最近，小编收到一位半导体客户的咨询，想要对芯片封装中铜丝键合可靠性及失效模式分析，该用什么设备？随着半导体技术的飞速发展，集成电路封装的高密度、高强度、低成本要求日益增长。在这一背景下，铜丝键合技术因其成本效益和优异的物理性能，逐渐成为金丝键合的有力替代品。铜丝不仅价格低廉，而且具有更高的机械强度、更低的电阻率以及更慢的铜铝金属间化合物(IMC)生长速度，这些特性使得铜丝在高密度封装中展现出独te的优势。
然而，铜丝键合技术在实际应用中也面临着一系列挑战。铜丝易氧化、硬度高，这些特性在键合过程中可能导致芯片损伤、氧化层形成等问题，影响键合的质量和可靠性。此外，铜丝在封装后还可能受到塑封材料中卤化物的腐蚀，进一步增加了失效风险。因此，对铜丝键合的可靠性及失效模式进行深入分析显得尤为重要。
本文科准测控小编旨在探讨铜丝键合在芯片封装中的应用现状，分析其可靠性和可能的失效模式。我们将从铜丝键合的基本工艺出发，探讨其在实际应用中的失效机理，包括外键合点氯腐蚀、金属间化合物氯腐蚀、电偶腐蚀、键合弹坑、封装缺陷等。通过对这些失效模式的分析，我们希望能够为铜丝键合技术的改进和器件稳定性的提升提供科学依据。
一、引线键合的基本形式
引线键合主要分为两种形式：球形键合和楔形键合。这两种技术都涉及三个基本步骤：在芯片上形成第一焊点、形成线弧、以及在引线框架或基板上形成第二焊点。它们的主要区别在于第一焊点的形成方式：球形键合在每次焊接开始时会形成一个焊球，然后将其焊接到焊盘上；而楔形键合则是直接将引线焊接到芯片焊盘上。
1、球形键合
在球形键合中，劈刀对金属球施加压力，促使引线金属与芯片电极金属发生塑性变形和原子扩散，形成第一焊点。接着，劈刀移动到第二焊点位置，通过楔形键合和拉尾线的方式完成第二焊点。劈刀控制尾线长度，尾端断裂后，劈刀上升形成新的焊球。球形键合工艺灵活，允许360°任意角度的第二焊点，如图1所示。
2、楔形键合
楔形键合通过楔形劈刀传递热能、压力和超声能量给金属线，形成焊接。这种焊接过程中不形成焊球。在劈刀压力和超声作用下，金属线与焊盘金属接触形成连接。楔形键合是单向焊接工艺，第二焊点需与第一焊点对齐。旋转式楔形劈刀可适应不同角度的焊线。楔形键合通常用于室温下的铝线超声波键合，成本和温度较低。由于焊点小，适合微波和大功率器件的封装。
楔形键合是用楔形劈刀将热、压力、超声传给金属线,在一定时间形成焊接,焊接过程中不出现焊球。在劈刀的压力和超声波能量的作用下,金属线和焊盘金属的纯净表面接触并最终形成连接。楔形键合是一种单一方向焊接工艺(即第二焊点必须对准第一焊点的方向)。传统的楔形键合仅仅能在线的平行方向上形成焊点,旋转的楔形劈刀能使楔形键合机适合不同角
度的焊线,在完成引线操作后移动到第二焊点之前劈刀旋转到程序规定的角度。常见楔形键合工艺是室温下的铝线超声波键合,其成本和键合温度较低。由于楔形键合形成的焊点小于
球形键合,特别适用于微波器件,尤其是大功率器件的封装。
二、检测原理
在芯片封装中，使用推拉力测试机测试铜丝键合的可靠性，主要是通过施加拉力来评估键合点的强度。测试时，将引线固定并施加垂直拉力，通过测量拉力值来判断键合质量，从而分析失效模式。
三、可靠性测试
1、拉力测试
破坏性拉线测试是一种广泛应用于评估焊点强度的测试手段。这种方法通过测量引线在断裂时所承受的拉力值，并分析其断裂模式，来评定焊线的承载能力和焊点的牢固度。第一焊点与第二焊点的拉线测试值受到测试中几何结构配置的影响。如图2所示，F为拉线的测试力，F和F，分别为施加在第一焊点和第二焊点上的力。
2、剪切力测试
剪切测试是一种用于评估焊点与焊盘之间粘结质量的方法，它补充了拉力测试，共同用于评估球形焊点的结合强度。在铜丝球焊中，第一焊点在受到剪切力时可能在不同位置发生断裂。铜球焊点在剪切力作用下可能在铜球内部、铜铝连接面、铝焊盘层、硅铝界面或硅片内部发生断裂。具体失效位置主要受键合工艺、焊后处理等因素的影响。
铜丝球焊点除了可能在剪切力作用下发生断裂外，还可能出现弹坑等较严重的失效形式。在剪切测试过程中，剪切工具对电介质层的直接作用以及焊点界面的传递作用，使得剪切力直接作用于电介质层，可能形成剪切型弹坑。此外，焊点内部的残余应力也可能导致一些不可见的内部伤害，在剪切测试时形成弹坑。这些内部伤害可能在键合过程中就已经形成，而在剪切测试时显现出来，表现为弹坑等失效模式。
3、常用检测设备
Beta S100 推拉力测试机
1）设备概述
推拉力测试机是微电子领域专用的动态测试设备，主要用于评估引线键合后的焊接强度、焊点与基板的粘接强度，并进行失效分析。该设备能够执行晶片推力测试、金球推力测试和金线拉力测试等多种测试，配备高速力值采集系统以确保测试精确性。用户可根据测试需求更换测试模块，系统会自动调整量程，适应不同产品的测试需求，并设有独立安全高度和速度限制以保护测试探头。推拉力测试机以其快速、精确和广泛的适用性，广泛应用于半导体集成电路封装测试、LED封装测试、光电器件封装测试、PCBA电子组装测试，以及汽车电子、航空航天和军事等领域，也适用于电子分析和研究单位的失效分析，以及教育机构的教学和研究活动。
2）设备特点
以上就是小编介绍的有关于芯片封装中铜丝键合可靠性及失效模式分析的相关内容了，希望可以给大家带来帮助！如果您还想了解更多关于推拉力测试机怎么使用和校准，推拉力测试仪操作规范，焊接强度测试仪使用方法和键合拉力测试仪等问题，欢迎您关注我们，也可以给我们私信和留言，【科准测控】小编将持续为大家分享推拉力测试机在锂电池电阻、晶圆、硅晶片、IC半导体、BGA元件焊点、ALMP封装、微电子封装、LED封装、TO封装等领域应用中可能遇到的问题及解决方案。
