，這可能是由于剪切力過大或材料本身的脆弱性造成的。
在進(jìn)行剪切力測(cè)試時(shí)，通常會(huì)將推拉力設(shè)備的測(cè)試桿放置在金線長(zhǎng)度的中點(diǎn)位置，以獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。通過這種測(cè)試，可以有效地監(jiān)控和保證金線球焊的可靠性，確保半導(dǎo)體封裝的質(zhì)量和性能。
三、常用檢測(cè)設(shè)備
1、 Beta S100 推拉力測(cè)試機(jī)
1）設(shè)備概述
a、多功能焊接強(qiáng)度測(cè)試儀是一種專為微電子領(lǐng)域設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)測(cè)試設(shè)備，用于評(píng)估引線鍵合后的焊接強(qiáng)度、焊點(diǎn)與基板的粘接強(qiáng)度以及進(jìn)行失效分析。該儀器能夠執(zhí)行多種測(cè)試，如晶片推力測(cè)試、金球推力測(cè)試和金線拉力測(cè)試，配備有高速力值采集系統(tǒng)，以確保測(cè)試的精確性。
b、用戶可以根據(jù)具體的測(cè)試需求更換相應(yīng)的測(cè)試模塊，系統(tǒng)將自動(dòng)識(shí)別并調(diào)整到合適的量程。這種靈活性使得設(shè)備能夠適應(yīng)不同產(chǎn)品的測(cè)試需求。每個(gè)測(cè)試工位都設(shè)有獨(dú)立安全高度和速度限制，以防止因誤操作而損壞測(cè)試探頭。該系統(tǒng)以快速、精確和廣泛的適用性為特點(diǎn)。
c、該測(cè)試儀廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路封裝測(cè)試、LED封裝測(cè)試、光電器件封裝測(cè)試、PCBA電子組裝測(cè)試，以及汽車電子、航空航天和軍事等領(lǐng)域。同時(shí)，它也適用于電子分析和研究單位進(jìn)行失效分析，以及教育機(jī)構(gòu)的教學(xué)和研究活動(dòng)。
2）設(shè)備特點(diǎn)
3) 試驗(yàn)流程
步驟1、模塊簡(jiǎn)介與準(zhǔn)備：
檢查測(cè)試機(jī)和模塊，確保所有設(shè)備均已校準(zhǔn)并處于良好的工作狀態(tài)。
步驟2、模塊安裝
將測(cè)試模塊插入機(jī)器的安裝位置，接通電氣供應(yīng)。
系統(tǒng)顯示模塊的初始化界面并初始化測(cè)試模塊。
模塊初始化結(jié)束后，界面消失，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。
步驟3、壓縮空氣檢查
確保壓縮空氣的氣壓在0.4-0.6MPA之間。
檢查減壓閥設(shè)定是否正常，避免氣壓過低、過高、水分過多或供應(yīng)斷斷續(xù)續(xù)。
步驟4、測(cè)試推刀(或鉤針安裝
安裝專用的測(cè)試用推刀（鉤針）。
選擇適合用戶測(cè)試用的推刀型號(hào)，并與銷售商聯(lián)系確認(rèn)。
將推刀（鉤針）推入安裝孔，對(duì)正位置，并用固定螺絲鎖緊。
步驟5、夾具固定
將相關(guān)夾具沿卡口卡入試驗(yàn)臺(tái)，并順時(shí)針鎖緊固定螺絲。
步驟6、設(shè)定測(cè)試參數(shù)
在軟件的測(cè)試方法界面中設(shè)置測(cè)試參數(shù)。
輸入新的測(cè)試方法名稱，選擇相應(yīng)的傳感器。
設(shè)置測(cè)試速度、合格力值、剪切高度和著落速度。
所有參數(shù)設(shè)定好后，點(diǎn)擊保存以生效。
步驟7、測(cè)試過程
在顯微鏡下觀察測(cè)試動(dòng)作，確保試樣固定好。
將測(cè)試推刀（鉤針）擺放于被測(cè)試樣品的后上方，啟動(dòng)測(cè)試。
觀察測(cè)試動(dòng)作，如有任何不合適的情況，可終止測(cè)試。
測(cè)試完成后，結(jié)果將顯示在軟件的測(cè)試結(jié)果界面中。
步驟8、測(cè)試結(jié)果觀察
觀察產(chǎn)品破壞情況，進(jìn)行失效分析。
如需多次試驗(yàn)，重新調(diào)整產(chǎn)品及推刀位置后，可再次開始試驗(yàn)。
步驟9、數(shù)據(jù)保存
試驗(yàn)結(jié)束后，點(diǎn)擊“新的測(cè)試"提示保存測(cè)試結(jié)果。
點(diǎn)擊“確定"保存數(shù)據(jù)。
步驟10、測(cè)試報(bào)告編制
根據(jù)測(cè)試結(jié)果編制測(cè)試報(bào)告，包括測(cè)試條件、測(cè)試結(jié)果、數(shù)據(jù)分析和結(jié)論。
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