引线键合常见失效模式分析与预防

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由于芯片、接插件、电路基板品种繁多，导致键合区域差异较大，经手工装联后的裸芯片及键合系统，在后续的测试调试、环境适应性试验中，经常出现因热应力或机械应力损伤而导致键合系统出现缺陷，甚至失效。

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      键合系统缺陷在某种条件下可导致组件失效。一种失效模式可能是由一种缺陷，也可能是由几种缺陷在某种条件下导致。了解失效发生的机理，才能有效地预防失效的发生。

      通过分析研制过程中的缺陷和失效问题，分辨其失效模式和失效机理，确定其最终的失效原因，提出改进设计和制造工艺的建议，采取有效质量管理措施，消除故障隐患，使产品质量稳定可靠。

1、失效模式

1.1 金带开路失效

      组件中元器件的种类繁多，金带常需键合在性能差异较大的板材上。根据不同的材料应选取相应的键合参数，键合参数选用不当，键合部位将存在缺陷，在机械应力作用下可产生失效。用金带将陶瓷滤波器上的微带线与FR4介质板上微波线连接起来，故障点在陶瓷片一端，如图1所示。金带键合颈部的断裂，使电气连接呈现时断时续的状态，而导致组件失效。

图1　金带颈部断裂

1.2 金丝短路失效

      芯片安装方向偏差导致键合金线过长、交叉，如图2所示。交叉丝短路失效。

图2　金丝交叉

      介质板上的键合点与芯片上的键合区位置没有做到按顺序一一对应，如图3所示，相邻金丝短路失效。

图3　金丝过长

1.3 金丝损伤

      生产过程中，常出现金丝倒伏、变形、扭曲、裂口及擦痕等机械损伤。

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      图4所示为金丝本体损伤。在200～500倍显微镜下观察，发现金丝拱弧表面有损伤，不光滑，比较毛糙。在某种状态下，微带线连接点金丝将开路失效。

图4　金丝拉毛受损

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1.4 金丝键合拉力偏小

      按照工艺规范操作，形貌符合检验可接受标准的金丝，偶尔有部分键合强度不合格，即拉力数值偏小。该缺陷不易被发现，长期使用后易导致键合点的脱键，其对产品的危害较大。键合部位不洁、金镀层不合格是引发该故障的主要因素。

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1.5 金丝键合可靠性差

      金丝键合于镀金层的下层金属上，如图5所示。失去镀金层保护的底层金属在高温高湿等条件下易受到氧化、腐蚀，键合于该处的金丝易发生开路失效。

图5　金丝键合于镀金层的底层金属上

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1.6 废弃的金丝存在于组件内导致电性能失效

      生产或返修过程中常需将原来不合格的金丝去除，重新键合合格的金丝。更换下来的金丝若遗弃于组件内，有可能导致组件短路失效。图6所示为废弃的金丝存在于壳体内侧安装输出端绝缘子的孔隙中，有时导致绝缘子内导体与壳体短路，从而引起电性能失效。

图6　绝缘子安装孔中有废弃的金丝

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2、失效原因分析

2.1 金带键合根部失效

      观察发生故障的部位（如图1所示），发现介质板表面低于陶瓷板表面，导致金带的两键合点不在同一水平面内，且落差较大。金带在陶瓷板端无向上的弧度，而贴近陶瓷片表面，在其边沿处折弯通向介质板，且故障部位的键合点颈部变形较大。

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      金带弯曲弧度过小，且与器件边缘接触，在温度循环时，应力不能在金带上释放，而集中到键合颈部，而键合颈部过薄，其能承受的机械强度下降，导致其撕裂，出现开路失效。

2.2 金丝短路失效

      芯片安装方向偏差导致键合金线的过长、交叉（如图2所示）。键合引线长度过长、交叉的危害为：随着键合引线长度的增加，质量也增加了，在振动、冲击的环境下，引线的受力增加，这样颈缩点的受力增加，因此断裂的可能性增加，可靠性降低；键合引线长度过长使该引线更容易变形，变形后和其他不相连金属化层短路的可能性也大大增加；不同引线间的交叉，上面的引线在塌丝的情况下就会造成交叉引线的短路，从而降低器件的可靠性。

      电路板设计时，未将微带键合点布置到芯片左侧，就近与芯片上键合区一一对应，而是如图3所示金丝过长。导致自左向右的键合金丝越来越长，且间距越来越小。设计PCB时应使键合金丝应尽可能短，长度应控制在金丝直径的100倍以内。金丝间间距应不小于2倍的金丝直径，长度越大，间距应相应增大。

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      长金丝应避免跨接于裸露的金属化线之上。其存在的隐患为：相邻长金丝间易短路；长金丝易变形与其下方的金属化线或微带线短路；金丝键合部位的颈部易断裂，导致失效。

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2.3 金丝损伤

      在200～500倍显微镜下观察故障点连接丝，可以发现金丝拱弧表面有损伤，不光滑，比较毛糙，如图4所示。在低温状态下，发现端口处微带线连接点金丝开路。

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      该产品选用的键合方式是手动金丝球键合，键合选用陶瓷劈刀。在这种工艺中，一个融化的金丝球粘在需连接的一条镀金微带线的端头上。压下后形成第一个键合点，然后从第一个键合点抽出弯曲的金丝在另一条镀金微带线的端头以月牙键合形成第二个键合点。

      键合劈刀内部的构造决定了焊球的大小、直径及高度，劈刀的好坏直接决定了键合的质量。键合过程中金丝在劈刀中产生相对运动，劈刀必须提供足够的空间让金丝无阻碍地通过。若使用时间过长，劈刀受损，金丝受到机械损伤，机械强度下降易断裂。

2.4 金丝键合拉力偏小

      某组件电路板上装配工艺较为复杂，既有贴片元件、手工焊接元器件又有芯片烧结及金丝键合工艺。该组件经环境应力筛选后，电性能测试发现指标超差。

      开盖目检，发现某芯片与微带的连接金丝有一根在微带键合点处浮起。随机选取其余形貌正常的金丝做拉力试验，结果数值普遍偏小。

      通过排查，导致故障发生的原因为：该电路板上微带线为镀薄金，厚度为0.01～0.05 μm，而键合金丝要求镀厚金，镀金层厚度不小于3.0μm。入所检验时，镀薄金电路板默认为无金丝键合，不需做键合拉力试验，作为合格品入库备用。
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      金丝与微带镀金层的键合，为热压超声锲形键合。厚金可塑性强，键合过程中，金丝与键合区的金接触面几乎接近到原子引力的范围，使表面原始交界面处的金原子相互扩散，使两者紧密结合成牢固的键接。
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      影响超声波键合的质量因素，主要有金丝的质量、键合区镀金层的质量、劈刀的平整度及键合压力、键合时间、加热温度、超声功率等参数。

2.5 金丝键合于镀金层的下层金属上

      工艺过程中，因顾虑金层表面沾污导致键合强度下降，而试图刮去受污染的部分，得到洁净的镀金层表面，以提高键合的可靠性。然而，该操作受人为因素的影响较大，无法保证剩余金层的厚度，甚至暴露底层金属（铜）。
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      金丝键合于洁净的镀金层表面，因没有界面腐蚀、金属间化合物形成等问题，可靠性非常好。金丝键合于洁净的铜表面上，将会产生金属间化合物，导致键合强度下降。铜在空气中非常容易氧化，表面形成一层氧化膜，可键合性及导电性将变差，在潮湿、加电的情况下，易形成电化学腐蚀，导致脱键。

2.6 组件内存在多余的金丝

      某组件在测试时，发现输出功率有时正常，有时比正常值低30 dB左右。经排查原因是：一根废弃的金丝存在于壳体内侧安装输出端绝缘子的孔隙中，有时导致绝缘子内导体与壳体短路，从而使输出功率下降。
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      微波组件中，大量的键合金丝用于器件间作为信息交换的桥梁。人工键合的一致性较差，质量易受到人为因素的影响。有时金丝上会存在有裂口、弯曲、割口、卷曲、刻痕或颈缩等缺陷，或后续工序中受外力后，倒伏、变形。

      剔除不合格的金丝，重新键合金丝在工艺过程中常常发生。由于剔除的金丝尺寸小，而组件内部元器件密度高缝隙多，寻找失落的金丝很困难。
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      多余的金丝存在于组件内部，当长度大于裸露的金属间距时，可使两引线、金属化层与引线、各功能电路元件或者以上各部分之间桥接，可使产品性能劣化或失效。污染、残留助焊剂等，在某种条件下引起电迁移、电化学腐蚀、树枝状晶体生长，可导致器件性能劣化，甚至失效。

      微波组件中电路间距小、元件密度高、广泛使用裸芯片，工艺制造过程较复杂。事后对多余物的清理是一项费时费力，且不易达到目标的工作，多余物的控制应贯穿于产品设计制造的各个阶段。

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3、预防措施

3.1 电路设计

      设计电路板时，应充分考虑工艺可操作性和产品使用的可靠性。键合系统中，金丝的长度、金丝是否交叉与电路板的设计有直接的关系。PCB设计时，应充分考虑芯片的方位，芯片上的键合点与PCB上的键合点间距尽可能的短，且按顺序一一对应。

      合理的PCB设计将使工艺操作人员很容易做出合格产品，生产效率及可靠性将大大提高。

3.2 工艺设计

      工艺设计师应与电路设计师密切配合，及时给予合理的建议，帮助其完善产品工艺设计，避免生产过程中出现难以操作的工序。尽量保持两键合点处于同一水平面，焊接点远离芯片和键合点，或工序设计时将键合置于焊接之后，以减小工艺操作难度和工序之间的相互影响，提高产品质量和生产效率。

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3.3 设备管理

      超声锲形键合的质量与超声功率、温度、压力及键合时间密切相关，调整好四个参数的关系是保证键合质量的必要条件。通过键合拉力测试，选取键合形貌满足要求、拉力测试合格的参数，由操作者使用相同设备对产品进行生产，可有效保证产品的合格率。

      使用的键合设备应在计量有效期内。当过程检验发现金丝出现批次性质量问题时，应排查键合设备是否出现故障。操作者应关注设备运行状况，发现异常立即停止操作，及时向有关人员汇报，及时追查用此设备生产的所有产品，采取有效措施，直到可确保产品无故障隐患存在。设备恢复正常，方可继续使用。
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      键合过程中所用的劈刀状态不佳，磨损严重，劈刀端面的平整度、芯片烧结后的水平偏斜度，也会影响键合点的工艺质量。

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3.4 外协产品管理

      对需要键合金丝的外购外协件加强质量管理。对需键合金丝的介质板，与外协单位签订技术协议，明确微带线的镀金层质量要求。必要时下厂监制。

      入所检验，首先检查其质量证明文件应满足协议要求，再抽取适量的介质板键合金丝，做键合拉力试验，合格后入库备用。

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      对提供需要键合的元器件原材料的合格供应商名录采取动态管理，监督合格供应商的质量管理体系。检查生产厂家的质量控制措施是否满足键合工艺的要求。必要时，抽取元器件进行DPA分析，以确认其使用材料及工艺质量是否满足键合要求。
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3.5 过程控制

      金丝键合过程中，选用的键合参数将直接决定键合系统的质量。选择合适的加热温度，有利于键合的快速完成，并提高键合点的机械强度。但加热过高，键合过程中可导致某些芯片焊接材料重熔。超声功率过大，金丝变形过大，键合点机械强度下降。

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      另外，超声功率过大使得键合强度被破坏，造成过键合，不利于键合强度的提高。超声功率过小，起不到应有的效果，键合不牢。键合压力过小，不能牢固地压住金丝，键合不牢。键合压力过大，金丝变形过多，颈部易断，甚至破坏芯片的键合区。键合时间太短，不能有效完成键合。时间太长，键合的变形过多机械强度下降。

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      因此，应根据不同的键合条件，在工艺规范中选取适当的键合参数，按照工艺流程操作。每批产品均进行首件检验，目检形貌后测试键合拉力，两项都符合要求时，方可进行批生产，并在产品随行文件上及时纪录相关数据。

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      洁净的键合区，有利于金丝与键合区镀金层的金原子相互扩散，形成牢固的键接。在受到污染的键合区上键合的金丝，随着时间的推移，机械强度下降，易发生脱键。
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      工作环境及工艺纪律符合相关洁净厂房管理要求。合理安排工序，避免清洗后的待键合区受到污染，保证其洁净，选择合适的参数可有效保证键合系统的质量。

      金丝键合是微波组件中最关键的工序。为保证产品质量实行定岗、定员、定设备的“三定”原则及执行自检、互检及专检的“三检”制度。

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3.6 操作人员培训

      人工键合与机器自动键合相比一致性较差，键合质量容易受到人为因素的影响，因此加强对操作人员培训尤为重要。

      操作人员应熟练掌握键合设备的使用方法、工艺操作规范，严格遵守工艺纪律，严禁无证上岗。组织操作人员进行业务培训。

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      键合后应使用放大30～60倍（必要时100～200倍）带垂直光源的立体光学显微镜倾斜适当的角度进行检查，金丝形貌必须满足GJB548B-2005方法2010.1中3.2.1、方法2012.1中3.11.2.2 f项及方法2017.1中3.1.5的要求。

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      发现问题及时汇报，质量管理人员组织相关人员分析出现问题的原因，采取纠正措施。经审核试验验证的措施应补充完善到工艺操作规范中。根据工艺规范选取适当的键合参数，按照工艺流程操作，并在产品随行文件上及时纪录。发现问题及时汇报，严禁私自处理。
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      组织操作人员进行业务交流。通过对典型不合格案例的讲解，阐明导致的原因、改进措施及对产品可靠性的危害，促进操作人员的业务水平及质量意识的提高。

3.7 质量管理

      细化完善技术、质量、工艺、装配、调试和检验等各类人员责任制。质量管理重在全过程控制，质量人员应将主要精力由质量问题处理转移到预防为主的过程控制上，避免出现质量问题。

      切实做好生产现场操作人员的培训和管理工作，在精细化管理上下功夫，推进操作人员岗位技能提升，使人员能力与岗位要求相匹配。推进常态化、标准化、规范化的操作要点、检验要点等作业步骤，通过规范岗位操作，确保产品质量稳定受控。

      质量管理人员负责收集信息，组织相关人员分析原因，采取纠正措施，并审核经验证的措施应落实到相关的设计文件和工艺文件中。质量师组织检查类似问题在其他产品中是否存在，是否采取相应的纠正措施。

      研制过程中，加强过程管理，变以往的事后补救为事前预防，金丝键合质量有显著提高：产品筛选过程中未发生因金丝键合质量而导致的失效，交付产品也无因金丝键合质量而导致失效返修。

4、结论

      金丝键合工艺在微波组件中广泛使用，键合系统的失效在组件的失效中占有的比例相当大，约占1/3。其中部分失效需要经过较长的时间才能暴露出来，给使用方带来较大的危害，返工成本相应增大。

      加强全体人员产品质量培训，对产品质量高度重视，才能对提高产品质量起到长效作用。产品质量是设计进去，制造出来的，只有加强设计人员、操作人员的能力培训，认真总结经验教训，形成设计准则及操作规范并贯彻实施，才能从源头保证产品的可靠性。

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在键合的过程中，要严格按照要求来，不然就会出现键合不规范等等