随着稠浊电路和功率半导体器件在军事和商业上的广泛运用，对器件键合系统的可靠性哀求也更加苛刻。半导体功率器件和电子元器件产品的引线键合失落效是半导体分离器件、稠浊集成电路等常见的失落效模式。因此、急迫哀求我们剖析影响键合铝线键合强度的成分，并且根据实际生产中碰着的问题进行失落效剖析。
2 影响粗铝线键合失落效的成分及失落效剖析
超声波键合的事理是压电陶瓷将超声发生器产生的高频正弦功率旗子暗记转变成机器振动，振动经传输放大并汇聚后浸染在键合界面上，在机器能和键协力的浸染下，劈刀中的铝线与界面发生摩擦，去除沾污并且将界面氧化膜破碎，纯净的金属表面原子在温升及高频振动下变为激活状态，当共价键的金属原子靠近到纳米级的间隔时，就有可能通过共用电子形成原子间的电子桥。
键合界面材料行为剖析：第一阶段，超声能量匆匆使铝线软化变形。第二阶段，超声波通过铝线传到键合界面，这一波的形式是一种与脉冲方向垂直的对键合表面的周期性切入的行为。
2.1 键合区域表面有污染或氧化
DBC 表面的污染和毁坏，如图 1，焊锡铺展到键合区域，铝线无法键合，就算是能够键合上，键合强度也很低。如图 2，键合区域表面有油污，铝线无法键合，涌现跳点。
2.2 键合参数设置不当引起的键合失落效
2.2.1 超声功率与键合压力
键合功率影响劈刀水平方向震撼的频率和幅度，当键合压力和键合时间一定时，功率越小，劈刀的振幅越小。为键合供应的能量也小，键合质量不足好，如果功率过大，铝线会丢失，影响键合质量，功率也是一个逐渐增加的一个量。
空想的键合压力该当使劈刀的横向振动最大限度的通报到界面，当功率及键合时间一定时，压力过小，铝线与界面之间摩擦不足，表面氧化层难以去除，并且塑性形变也不足，焊接不牢，有时还会造成劈刀与铝线的粘连，造成刀脏的快。如果压力过大，铝丝形变大，铝线受损，造成键合质量不高，这里特殊要把稳爬坡韶光。
压力的施加是一个逐渐增加的一个过程，随着压力的增加，铝线与打仗面之间逐渐紧密，更多的氧化层被去除，随着压力连续升高，能量能更好的在铝线及打仗面见通报，键合质量上升，但当压力超过最佳点时，过大的能量通报会造成键合点裂纹或者是抗疲倦程度降落。
超声功率对键合质量和外不雅观影响最大，由于它对键合的变形起主导浸染。过小的功率会导致过窄、未成形的键合或尾丝翘起；过大的功率导致根部断裂、键合塌陷或焊盘分裂。研究创造超声波的水平振动是导致焊盘分裂的最大缘故原由。超声功率和键协力是相互关联的参数。增大超声功率常日须要增大键协力使超声能量通过键合工具更多的通报到键合点处，但过大的键协力会阻碍键合工具的运动，抑制超声能量的传导，导致污染物和氧化物被推到了键合区域的中央，形成中央未键合区域。
图 3 和图 4 是由于键合参数 Power 和 Force 过大引起的键合不良。
2.2.2 键合时间
键合时间也是决定能量的一个主要参数，在功率和压力一定的情形下，如果键合时间长，引起过分的摩擦，键合不牢，而且过多能量集中在铝线上，造成铝线本身受损；如果韶光过短，供应的能量不足，键合点当然就不足稳定。
短的键合时间条件下紧张键合失落效形式为剥离和无粘连，紧张是由于键合界面原子扩散不足；大超声功率长键合时间条件下的键合失落效形式多为根切，表明键合界面原子扩散虽然足够，但是永劫光的超声振动会导致粗铝线产生疲倦断裂，形成过键合。一样平常来说，键合时间越长，引线接管的能量越多，键合点的直径就越大，界面强度增加而颈部强度降落。但是过长的韶光，会使键合点尺寸过大，超出焊盘边界并且导致空洞天生概率增大，温度升高会使颈部区域发生再结晶，导致颈部强度降落，增大了颈部断裂的可能。
图 5 是由于键合参数 Time 过长引起的键合不良。
综上，目测法可以在显微镜下进行，不雅观察键合点是否完备键合、颈部是否断裂、根部是否脱落。效果良好的键合点的形状，W表示键合点宽度，L 表示键合点长度，D 表示线径。一样平常情形下，1.2D≤W≤3.0D ，1.5D≤L≤5.0D ；否则，该当检讨键合功率是否得当。
在推力毁坏性测试中，须要把稳推刀的剪切高度。从推刀打仗到键合点时开始，键合点即发生形变，所受到的推力近似线性地增大；当形变达到最大时，推力也达到最大；随后键合点被推动，推力迅速从最大值减小到零。
在拉力毁坏性测试中，一样平常哀求测试点在焊线的中点位置。须要把稳的是，为避免因拉勾过细而导致引线割断的发生，拉勾的直径应设置为线径的 3 倍以上。
2.3 键合线弧度、高度不合理导致键合失落效及失落效剖析
端子上的键合线弧度不许可过低（如拉成直线），否则随意马虎造成处于端子边缘上的引线在温循过程中端子对键合线产生类似切割行为，导致键合线断裂。如图 6 所示，铝线弧度过低温循过程中端子边缘铝线断裂。
从图 6 看出，端子上由于键合弧度过低导致了铝线颈部断裂，断裂位于键合区域与非键合区域过渡部位，即键合劈刀后端与铝丝打仗部位，而断口恰好与劈刀后端压痕同等，这是由于端子的边缘温循过程中残余应力大，应力集中系数高，键合后还可能存在机器损伤，当热应力使铝丝受到竖直方向的拉应力时，此区域就发生剪切毁坏，以是导致了铝线颈部断裂失落效。
综合上述剖析，在可靠性测试中，封装内部由于弧度设置不当过低，产生热循环应力，铝丝根部力学性能由于应力集中和微裂纹而严重恶化，在循环应力浸染下，微裂纹迅速扩展，末了导致铝丝断裂失落效。以是，在键合过程中，键合线弧度的设定要知足铝线间隔键合面边缘的高度至少要 2 倍线径。
键合线高度掌握，如图 7 所示：间隔芯片和 DBC 边缘的高度至少知足两倍线径，端子上线弧高度不得高于灌胶的最高位置。
2.4 键合空刀导致芯片键合失落效及失落效剖析
键合过程中，如果空刀发生在 IGBT 或者 FRD 等芯片上，就会导致芯片击穿破坏，全体模块就报废，以是只管即便要避免空刀的涌现，这样就要剖析产生空刀的缘故原由。
失落效缘故原由 1：如图 8，导向器破损严重时，劈刀与导向器凹槽间隔变大，线头易从劈刀口脱出，导致空刀。
失落效缘故原由 2：如图 9，当键合点下有异物时，键合点非常不牢，在退刀将线拉断过程中点会脱落，在脱落过程中焊点与扯断方向不再平行，使线头跑出劈刀槽，造成空刀。异物包含：助焊剂、锡膏、DBC 氧化物及其他不明异物。
失落效缘故原由 3：人为成分，在补线过程中，对前一根线的末了一个点进行 bond 后，忘却将线头扯出，而下一根补线产品需重新打线时会造成空刀。其余，线尾过长，导致扯线间隔变小，造成下一个点的空刀。
在补线过程中或者在选择剩余键合线的过程中，选中了已经键合的线，相称于在原有的铝线上重新键合一根铝线，这样子上面的铝线就会被完备割断，这样劈刀下面就不会有线头，下一根线就会空刀，造成键合失落效。
在切线时，切线位置的后方有铝线，间隔太近，切完线后没有线头，键合下一根线的时候就会空刀，造成失落效。
失落效缘故原由 4：设备成分，切深不稳定，导致有的线被直接割断，下一个键合线第一点便会空刀。刀头旋转过快，当旋转角度过大时线头易被甩出，使键合点歪斜乃至空刀，通过调节旋转加速度可办理，但会降落生产速率，因此在编程中只管即便避免旋转角度过大的点涌现，使其小于 180 是安全的。角度自动优化，机器会对角度进行优化，程序运行多次是正常的，可是会涌现溘然旋转 360 的征象，也会导致空刀，此缘故原由导致的空刀极少。
失落效缘故原由5：键合铝线成分，铝线即将利用完毕，线紧造成空刀。铝线打结，线紧空刀。喂线器灵敏度降落，线紧空刀。
失落效缘故原由 6：程序缘故原由，自动键合时 PR 探求缺点，缺点的缘故原由基本是找到了锡膏或助焊剂。其余，便是补线时 PR 探求缺点，由于原产品上已经有了键合线，探求 PR 时会探求缺点，这种情形修正 PR 都可以办理。
2.5 劈刀洗濯不干净导致芯片键合失落效及失落效剖析
本公司通过剖析一个型号为 1200V-600A 的 E 模块的个中一颗芯片的门极短路失落效。通过 SEM 与 EDS 等剖析手段找出了失落效缘故原由：芯片失落效是由于键合铝线的一小部分穿透毁坏了芯片表面的层间介质导致的门极短路失落效。
SEM 中可以看到芯片表面有破损并且有异物。通过对这一异物的 EDS 身分剖析可以得到，这一异物身分为 Al、Si、Mg 并且氧含量很高，而选取的完全的芯片表面EDS身分剖析，只含有Al元素。这就可以解释，键合区域的芯片表面已经毁坏，从身分和含量上推断出这个异物为键合线的一小部分。
从上面的剖析结果已经可以得出芯片键合失落效的缘故原由：劈刀洗濯不干净，劈刀口有键合铝线小部分的残留或者是在永劫光键合过程中粘连了一小部分键合铝线，伴随着超声能量的振动终极脱落划伤芯片，并且在劈刀 force 的浸染下注射到芯片内部，导致了芯片的 ILD 的破损，终极导致了芯片失落效门极短路失落效。
改进方法：制订劈刀洗濯规范，定期洗濯劈刀，劈刀经由一段韶光的利用后，底部随意马虎粘上铝，会影响键合的质量和产品良率。劈刀的洗濯方法：将劈刀放在超声波洗濯机中，洗濯槽内为 20%的氢氧化钠溶液，浸泡韶光 15 分钟；用镊子将劈刀取出放入去离子水（或净水）中洗濯，再用气枪吹干；在显微镜下不雅观察刀口，确认劈刀已洗濯干净 , 左边图片为脏的劈刀，右边为干净的劈刀。若劈刀未洗濯干净，则重复以上操作。
3 结论
本文根据大量的事情和履历的积累，列举了影响键合失落效的成分，并根据这些失落效的产品或样品给出了失落效剖析，总结了履历和积累了数据，并给出了相应的办理方法，只有不断的优化键合过程，才能提升产品良率。
来源：半导体封装工程师之家
作者：黄全全 王立 葛伟华
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