金丝塌陷问题分析及可靠性提高

王柳 夏伟 王洋

[摘    要]文章分析某新型厚膜混合集成电路进行小批试制时，出现金丝塌陷问题，进而导致产品出现功能异常的情况。试验分析发现，在加工过程、筛选检验过程中因操作不當可造成金丝塌陷。进一步分析发现，产品设计阶段对工艺结构设计，以及加工可操作性考虑欠缺，造成设计不合理，是引起金丝塌陷的主要原因。针对可造成金丝塌陷的原因，提出相关措施，提高产品可靠性。

[关键词]金丝塌陷;加工异常;筛选检验异常;可靠性

[中图分类号]TN452 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–00–03

Problem Analysis of the Gold wire sink and improvement of reliability

Wang Liu，Xia Wei，Wang Yang

[Abstract]This paper analyzes a functional abnormality caused by a new thick film Hybrid Integrated Circuit have a problem of gold wire sink when it comes to small-scale trials. It is found that the problme of gold wire sink may due to improper operation in the process of processing and screening. Further analysis shows that lack of consideration in product structure and maneuverability leads to unreasonable design in the designing stage and the unreasonable design is the main cause of gold wire sink. This paper also puts forward relevant measures to improve product reliability.

[Keywords]Gold wire sink;Processing Anomaly;Select and examine Anomaly;Reliability

厚膜混合集成电路是半导体技术与厚薄膜集成技术进行有机结合而形成的产物，是微电子技术的一种^[1]。主要应用在航空、航天、卫星导航、船舶、兵器等领域。可靠性是确保产品能够在各领域正常发挥功效的重要特性。对可靠性影响最大的因素主要包括：半导体芯片的失效、键合点的失效（脱落或者虚焊）以及沾污引起的失效^[2]。据统计，失效比例为有源器件31.3%、键合23.2%，键合的失效比例排在第二位^[3]。金丝塌陷是导致键合失效的原因之一。本文主要研究一种金丝塌陷问题的原因及提高金丝键合可靠性的措施。

1 概述

某新型厚膜混合集成电路进行小批试制，在成品检验时出现功能异常情况。对失效产品进行X光检测发现，失效产品键合的金丝均存在变形和重叠问题，如图1所示。开壳确认，发现金丝塌陷变形，少数金丝有搭接现象，如图2所示。其余状态不变，将塌陷的搭接金丝分开后重新测试，失效产品电性能恢复正常。为保证后续批产无隐患，对该例金丝塌陷问题进行了失效分析，在产品定型前进行改进。

2 金丝塌陷失效分析

综合失效产品、产品结构、制造流程等情况，金丝塌陷失效的原因可能出现在加工过程、筛选检验过程，据此列出金丝塌陷问题的故障树，如图3所示，对这些因素进行失效分析。

2.1 加工异常

根据制造流程（图4），可以看出，金丝键合后需要进行调试和平行缝焊，如果键合线过长或非破拉力和平行缝焊等后道工序操作过程中误碰触，可能导致压塌金丝。加工异常原因金丝塌陷问题主要分为4个方面，分别是键合工艺异常、调试异常、非破拉力异常和平行封焊异常。

2.1.1 键合工序异常

键合是通过键合设备施加压力、机械振动、电能或热能等不同能量于接头处，形成连接接头的一种方法^[4]。金丝键合是实现微波多芯片组件电气互连的关键技术，金丝键合直接影响到电路的可靠性和稳定性^[5]。因此，首先对键合工序进行试验分析。在同样的工作环境下，设备、人员、材料、工具都与问题产品批次保持一致，按照相同的工艺文件实施，加工完成后在30～60倍显微镜下进行专项检查，若出现表1中的任何一项即可判定不合格。

经试验分析发现，金丝键合线长由操作人员手工完成，需要通过特殊手法控制键合线长度，不能过短，避免与芯片边缘搭接，也不能过长，避免塌陷。但具体长度无法精确定量控制，特别是芯片四周跨度较长的键合点，如图5所示。因此，虽然试验产品在键合工序没有出现金丝塌陷问题，但是存在金丝过长的问题，经过后面多道工序可能会出现金丝塌陷问题。

图5  芯片键合后的实物

2.1.2 调试异常

混合集成电路调试是在封盖前进行，经试验分析发现，如果调试人员误碰到腔体内部，就会压塌金丝，造成金丝塌陷。但由于调试后会进行非破拉力试验，会对金丝进行整形，所以问题产品金丝塌陷可以排除是调试过程中人员碰触造成的。

2.1.3 非破拉力异常

非破拉力按GJB 548B—2005方法2023.1实施，要求拉力点在引线中点和引线弯曲最高点之间，如图6所示。非破拉力试验能够对调试后的金丝进行整形，由于手工操作，金丝高度不一致，如图7所示。经试验分析发现，该工序如果操作不当，可能造成金丝塌陷。查问题产品后面内部目检记录，发现无金丝压塌问题，所以问题产品金丝塌陷可以排除由非破拉力操作不当引起。

2.1.4 平行缝焊工序异常

平行缝焊属于电阻焊。用电极对被焊器件施加一定压力的同时断续通电，利用电极间的接触电阻产生的焦耳热使金属盖板与管壳镀层熔化结合，保证了气密性焊接，确保了管芯和电路与外界环境的隔绝，避免外界有害气氛的侵袭，限制封装腔体内水汽含量和自由粒子等。经试验发现，如果平行缝焊过程中误碰金丝，如指套、流程卡等可能会造成较大的压塌，因取放盖板等操作不当也会造成边缘金丝塌陷。观察问题产品的金丝变形搭接形貌，金丝弯折区域靠近楔形焊点，体积较大的碰触无法形成此类弯曲，而塌陷芯片处于混合集成电路中部，取放盖板时无法触碰，故可以排除问题产品平行缝焊过程中操作人员误碰金丝造成金丝塌陷。

2.2 筛选、检验过程异常

混合集成电路封装后进行了细检漏、老炼、机械冲击、温度循环、高低温和密封试验（包括粗检漏和细检漏）。混合集成电路结构如图8所示，经分析确认，如果试验过程中的应力导致外壳盖板形变，可能会压塌金丝。

2.2.1 筛选试验过程异常

混合集成电路封装后进行了老炼、机械冲击、温度循环和高低温试验，经试验未发现盖板变形，查试验过程记录，未出现筛选试验过程中造成的金丝塌陷异常问题，所以问题产品金丝塌陷可以排除筛选试验过程异常引起。

2.2.2 检漏试验过程异常

混合集成电路平行缝焊后，会进行密封自检，操作人员自行进行细检漏。细检漏条件为GJB 548B—2005方法1014.2条件A1，310 kPa加压2h。经试验发现，如果在检漏加压过程中，盖板凹陷，可能触碰到金丝，从而导致金丝塌陷。

经检查问题产品壳体平整情况，发现产品中间有明显凹陷，根据图形比例测算中部凹陷尺寸>1 mm，如图9所示。盖板和金丝之间的设计裕量仅有1 mm左右，此时，盖板就会压塌芯片的金丝，出现金丝变形、搭接现象，造成金丝塌陷问题。

综上所述，厚膜混合集成电路金丝塌陷问题是由于产品结构设计时，腔体深度设计裕量不足，芯片键合点间距较长。在产品加工时，键合高度未进行有效控制，后续检漏试验加压导致盖板凹陷，从而压塌金丝。

3 金丝塌陷机理分析

厚膜混合集成电路内部某型芯片尺寸为6 mm×6 mm，根据图像比例，测算出最长焊盘间距约为2.8 mm。当键合点跨度过长时，金丝经过非破拉力后，高度会明显增加，如图10所示。对键合后的芯片进行拍照，根据芯片厚度，测算最高键合点高度为0.82 mm。当金丝最高点受到压力时，根据受力分析，键合线的长边就会在薄弱处（中间附近）弯曲。

根据密封试验条件以及金属壳体材料进行计算机仿真，414 kPa大气压作用下，盖板所受最大应力达到1246 MPa，大于可伐材料的最大屈服强度（517 MPa），盖板将发生塑性变形，形变量大于0.868 mm。如图11所示，仿真计算出最大弹性形变量为0.868 mm，实际形变大于1 mm。

总结试验分析发现，在制造流程的各个工序环节由于操作不当可能造成金丝塌陷，键合工序试验发现因对键合线长度无要求可能造成金丝塌陷，筛选检验等工序试验发现施加压力导致盖板变形可能造成金丝塌陷。进一步分析发现，产品在研制设计阶段因结构设计没有充分考虑，造成芯片的焊盘集中在中部，会导致两侧键合线过长，芯片面积大，厚度相对较薄，导致两边的键合长度较难控制，壳体盖板与内部器件间距裕量不足，经过试验分析发现都会造成金丝塌陷问题。

4 可靠性提高

要减少金丝塌陷，提高金丝键合的可靠性有很多方法可以实施，比如保证工作环境符合条件，降低粒子污染;控制好加热平台温度，減少返工次数;控制好键合设备参数等。根据本文的失效分析的各项试验判断，可以通过以下方面进行改进提高。

（1）在工艺文件中明确控制键合线的长度和高度，在产品批产前签署下发至操作一线。

（2）针对低腔体产品在工序流程“成品检验”环节前增加“X光检验”环节，判定内部是否出现金丝塌陷等问题。

（3）针对低腔体、大尺寸的产品键合检测，定制专用工装，增加检测手段，保证金丝长度搭接等符合规定。

（4）修订相关设计规范，明确裸芯片设计中焊盘间距、位置控制等设计细节。

5 结束语

随着厚膜混合集成电路技术的不断发展，应用领域急剧扩展，不断提高产品的可靠性是迫在眉睫的需要。金丝键合在厚膜混合集成电路制造过程中属于关键过程，一丝一毫的失误都会造成产品失效。产品的可靠性是设计出来的，只有在设计时充分考虑工艺参数及产品的可操作性，才能确保产品的可靠性。

参考文献

[1] 李振锋，何超，范捷，等.浅谈厚膜混合集成电路可靠性的分析与提高[J].科学与信息化，2018（4）：77-79.

[2] 侯翠群.厚膜混合集成电路可靠性分析与提高[D].南京：南京理工大学，2001.

[3] 李孝轩，丁友石，严伟.统计过程控制用于金丝键合质量控制研究[J].电子工艺技术，2009，3（6）：346-348.

[4] PhilipEGarrou，LwonaTurlik.多芯片组件技术手册[M].北京：电子工业出版社，2006.

[5] 孙瑞婷.微组装技术中的金丝键合工艺研究[J].舰船电子对抗，2013，36（4）：117-120.