在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，隨著電子設(shè)備向更高性能、更小尺寸和更輕重量的方向發(fā)展，封裝技術(shù)的重要性日益凸顯。金線球焊鍵合工藝，作為連接芯片與引線框架的橋梁，對于確保集成電路的電氣性能和機械穩(wěn)定性至關(guān)重要。這種工藝不僅關(guān)系到產(chǎn)品的即時性能，更直接影響到產(chǎn)品的長期可靠性和耐用性。因此，對金線球焊鍵合工藝及其可靠性進行深入分析，對于推動封裝技術(shù)的進步和提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。
本文科準測控小編將對金線球焊鍵合工藝進行詳盡的探討，從工藝的基本原理到實際操作，再到可靠性的評估。我們將分析金線球焊相較于其他鍵合技術(shù)的優(yōu)勢，探討其在現(xiàn)代封裝技術(shù)中的應(yīng)用，以及如何通過工藝優(yōu)化來提升鍵合的質(zhì)量和可靠性。
一、工作原理
球焊鍵合技術(shù)的核心在于利用熱能、壓力以及超聲能量來實現(xiàn)芯片與基板間的連接。這一過程涉及到壓電換能器的驅(qū)動，它將超聲功率轉(zhuǎn)換為機械振動，并通過換能桿將這些振動放大，最終通過劈刀傳遞到鍵合點。在鍵合過程中，金絲被用來實現(xiàn)芯片與基板的電氣及機械連接。為了促進這一連接，需要提供額外的熱能，其作用是激發(fā)材料的能級，從而促進兩種金屬之間的有效結(jié)合，以及金屬間化合物(IMC)的擴散與形成。
基本的球型焊接工藝包括以下幾個步驟如圖1所示[1]：在球型焊接開始前，焊頭在打火的位置高度并移動到第一焊接點的位置（A）；焊頭接著下降到搜索高度，第一焊接點通過熱和超聲能量在芯片焊盤形成一個共晶金屬球（B）；之后焊頭上升到反向高度，移動一段反向距離（C）；劈刀升高到線弧的頂端并移動形成所需要的線弧形式（D）。焊頭移動到第二焊點搜索高度，以第二焊點的參數(shù)接觸金屬基板（E）；焊頭上升到尾系長度（Tail Length），線夾關(guān)閉拉斷尾線（F）；焊球到達燒球高度，電子打火形成對稱的金球（G）。
二、可靠性分析（檢測方法）
1、金線拉力
金線拉力測試是一種用于評估金線球焊連接可靠性的破壞性檢驗方法。該方法通過測量金線在斷裂前能承受的最大拉力，來確定連接的強度。測試結(jié)果會受到金線材料、測試點位置以及鍵合弧形態(tài)的不同而有所變化。在進行測試時，通常將推拉力設(shè)備的應(yīng)用點設(shè)置在金線長度的中點，即金線長度的一半位置，以此來獲取測試數(shù)據(jù)。這種方法能夠揭示金線連接中最脆弱的斷裂點。如下圖所示：
如需要得到更準確的第一焊點或者第二焊點拉力，可以將測試桿放在接近第一焊點的頸部或第二焊點的線尾處如圖6所示[3]。
2、焊球剪切力測試
金線球焊剪切力測試是一種用于評估半導(dǎo)體封裝中金線焊點強度的測試方法。該測試是生產(chǎn)過程中監(jiān)控生產(chǎn)能力和穩(wěn)定性的關(guān)鍵標準之一，通常作為統(tǒng)計過程控制（SPC）測試中的重要組成部分。測試過程中，使用推拉力設(shè)備對金線鍵合的第一焊點或第二焊點施加推力，通過觀察焊球被推落后的表面狀態(tài)，可以判斷金球失效的模式。具體的金球失效模式包括：
1、Ball lift：推球后，焊區(qū)金屬層上殘留的金線小于或等于25%，表明金球與焊區(qū)金屬層的連接不夠牢固。
2、Ball shear：推球后，焊區(qū)金屬層上殘留的金線大于或等于25%，這通常意味著金球與焊區(qū)金屬層之間存在較強的連接。
3、Pad metal lift：焊區(qū)金屬層與芯片基底分離，金球上粘附有焊區(qū)金屬，表明焊區(qū)金屬層與芯片基底的連接強度不足。
4、Cratering：芯片基底的硅層或氧化層部分損壞或脫落，這可能是由于剪切力過大或材料本身的脆弱性造成的。
在進行剪切力測試時，通常會將推拉力設(shè)備的測試桿放置在金線長度的中點位置，以獲得準確的測試結(jié)果。通過這種測試，可以有效地監(jiān)控和保證金線球焊的可靠性，確保半導(dǎo)體封裝的質(zhì)量和性能。
三、常用檢測設(shè)備
1、 Beta S100 推拉力測試機
1）設(shè)備概述
a、多功能焊接強度測試儀是一種專為微電子領(lǐng)域設(shè)計的動態(tài)測試設(shè)備，用于評估引線鍵合后的焊接強度、焊點與基板的粘接強度以及進行失效分析。該儀器能夠執(zhí)行多種測試，如晶片推力測試、金球推力測試和金線拉力測試，配備有高速力值采集系統(tǒng)，以確保測試的精確性。
b、用戶可以根據(jù)具體的測試需求更換相應(yīng)的測試模塊，系統(tǒng)將自動識別并調(diào)整到合適的量程。這種靈活性使得設(shè)備能夠適應(yīng)不同產(chǎn)品的測試需求。每個測試工位都設(shè)有獨立安全高度和速度限制，以防止因誤操作而損壞測試探頭。該系統(tǒng)以快速、精確和廣泛的適用性為特點。
c、該測試儀廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路封裝測試、LED封裝測試、光電器件封裝測試、PCBA電子組裝測試，以及汽車電子、航空航天和軍事等領(lǐng)域。同時，它也適用于電子分析和研究單位進行失效分析，以及教育機構(gòu)的教學和研究活動。
2）設(shè)備特點
3) 試驗流程
步驟1、模塊簡介與準備：
檢查測試機和模塊，確保所有設(shè)備均已校準并處于良好的工作狀態(tài)。
步驟2、模塊安裝
將測試模塊插入機器的安裝位置，接通電氣供應(yīng)。
系統(tǒng)顯示模塊的初始化界面并初始化測試模塊。
模塊初始化結(jié)束后，界面消失，系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。
步驟3、壓縮空氣檢查
確保壓縮空氣的氣壓在0.4-0.6MPA之間。
檢查減壓閥設(shè)定是否正常，避免氣壓過低、過高、水分過多或供應(yīng)斷斷續(xù)續(xù)。
步驟4、測試推刀(或鉤針安裝
安裝專用的測試用推刀（鉤針）。
選擇適合用戶測試用的推刀型號，并與銷售商聯(lián)系確認。
將推刀（鉤針）推入安裝孔，對正位置，并用固定螺絲鎖緊。
步驟5、夾具固定
將相關(guān)夾具沿卡口卡入試驗臺，并順時針鎖緊固定螺絲。
步驟6、設(shè)定測試參數(shù)
在軟件的測試方法界面中設(shè)置測試參數(shù)。
輸入新的測試方法名稱，選擇相應(yīng)的傳感器。
設(shè)置測試速度、合格力值、剪切高度和著落速度。
所有參數(shù)設(shè)定好后，點擊保存以生效。
步驟7、測試過程
在顯微鏡下觀察測試動作，確保試樣固定好。
將測試推刀（鉤針）擺放于被測試樣品的后上方，啟動測試。
觀察測試動作，如有任何不合適的情況，可終止測試。
測試完成后，結(jié)果將顯示在軟件的測試結(jié)果界面中。
步驟8、測試結(jié)果觀察
觀察產(chǎn)品破壞情況，進行失效分析。
如需多次試驗，重新調(diào)整產(chǎn)品及推刀位置后，可再次開始試驗。
步驟9、數(shù)據(jù)保存
試驗結(jié)束后，點擊“新的測試"提示保存測試結(jié)果。
點擊“確定"保存數(shù)據(jù)。
步驟10、測試報告編制
根據(jù)測試結(jié)果編制測試報告，包括測試條件、測試結(jié)果、數(shù)據(jù)分析和結(jié)論。
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