引线键合良率相关问题

本文主要介绍了引线键合良率相关问题。

封装相关的键合良率问题

相关研究已系统探讨了不同封装类型对键合良率的影响，以及键合良率与引线框架夹持状态的依赖关系。研究发现，硬质陶瓷封装的键合效果最佳，而小尺寸封装的键合良率相对较差，核心原因可能是小尺寸封装难以实现稳定有效的夹持。引线框架与封装夹持状态会影响键合良率，这是行业内长期公认的结论，夹持不良的封装会通过共振（振动）导致超声能量无法集中在键合界面区域，进而造成超声能量耗散，其明显特征是样品/基板上的键合点出现极大的形变。陶瓷封装凭借其优异的刚性，相较于裸引线框架，通常能实现更高的键合良率。此外，薄型、小外形、细节距的引线框架，比大尺寸引线框架的键合良率更低。因此，封装类型与夹持方式的选择，对引线键合良率具有显著影响。

潜在的良率问题和解决方案

1. 引线线径公差

在ASTM F72-06标准中，25μm键合金丝的线径公差（ASTM允许公差为±3%，或最大线径波动控制在6%以内）会导致球形键合形成的焊球球径发生变动。如果线径稍微变大，则来自EFO的热能会更多地传导到熔融区域的外面，从而导致形成的焊球较小。对于典型25μm线径Au丝制成的无空气结焊球，其球径的最大尺寸偏差仅为5μm。然而，这些因素会与EFO引线键合机系统的其他变量共同作用，进一步扩大偏差范围。不同的焊球尺寸需要匹配不同的键合机最佳参数，这可能会在高良率区间内对键合良率产生影响。为了实现最高的键合良率（例如缺陷率＜25ppm），引线线径的公差应严格控制在±(1%~2%)范围内。楔形键合用金丝的相似尺寸公差则不会影响键合效果，因为其热传导作用与球形键合存在本质差异（在设计的试验中，可通过改变EFO的参数设置，仿真模拟相同线径Au丝制成的焊球尺寸变化）。

在键合-夹持实验之前，将石松子粉末（或等效物）撒在封装体上，可以很容易地证明共振现象。夹持不良的封装体将在共振节点处发生粉末堆积，并出现最大的无粉末区域，这种共振模式在粗线径引线键合实验中非常明显（注意：这种非常细的粉末往往会覆盖满整个键合机的工作台面，所以应该小心处理这些粉末，这样的实验通常在手动键合机上实施）。所有这些粗引线的键合实验都会展现出一些共振现象，但仍然具有实际应用价值。

2. 探针留下的损伤

芯片封装过程中，晶圆测试环节无法避免在焊盘上留下探针损伤的痕迹。然而，如果观察到探针损伤痕迹且同步出现键合问题，这将成为拒收该批次晶圆的合理理由，这类探针测试痕迹仅在细节距场景下才会成为影响良率的关键问题。研究发现，对于60μm节距焊盘，仅当探针接触测试次数超过2次时，其表面的探针损伤才处于可接受范围，如图1所示。但焊盘节距越小，焊点拉脱失效的概率就越高。对于35μm节距焊盘，仅经过1次探针接触测试，由探针痕迹造成的脱焊（Non-Stick-on-Pads，NSOP）比例就高达84%。尽管已设计出多种特殊焊盘（例如硬化焊盘、层压焊盘和波纹焊盘等）以解决该问题，但多项研究表明，最实际有效的方法是将探针测试位置与键合区域错开。采用这种设计时，延伸出来的焊盘可与有源区重叠，该区域不会受到探针应力的损伤，且无需增大芯片尺寸，仅需采用不同的目视检验标准，可能需要对相关检验文件进行修改。此外，探针损伤的严重程度还与探针的材质、接触压力、测试次数密切相关，过粗的探针或过大的接触压力，即使仅单次测试，也可能造成焊盘金属层破损，进而导致键合时出现虚焊、脱焊等不良现象；而多次重复测试则会加剧焊盘损伤，进一步降低键合良率。在实际生产中，除了优化探针测试位置，还可通过选用硬度适中的探针、精准控制接触压力和测试次数，辅助降低探针损伤对键合良率的影响，同时配合严格的焊盘外观检测，及时筛选出存在严重探针损伤的晶圆，避免后续键合工序的无效投入。

其他影响器件良率的因素

1. 超声系统

在过去，引线键合机的超声系统普遍采用60kHz的超声能量，而从20世纪90年代开始，键合频率已提升至约120kHz。同期相关研究表明，通过提高超声频率可以有效改善键合良率，且该研究还提供了一组能够提升键合良率的新工艺参数。目前，自动键合机制造厂商已广泛采用高频超声系统，关于高频键合技术的详细内容，可参考相关技术文献及研究资料。

2. 引线偏移

引线偏移是指在转移模塑料过程中，键合线弧发生位移的现象，最坏的情况是相邻引线接触并产生短路。从技术层面来讲，引线偏移不属于引线键合工序的范畴，但会直接影响塑封器件的良率，因此在设计这类引线键合工艺时，必须充分考虑引线偏移的影响。

在模塑过程中，高温模塑料会产生足够的静压力，导致引线发生形变，有时还会将引线推向另一根引线，进而引发短路。其中，短路现象的发生概率较低，但线弧形变则较为常见。许多行业规范允许线弧存在高达5%（永久）的位移或形变，但这一数值仅为通用参考值，并不适用于塑封器件中长距离、细节距的引线。粗节距引线通常能够安全承受更大的位移，而引线线径越细、线弧越高越长，因引线偏移导致器件被拒收的概率就越高。细节距封装通常很少有扇出设计，且引脚数量较多，需要更长的引线，这使得即使在最小引线偏移的情况下，相邻引线发生短路的概率也会增大。此外，线弧形状也会影响短路发生的概率，区域阵列键合还可能带来其他更为复杂的问题。

引线偏移是一个多因素耦合的复杂问题，其影响因素包括引线线径、材料刚度（铜丝的刚度高于金丝）、线弧形状、引线相对于模塑料流动的方向（模具浇口的位置和尺寸）、芯片的高度和位置以及模具设计等。同时，它还受到模塑料化合物黏度及其他相关参数的影响。为了最大限度降低引线偏移的影响，许多实验采用X射线检测和/或去除模塑料的方法进行研究，目前的研究工作还包括利用有限元模拟，对模具、浇口及模塑料的流动进行设计与分析。需要注意的是，必须通过实验频繁估算热填充树脂的动态流动特性，未经实验验证的有限元分析结果可能存在偏差，无法保证准确性。引线偏移的建模通常采用大型通用FEA软件包，这类软件可用于引线偏移的设计与优化。