电子器件封装中引线键合质量的检测方法

齐翊陈伟民刘显明

（重庆大学光电工程学院光电技术与系统教育部重点实验室）

摘要：

引线键合是半导体封装中实现芯片与封装引脚之间连接的关键技术，近年来半导体产业对更高的集成度、更高的可靠性和更低的成本等方面的迫切需求，对引线键合技术提出了更高的要求，因此引线键合的质量检测成为了保证半导体封装质量的关键技术。详细阐述了引线键合中质量检测的技术方法，对比了各种技术的目的和技术特点，总结了各种方法的使用场合，并提出了键合线质量检测尚需解决的问题和发展方向。

统计表明，截止年仍有超过90%以上的芯片内连接由引线键合技术（Wirebonding）完成。引线键合中焊盘不洁、表面氧化、腐蚀和工艺参数不合理等都会产生缺陷，进而产生裂纹、断线和焊点脱落等问题，这些问题会直接造成芯片的整体失效或严重影响其可靠性。因此，在现代半导体集成电路器件的研制和加工中，都必须对引线键合的质量进行检测，以保证芯片内部连接的可靠性。典型集成电路芯片结构剖面图如图1所示。

1引线键合的质量问题及主要表征方法

要对引线键合的质量进行检测，就必须了解该技术的基本原理和工艺流程，掌握引线键合中存在的质量问题，熟悉这些质量的表征方法。

引线键合技术的基本原理是利用直径通常为几十至几百微米的高电导率金属导线（金、铝和铜等），在热超声作用下按压在焊盘上，使焊盘与焊线的金属原子发生扩散，形成金属间化合物（IntermetallicCompounds，IMC），从而实现晶粒与引脚的连接。典型的引线键合工艺流程包括形球、超声加热、按压形成第一焊点、走线、按压形成第二焊点和分离等。如图2所示。

就引线键合的环节而言，焊盘的清洁、引线端的微球形成、引线的焊接、引线的走线，都可能产生质量问题。在焊接前如果焊盘被污染，就会在焊点内部形成几百纳米至几十微米的空洞缺陷或微裂纹，从而造成键合失效。在引线微球形成时的放电电流不合适，就会造成图2（a）中的微球尺寸超标或形状不规则，导致后续的焊球变形和焊盘产生裂缝。如果在图2的第一焊点（c）和第二焊点（e）引线压焊过程中，施加的压力、超声的强度与频率不恰当，会导致焊盘变形甚至产生裂缝和虚焊。引线压焊过程中，焊盘与焊球的位置识别偏差会导致焊点错位和脱焊等问题[9]。在图2的走线（d）过程，引线长度和空间布局不合理，就会发生引线塌陷和搭线短路等严重问题。

就键合后的注塑环节而言，其填料和固化工艺等，也可能引起键合的质量问题。如填料内存在气泡和不均匀等缺陷，就会在注塑后产生较大的内应力，从而可能在器件后续使用中造成引线的断线或焊点的脱落，对引线的键合质量产生间接影响，影响其使用的可靠性。

在以上引线键合质量问题中，内应力断线和焊点脱落等问题反应了引线键合的力学特性，可以用动态或静态机械参数加以描述；断路和电参数变化问题反映了引线键合的电学特征，可以由电感和电容等电学参数加以描述；空洞缺陷和微裂纹等问题反映引线键合的微观形貌，可以由显微成像得到的微观形貌特征来描述；引线塌陷和焊点错位等问题反映引线键合的整体形貌，可以由整体形貌特征进行描述。因此，引线键合的质量检测，可以归结为机械参数检测、电学参数检测和形貌特征检测三大类。

2机械参数检测方法

合格的键合线必须在实现有效电气连接的同时具有较好的机械性能。良好的机械性能不仅是正常工作的基本保证，同时也是芯片封装长期工作可靠性的基础。因此对引线进行机械性能的检测是评价键合线质量的基础。应力和振动是两种主要的机械检测手段。

2.1静态机械参数检测

静态机械参数的检测可以用于快速评估键合线的整体键合强度，发现脱焊和虚焊等问题。针对键合线的应力检测，引线拉力测试（pulltest）和球剪切力测试（sheartest）是最基本手段。在这两种方法的基础上，为了解决工业生产检测对速度和非破坏性的要求，还发展出高压空气吹检法和焊球成型过程压力测试法等。

引线拉力测试是测量键合线强度最简单有效的方法之一，并被中国的国家标准和美国国家标准（MIL-STD-）等广泛采用。该方法是用一个小勾勾住引线，测试时拉力的施加作用点作用于内、外两个焊点的中间部位，拉力的施加方向垂直于两焊点连线的垂直方向。在非破坏性试验时不断增大拉力，当拉力到达标准规定值而引线未断裂或焊点未脱落，说明键合强度符合要求，最后轻轻移开小勾。在破坏性试验中，不断增加拉力直至引线断开或键合点脱落位置，此时得到的数值，即为极限键合强度。方法原理图如图3所示。

球剪切力测试（Ballsheartest）是用一个平面的剪切刀，平行于焊盘向焊球施加推力，使焊球被剥离的力就是键合剪切力。球剪切力测试原理图如图4所示。

引线拉力测试和球剪切力测试除了能够通过拉力和剪切力评价键合质量之外，经过测试后脱落的焊盘还可以用于研究键合界面处金属间化合物的生长情况，进而优化键合过程的工艺参数或分析改进键合材料。这些进一步的分析通常需要借助材料分析手段或下面的显微成像检测方法，如图5所示。

高压空气吹检法是一种引线拉力测试的替代方法，该方法利用高压空气自下而上吹过键合线，通过空气流动为引线提供拉力。该方法可以同时对多条键合线进行检测，但该方法不能提供精确的引线键合强度数据，只能作为定性的检测手段。

引线键合过程中需要将焊线材料压在焊盘上，并提供能量实现两种材料的键合。键合过程中焊接头压下时压力的大小和冲击变化过程直接影响焊球的质量。对该应变的大小和位置等参数进行检测也是一种评价焊接质量的有效方法。检测焊接时冲击过程的冲击力曲线和多次焊接时压力的差异可以用于提高键合线的整体质量。这种检测方法主要通过在焊接机操作臂上增加压力传感器或在焊盘周围布置压力传感器的方式实现。在利用这些方法测量得到的压力参数时，可以通过统计分析的方法寻找最优工艺参数，或利用多个传感器得到的数据分析焊球的位置和成型质量等。

2.2动态机械参数检测

动态机械参数检测可用于评价键合线整体性能及其疲劳特性。振动检测可以分为外加激励振动检测和超声焊接过程振动检测。其中外加激励振动检测是对完成焊接的键合线施加振动激励源，检测键合线振动信号。超声焊接过程振动检测是检测超声焊接时焊接臂或焊点振动。

电磁共振测试法（electromagneticresonancetest）利用载有交流电信号的导线在磁场中受交变的安培力，引起键合线共振从而实现拉力测试。不同长度、粗细的键合线具有不同的共振频率，为了在测试中为引线提供足够的拉力，MichaelPecht等人提出利用一个具有一定频率带宽的交流激励信号，引起被测键合线发生共振。实验原理图如图6所示。

微机械冲击法（ForceDetectedWireVibrationAnalysis）是由一个探针提供震动激励信号，另一个传感探针采集键合线的震动信号，从而检测焊点和键合线的质量。其中提供激励信号的探针接触键合线的末端，用于检测的微探针接触键合线中间。通过这种方法，H.Luo等人建立了键合点键合状态与键合线震动信号频域特性的关系，研究表明键合存在机械连接缺陷时，信号频域特征峰的幅度成比例下降，且特征峰向高频移动。

超声键合和热超声键合是引线键合中的基本方法，它们都是以超声波作为键合过程的能量源，超声波通过焊线机的操作臂传递到焊点处。对焊接过程的超声波信号进行采集和分析是评价焊接质量的重要方法之一。在焊接机中，超声波的产生通常就是通过驱动压电材料实现的，将该压电材料同时用作传感器或者增加专用的压电振动传感器是测量超声信号的有效方法，也可以通过激光干涉的方法直接测量焊接头振动情况。

键合性能良好的引线应该具有合格的机械性能，因此对引线焊接过程和焊接结果的机械性能检测是评价键合质量的基本手段。在引线键合技术发展中，引线拉力测试和球剪切力测试虽然方法简单，但应用最为广泛，具有很好的适用性和统一的评价指标。振动检测中，超声振动检测是焊接过程中实现焊接控制必不可少的环节。电磁振动法、微机械冲击法等虽然具有一定的检测优势，但由于方法复杂等原因并未受到广泛应用。

3电学参数检测方法

电学检测方法是建立引线或焊点质量与电信号之间关系的检测方法。

当焊点内部存在裂纹和空洞等问题时，焊点电阻、电感和电容等电学参数发生相应改变。因此，可以通过测量焊点直流电阻或交流阻抗来进行焊点的缺陷检测。键合线高频电参数分析是应用于射频芯片等传输和处理高频信号芯片必要的检测方法。该类检测需要引线键合在经过特殊设计的测试板上，通过高频激励信号测量键合线的单位长度损耗和阻抗等参数。也可以通过高频信号有限元仿真的方式对键合线进行模拟分析。在半导体发光二极管中，还可以利用其p-n结的光生伏特效应，采用交变光源照射待测LED芯片，在封装的短路支架上激励出光生短路电流；通过非接触检测支架回路中光生短路电流IL1的状态对芯片质量及芯片与支架之间焊接处的直流电阻值的变化做出判断，实现对焊点质量的非接触检测。

当出现焊点脱落、虚焊和断线等问题时，可以直接进行脱线故障检测。附加独立检测电路的脱线检测（lift-offdetection）常用于重要功率型器件，为了保证器件故障发时诊断并及时对系统做保护而开发的焊点故障实时检测方法。

4形貌特征检测方法

机械参数或电参数都是用间接或整体性的特征参数对引线键合质量进行评价，有方便、易操作和易标准化的优点，但往往不足以对引起质量差异的因素进行确定和深入研究。因此直接对键合的局部或整体的形貌进行成像检测就显得至关重要。

局部显微成像是利用高倍率光学显微镜和扫面电子显微镜等通用的显微设备，拍摄引线键合的局部特征，进而分析键合质量。整体成像检测是键合质量检测方法中受到较多研究者

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkyy/8682.html