【引线键合WireBond失效模式分析概述5300字】

引线键合WireBond失效模式分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u12152引线键合WireBond失效模式分析概述 1138341.1造成引线键合失效的一般原因 1184681.2生产工艺要素分析 2267071.2.1因果分析法 2277791.2.2人员因素 3146411.2.4环境因素 5289531.2.5工艺参数因素 5129171.3线弧瞬间“弹动”与“塌线”的产生 8108391.1.1线弧的瞬间“弹动” 8269491.1.2线弧瞬间“弹动”刀的振幅及对“塌线”的影响 9269881.4解决方案 11245921.4.1短期改善方案——反向打线的引用 11197231.4.2长期改善方案——改变基板设计减小线弧长度 131.1造成引线键合失效的一般原因塌线问题是属于引线键合技术工艺性问题的一个范畴,对于可能导致键合损坏或失效的一般原因,目前主要有以下几种看法,借以提供参考。1.1.1机器问题在机器性能方面可能会造成键合错误而失效的主要问题包括以下几个方面:不正确的参数设置、不当的机器选择、校准问题、焊接针或其它工具弄脏、损伤或者磨损、振动过度等等。1.1.2打线问题在机器性能方面可能会造成键合错误而失效的主要问题包括以下几个方面:不正确的参数设置、不当的机器选择、校准问题、焊接针或其它工具弄脏、损伤或者磨损、振动过度等等。1.1.3焊点定位与形状问题焊点在焊垫上的定位一般都是非常精密的。但是若一个焊点中间有一些部件位于焊垫的开孔处外,就会直接导致一个焊点的强度降低而减弱,更糟糕的情况是会直接导致与其它焊点的短接。再次,焊点的大小和形状也是非常重要的,尺寸太小或者是过大,或者是比例太不合适均可能会直接导致焊点的强度降低。1.1.4焊点隙孔问题在机械键合中,有时候我们仍然会可以看到在空隙焊接的触点中之间有一个小的空隙孔,缝洞的具体大小直接就会影响检测到该空隙焊点的整体机械运动强度值以及其中的电导性。这主要原因是由于不同的性质金属和铝原子间的扩散运动速率不同而导致造成的(柯肯达尔效应),比如说在一个金丝绒钢球焊中,金属铝原子从一个旧的金丝球钢垫到一个新的铝焊球钢垫的电子扩散运动速率也就相当于一个没有铝的金原子从一个金丝焊垫到另一个新的金丝绒焊球的电子扩散运动速率。再次,卤素等大气污染物还是有可能直接导致室内空气环境中的杂质缝隙污染产生。例如,铝和溴化物作用而焊接产生的惰性溴化物被大量气体挥发后,焊接接点内部就可能会自然留出一个小焊缝。1.2生产工艺要素分析经过对"塌线"键合问题工艺可能失效的各种普遍性和重要原因根源有所深入了解,下面笔者借助人机因果关系分析法,对实际键合工艺中"人机料法环"的几个重要关键性技术要素分别进行作了因果分析和设计验证,试图通过分析和验证找出"塌线"键合问题可能产生的各种重要可能性和原因根源。1.2.1因果分析法因果直接分析法(causalfactoranalysis,cfa)主要特点是通过各种因果图直接分析表现得来的出来,因果图又称为可以直接简称为生物特性性的要因因果图、鱼刺性要因图或者是岩石川性要因图。它最初使用是1953年在属于日本川琦制铁公司,由于是日本品牌化工厂的专业技术人员也是石川馨最早开始研究和推广使用的,是为了能够帮助他们迅速寻找一些所有可能并且会直接导致公司产生某种产品质量事故的主要原因。这种概率分析系统模型的研究方法主要分为有三个第一方面的研究重点。（1）分清因果问题的本质和特性总是会受到一些影响因素的作用,使用这种方法首先必须分清影响因果的地位;其次我们还需要特别注意与因果的相互对应,任何一个结果都是由一定原因造成的,一定原因就会产生某种结果。因果往往都是一个相互对应的,不能互相混淆;最后,要循因而导,执果索因,从不同的角度和方向用不同的思考方式来对各种因果分析,这也将更加有利于培养和发展人们的多向性思考。（2）头脑风暴法在探索问题的成因时,因果分析法主要采用了头脑风暴法(brainstorming-bs),这是一种可以通过对集体智慧的方法进行集思广益,从各种不同角度出发来寻找解决问题的全部原因或其组成部分的方法。运用头脑风暴法,可以引导和发动大家一起讨论观点,做出分析,把团队的观点反映到图表中。头脑风暴法的操作运用中我们应该充分地注意四个基本原则:严禁批判、自由流浪、多少好处、搭便车。经过大量的脑力激荡寻找可能存在的因素,并将其与具体的特征取样数据一起,以相互关联的方式进行整理,形成了层次清晰,条理清楚,并且标明了重要的因素。（3）20：80原则采用因果分析方法准确地反映了20:80原则,人们在研究和解决这个问题时,根据实践中的经验方法,20%的一个原因往往可以导致其中产生80%的问题,如果因为环境和条件的限制,不能100%有效地解决这个问题,那么紧紧地把握好20%的一个原因,就有可能直接达到80%的一个解决目标。可谓功不可没。因为在我们分析这个问题所可能产生的根本性原因时,因果分析方法便于发现头脑风暴,而且所反映的因果关系直观、明显、规则明确,使用方便,所以本课题在对"塌线"问题进行初步分析时也采用了这种方法。1.2.2人员因素如果一个线弧的跨度太大,那么当键合工作完成后,操作者不当的操作方式是否可能会引起线弧变形。通过观察,发现振动量太大会引起一定范围内的线弧而产生变形。但同时也要求我们注意到,在工业生产的过程中,所用的键合机均安装有自动化检测单元,根据工艺流程的反应,在每一条键合结束后马上对产品进行了检测,已经发现"塌线"等问题。由此我们可以清楚地看出,产生"塌线"问题的主要原因之一并非运转振动。但是对于金属线和电缆轴的手工拿取,操作方式,操作者与此进行了一些沟通指引。1.2.3材料和工具因素不同的引线将具有不同的特征，影响连接线的效果。另外，同一种型号的引线也会发生变化。引线的特性主要是引线材料的成分组成、延伸率和拉伸强度等，在连接中对其产生影响。为了检验生产中使用的引线是否是导致“塌线”的主要原因，我们选择了两种金线（KNSAW99和TANAKAGMH-2）用于生产试验，分别用于生产试验，以比较各自样品中的“塌线”次品率。两种金线特征参数的对比见表1.1。表1.1不同引线对“塌线”次品率的试验比较KNS金线（AW99）TANAKA金线（GMH-2）主要特性断裂负载>14.5g14〜16g延长率2-6%2-7%试验结果“塌线”次品数5250音万次品率5200050000通过试验，对两种不同的金线进行比对，发现两组样本中的“塌线”产生率并没有显著的差异。这说明引线的不同并不是造成生产中“塌线”问题的主要原因。此外，除金线外，焊针是材料中必须考虑的重要因素，其状态直接影响打线效果。理想的情况是，在生产中，金线应能顺利地穿过出入焊针，而打线系统中的任何摩擦都会对打线效果产生不利影响。但在生产过程中，焊针上残留的物质会不断积累，从而导致摩擦增大，是导致“塌线”的主要原因吗？所以，需要对“塌线”次品率与焊针使用次数（寿命）之间的相关性进行分析。如果两个变量之间存在精确的线性关系（-1表示负相关，1表示正相关），如果两者之间没有相关性，结果应该趋于0。如图1.1所示，可以认为焊针使用寿命与“塌线”次品率之间没有很大的相关性，并非“塌线”问题的主要原因。图1.1焊针使用寿命与塌线次品率相关性分析结果1.2.4环境因素焊针的寿命和金线均受生产环境影响，但通过前面的试验分析，焊针和金线都被验证并不是造成“塌线”问题的主要因素，因此这里可以简单排除与之相关的环境因素。1.2.5工艺参数因素我们知道，键合打线遇到的很多问题都是与线弧成形（弯曲、扭转等）有关的。对于所需要的不同类型的线弧，其形成都是通过打线参数设定来来实现的。如图1.2所示，在打线过程中，影响线弧成形的典型参数有：打结高度、成形因子1、成形因子2、前一次打结长度、前一次打结参数和前一次打结角度图1.2线弧形成过程示意图该方法通过试验设计来评价这几个参数对问题的影响，从而实现了主、次参数的分离，找到控制和改进的主要因素。因为需要评估6个因素，所以要进行全因素析因设计，需要进行64组试验。选择resolutionIV的局部析因设计，既能评价6个因素，又能评价它们之间的相互作用，以达到节约成本，提高效率的目的。图1.3打线参数的部分析因设计经过试验，对结果（如图1.3和1.4所示）进行检查，发现6个因子中和其两两交互作用均没有对响应一“塌线”次品率造成显著影响，这说明对于生产中遇到的“塌线”问题，不能通过改善这几个打线参数来得以解决。图1.4打线参数评估实验设计结果1.3线弧瞬间“弹动”与“塌线”的产生1.1.1线弧的瞬间“弹动”首先，对整个键合打线工况周期再做一个全面的了解。为此，我们将机器打线速度设置在10根/秒，以便能够通过示波器有效地“观察”焊针在一个打线周期中的动作轨迹。如图1.5所示。图1.5焊针在一个打线周期中的动作轨迹“1”：焊针Z方向抬起，并形成线尾，为后续构成焊球做准备；“2”：焊针从已打好的第一根线的第二焊点位置移到将要打的下一根.线第一焊点位置；“3”和“6”：焊头匀速下移至焊接面；“4”和“7”：在焊接面施加压力和超声波能量，进行焊接；“5”：拉出设置所需线弧。从焊针运动轨迹可以看出，当焊针拉制出线弧（“6”）后将以一定速度下落，焊头会在几个毫秒的时间内接触焊接面。然后焊头速度瞬间减至O并压制引线形成第二焊点（“7”）。而此时，金线由于惯性仍保持着一定的高速度，但两端固定，可以推测，材质柔软的金线线弧将发生弹动。若上方线弧的弹动振幅相对于线间距（通常6-7mils）过大的话，弹动过程中可能与下方线弧接触到，有可能造成“塌线”。那么，在实际生产打线过程中，这种线弧瞬间弹动的振幅会有多大呢?下面做进一步的分析。1.1.2线弧瞬间“弹动”刀的振幅及对“塌线”的影响（1）驻波能首先，当线弧形成时，两端焊点固定，若线弧“弹动”，弹动的线弧（半个驻波.长度）中会储存一定的能量，它可由驻波的能量等价公式（公式1）计算得出，在同一打线周期内，该能量由线弧的动能转化而来。（公式1）其中：T：线弧张力Az-振幅：波长π：常数Ek：可由动能公式（公式2）计算得出（公式2）其中：p：金线密度A：金线截面积Wl：线弧长度v：速度由公式（1）和（2）知，若要得出振幅Az，除了其他已知量，我们还需找出线弧张力T。（2）线弧张力分析键合时，金线被迫弯曲在第一和第二焊点间形成线弧，张力产生。对于这个张力的大小测量，我们可以通过间接的方法得到。线弧第一焊点的焊球是焊接在焊垫上的，将焊垫上的铝用化学试剂腐蚀掉，焊球将脱离焊垫，线弧的第一焊点端随之反弹一定高度，这个高度称作反冲高度。如图4.2所示。反冲高度的大小和金线线弧内的张力有关，张力越大，反冲的高度越高。反冲高度又与金线的尺寸参数及塑性变形直接相关，经过对金线键合线弧形成过程的分析研究，对这些参数间的关系给出了以下公式（公式3）。（公式3）其中：Pr：金线张力Sh：反冲高度Wl：线弧长度Lh：线弧高度E：弹性模量（金）C：常数（3）线弧“弹动”的振幅于是，由公式（1）、（2）和（3）可以导出振幅公式（公式4）如下（公式4）将试验中收集的每组已知量代入公式4，即得出实验响应一振幅。我们将振幅与线间距进行统计比较，试验结果显示当前生产条件下，从统计上说明振幅与线间距在95%的置信度上并无明显差异。这也进而说明上方线弧由于弹动与下方线弧短接造成“塌线”并短接的可能性。另外，从公式（4）可以分析得到影响线弧弹动大小的主要变量参数。其中，反冲高度（Sn）受工艺因素影响，较难调控；而线弧高度（Ln）受封装尺寸影响，不能调控；只有线弧长度（wI）较可调，而且对其改变所产生的效果也最明显；这对我们后续解决“塌线”问题也提供了参考。总结如表1.1所示。表1.1影响振幅的变量参数变量与振幅关系可调性反冲高度反难，受多因素影响线弧长度正可以线弧高度反无，封装工艺参数1.4解决方案1.4.1短期改善方案——反向打线的引用（1）正向打线与反向打线形成线孤的打线轨迹是根据应用需求来选择的，通常有两种打线方式，即正向打线和反向打线。正向打线是先在芯片焊垫上形成一球焊，再在引脚上形成一缝焊，相反，反向打线先在芯片焊垫上形成一凸点，再在基板上形成一球焊，接着再在凸点上进行一缝焊。低线弧打线的需求促使反向打线被更多地应用，它和正向打线相比速度较慢，生产效率低。如图1.6所示，为多堆叠封装中的引线键台，线弧高度较低。图1.6多堆叠封装引线键合（2）改变下层打线方式由上一章的结论得知，通过改变线弧长度，可以影响上层线弧瞬间“弹动”的振幅大小，从而控制与下层线弧短接造成的“塌线”。但是，要改变线弧长度，只有通过改变基板的设计来实现，但这往往需要几个月的时间。不过，我们可以通过改变下层芯片的键合打线方式，从原先的正向打线改为反向打线参见图1.5。这样，下层芯片金线键合的线弧高度可缩小2mil，相对增加了与上层线弧之问的间距。图1.7改变打线方向，增加线间距改变打线方式后，通过生产试验收集到的数据，计算出振幅，再与新的上下层线间距进行统计比较，试验结果（如图1.8所示）显示上层线弧在振动中不会与下层线弧短接，可以避免次品产生。但是反向打线会降低设备效率（约10%