Какие наиболее распространенные причины отказов при проволочном соединении?

Проволочное соединение — один из наиболее широко используемых процессов межсоединений в полупроводниковой упаковке. Он создает электрический путь между полупроводниковым кристаллом и выводной рамкой, подложкой или клеммой корпуса. Если интерфейс соединения, проволочная петля или окружающая структура корпуса не контролируются должным образом, во время производства, испытаний на надежность или эксплуатации в полевых условиях могут возникать дефекты.

Выход из строя корпуса после проволочного соединения не обязательно указывает на проблему, связанную с одним конкретным оборудованием. Первопричина может включать состояние поверхности, металлизацию контактных площадок, используемую проволоку для соединения, параметры процесса, оснастку, опору подложки или последующее напряжение при упаковке. Поэтому определение фактического характера отказа является первым шагом к эффективному устранению проблемы.

1. Типичные виды отказов при проволочном соединении

Поднятие или открытие клеевого шва

Отслоение соединения происходит, когда шариковое или шовное соединение отделяется от контактной площадки, выводной рамки или подложки. Это можно обнаружить немедленно с помощью электрического тестирования, проверки на протяжку провода или визуального осмотра, но даже при некачественном соединении оно может переходить в прерывистые или обрывы цепи после термического или механического воздействия.

Трещина в пятке и обрыв проволоки

Пятка — это переходная зона между припаянной проволокой и свободной проволочной петлей. Чрезмерная деформация, неподходящий профиль петли, геометрия инструмента, многократные изгибы или термические циклы могут привести к образованию трещин в этой области. Трещина в пятке может расти до тех пор, пока проволока не окажется электрически разомкнутой.

Образование кратеров на площадке или повреждение металлизации

Чрезмерное усилие при склеивании или ультразвуковая энергия могут повредить контактную площадку, нижележащий диэлектрик или кремниевую структуру. Типичные последствия включают отслоение контактной площадки, разбрызгивание алюминия, образование кратеров под контактной площадкой или растрескивание кристалла. Эти дефекты не всегда видны с верхней поверхности и могут потребовать анализа поперечного сечения или акустического анализа.

Дефекты формирования шара, шва и хвоста

Нестабильные условия электронного пламенного зажигания, загрязненная проволока, изношенные капилляры или неправильные параметры могут привести к образованию деформированных шариков в свободном пространстве, смещению шариковых соединений от центра, слабым шовным соединениям, коротким хвостикам или отлипанию. Эти дефекты снижают стабильность процесса и могут увеличить риск доработки или брака.

Деформация петли и короткое замыкание провода

Неправильная высота, размах или траектория петли могут привести к тому, что соседние провода будут соприкасаться друг с другом или соприкасаться с корпусом, краем кристалла или компаундом для литья. Проволочное перемещение во время литья также является возможным источником коротких замыканий, особенно при использовании длинных или тонких проводов.

2. Основные причины отказов при проволочном соединении

Загрязнение и окисление поверхности

Органические остатки, пыль, отпечатки пальцев, силиконовые загрязнения и поверхностные оксиды могут уменьшить эффективную площадь склеивания и препятствовать стабильному межфазному контакту. Загрязнение может происходить из поступающих материалов, мест крепления кристалла, чистящих средств, условий хранения, обработки или близлежащих процессов. Поскольку даже визуально чистая площадка может содержать молекулярные загрязнения, контроль процесса более надежен, чем один лишь визуальный осмотр.

Нестабильный или неправильный технологический режим склеивания

Энергия ультразвука, сила сцепления, время сварки и температура платформы работают совместно. Недостаточная мощность ультразвука может привести к малой площади сварного шва и слабому межфазному соединению. Чрезмерная мощность ультразвука может чрезмерно деформировать проволоку, повредить металлизацию контактной площадки, вызвать трещины в пятке или образование кратеров. Оптимальные настройки зависят от диаметра и материала проволоки, состава контактной площадки, типа корпуса, геометрии инструмента и состояния оборудования.

Совместимость материалов проволоки и контактных площадок

Проволока из золота, меди, меди с палладиевым покрытием, серебра и алюминия различается по твердости, поведению при окислении и образованию интерметаллических соединений. Например, для медной проволоки обычно требуется более узкий технологический диапазон, поскольку она тверже золота и может создавать большее напряжение в структуре контактной площадки. Толщина покрытия контактной площадки, его однородность и условия хранения также влияют на адгезию и долговременную надежность.

Состояние капилляров, клина и оборудования.

Изношенный, поврежденный или загрязненный капилляр или клин могут изменить форму склеивания и условия трения. Изменения в работе ультразвукового преобразователя, калибровке сварочной головки, зажимах проволоки, стабильности EFO, температуре нагревателя или управлении осью Z также могут приводить к непостоянным результатам. Срок службы инструмента следует контролировать, исходя из ограничений по количеству склеиваемых материалов и тенденций качества, а не только по внешнему виду.

Термомеханическое напряжение и несоответствие коэффициента теплового расширения (КТР)

Несоответствие коэффициентов теплового расширения (КТР) между микросхемой, проводом, контактной площадкой и компаундом для литья создает термомеханическое напряжение при колебаниях температуры. Циклический характер этого напряжения приводит к термической усталости – возникают и распространяются трещины, в конечном итоге вызывая ухудшение сигнала или обрыв цепи. При испытаниях на циклическую нагрузку и температурные циклы отрыв проволочных соединений является основным видом отказа, ограничивающим срок службы.

3. Как повысить надежность проволочного соединения

Чистота поверхности управления

Определите требования к обращению, хранению и очистке кристаллов, выводных рамок и подложек. Плазменная очистка Плазменная очистка позволяет удалить многие органические остатки и активировать отдельные поверхности перед склеиванием, однако необходимо проверить тип газа, мощность, время обработки и совместимость материалов. Чрезмерная обработка может изменить чувствительные поверхности, поэтому плазменную очистку следует рассматривать как контролируемый процесс, а не как универсальную процедуру.

Создайте окно для проверки процесса.

Используйте спланированные эксперименты для оценки одновременной концентрации ультразвуковой энергии, силы, времени и температуры. Выбранный рецепт должен обеспечивать приемлемую прочность на растяжение или сдвиг, стабильную геометрию соединения и отсутствие повреждений контактной площадки при ожидаемых колебаниях материала и оборудования. Процесс, использующий центр окна, как правило, более надежен, чем рецепт, работающий вблизи предела дефектности.

Обслуживание и калибровка устройства для сварки проводов.

Проводите осмотр капилляров, клиньев, проволочных зажимов, компонентов EFO и ультразвуковых преобразователей через определенные интервалы времени. Проверяйте усилие сцепления, температуру платформы, точность позиционирования и ультразвуковые характеристики. Записи о профилактическом техническом обслуживании должны быть сопоставлены с тенденцией возникновения дефектов, чтобы выявлять постепенное изменение характеристик до того, как оно приведет к снижению выхода годной продукции.

Укрепить контроль за поступлением материалов.

Укажите чистоту проволоки, диаметр, механические свойства, условия хранения на катушке и срок годности. Проверьте качество покрытия контактной площадки, толщину металлизации, состояние выводной рамки и чистоту подложки. При замене материалов следует проводить испытания на прочность соединения и проверку надежности, а не выпускать их на основании только эквивалентности размеров.

Используйте внутрипроизводственный контроль и статистический мониторинг.

Сочетайте визуальное или автоматизированный оптический контроль При необходимости можно проводить испытания на протяжку проволоки, сдвиг шарика или сдвиг клеевого соединения. Отслеживайте размеры соединения, режимы разрушения, результаты протяжки или сдвига, случаи прилипания и использование инструмента с помощью статистического контроля процессов. Мониторинг тенденций более эффективен, чем полагаться только на окончательную проверку «прошел/не прошел».

Сопоставьте корректирующие действия с характером отказа.

При обнаружении слабого соединения не следует автоматически увеличивать мощность или силу ультразвука. Сначала необходимо определить место и причину разрушения соединения. В зависимости от дефекта могут быть использованы оптическая микроскопия, классификация причин разрушения при испытании на растяжение, сканирующая электронная микроскопия, поперечное сечение, элементный анализ и акустическая визуализация. Корректирующие действия должны быть направлены на выявленный механизм разрушения.

4. Краткое руководство по устранению неполадок