一種涂膠封裝半導體綁定金線斷裂失效原因分析及改善方法

甘聲豹 蘇華飛 宋建華

摘? 要：在半導體封裝工藝中，芯片鍵合是非常關鍵的一環，其中綁定是芯片鍵合的一種普遍方式，它用高純度金線把芯片接口和基板接口鍵合，從而實現信號的傳輸和電氣連接[1]。然而使用過程中綁定容易出現一些故障，金線斷裂是綁定常見的故障原因之一。本文通過對一種PCBA上涂有防護膠的傳感器進行不良解析，采用故障樹梳理金線斷裂的可能因素，結合CT掃描、金線斷面SEM對比分析等方式，找出金線頸部斷裂的根本原因并提出改善方法，為金線斷裂分析提供了一種有效的解析方式。

關鍵詞：涂膠封裝；綁定金線斷裂；故障樹；CT掃描；SEM；對比分析

中圖分類號：U463.46? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2024）02-0070-05

Failure Reason Analysis and Improvement Method of Bonding Gold Wire for a Semiconductor Encapsulated with Protective Adhesive

GAN Sheng-bao， SU Hua-fei， SONG Jian-hua

（ VOYAH Automobile Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430056， China）

Abstract： In semiconductor encapsulation technology， chip bonding is a crucial step， and bonding is a common method of chip bonding. It uses high-purity gold wire to bond the chip interface and substrate interface， thereby achieving signal transmission and electrical connection [1]. However， bonding is prone to some faults during use， and gold wire breakage is one of the common causes of bonding failures. This article analyzes the defects of a PCBA sensor coated with protective adhesive， uses a fault tree to sort out the possible factors of gold wire fracture， and combines CT scanning， and SEM comparative analysis of gold wire cross-section to identify the root cause of gold wire neck fracture and propose improvement methods， providing an effective analysis method for gold wire fracture analysis.

Key Words： Adhesive Encapsulated; Bonding Wire Breakage; Fault Tree; CT Scanning; Sem; Comparative Analysis

引? ? 言

傳感器是現代汽車重要的電子元器件，通過感知汽車實際情況，為車輛的控制提供關鍵信號。其中綁定作為傳感器芯片封裝中的重要過程，直接影響傳感器的可靠性。

用戶在使用過程中，傳感器可能因為PCBA線路不良、元器件焊接不良、芯片失效、綁定金線斷裂等原因引起故障，這需要質量分析工作者通過實驗分析找出故障原因，針對原因做出改善，從而提高產品可靠性。某車型在路試檢測時，行駛過程中出現轉向無助力現象，讀取整車故障碼，顯示當前故障為轉向扭矩傳感器通道A存在錯誤，經排查鎖定直接原因是通道A ASIC芯片綁定金線斷裂，引起輸出電壓超差，導致傳感器A通道錯誤。為進一步分析金線斷裂產生的根本原因，對PCBA進行溶膠，通過金線斷面SEM對比分析，最后在傳感器裝配方式、金線拉力過程能力提升等方面提出改善，為解決同類問題提供思路和方法。

1? ? 轉向扭矩傳感器制造工藝流程

轉向扭矩傳感器制造工藝流程如圖1所示：

綁定是通過焊接方式將芯片引腳與PCBA引腳用金線連接的一種技術，如圖2所示。常見的綁定金線封裝工藝主要包括焊絲加熱、焊絲放置、焊絲接觸、焊絲連接和焊絲修剪等步驟。在這個過程中，需要保證綁定金線能夠牢固連接，并提供良好的導電通路。

轉向扭矩傳感器制造過程中，綁定金線表層涂覆Coating膠、PCBA表層涂覆Potting膠用來防止振動、及異物污染，如圖3所示：

2? ? 傳感器故障原因分析

2.1? ?故障原因確定

CT是一種利用精確準直的X線束、γ射線、超聲波等，與靈敏度極高的探測器一同對被測物的某一部位作斷面成像的掃描方式[2]。對故障傳感器采用CT分析金線內部狀態，由傳感器制造工藝可知，金線和PCBA表層均覆蓋防護膠，CT可有效觀察到金線狀態。分析發現#1、#2、#3點位金線頸部異常，如圖4所示：

同時根據傳感器故障FTA對其他可能因素如：PCBA制程異常、芯片異常、外圍電路異常等逐項展開確認并逐一排除。最后確定傳感器故障的根本原因是3根回路的綁定金線斷裂。

2.2? ?金線斷裂原因挖掘

對造成金線頸部斷裂原因進行深入挖掘，采用故障樹梳理所有可能因素：①二焊點溫度、壓力、功率、時間異常；②金線拉力??；③劈刀型號錯誤；④劈刀壽命超期；⑤劈刀磕傷；⑥Coating膠型號錯誤；⑦Coating膠流動性黏度過大；⑧Coating膠打膠量過大；⑨烘烤溫度過高、時間過長；⑩烘烤過程受熱不均勻；?劈刀觸碰金線；?鑷子觸碰金線；?手、治具觸碰金線；?傳感器受外力沖擊?；诠收蠘?，對供應商進行現場審核并針對性逐一排查，排除①③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩???因素，鎖定?傳感器受外力沖擊和②金線拉力小是該失效件金線頸部斷裂的兩個主要因素，如圖6所示：

3? ? 傳感器受外力沖擊因素解析確認

SEM是一種介于透射電子顯微鏡和光學顯微鏡之間的一種觀察手段，其利用聚焦很窄的高能電子束來掃描樣品，通過光束與物質間的相互作用，來激發各種物理信息，對這些信息收集、放大、再成像以達到對物質微觀形貌表征的目的[3]。為了確認金線斷裂與傳感器受外力沖擊的關聯性，對金線金線SEM分析其微觀形貌。

3.1? ?模擬件金線斷面SEM分析

金線直徑為0.8mil，未查到如此小失效件SEM分析的參考資料，特制作綁定金線疲勞斷裂和沖擊斷裂模擬[4]其微觀差異，作為故障件形貌參考。模擬件#a、#b點位金線為疲勞斷裂，#c點位金線為沖擊斷裂，對其進行SEM金線斷面分析，如圖7所示。

在SEM掃描下：當放大倍數為1K倍時，#a點位金線和#b點位金線斷面呈現不規則形貌，#c點位金線斷面呈現規則相貌；為更清晰區分兩種斷裂模式下金線斷面形貌，將放大倍數增加到5K倍和10K倍，此時可以清晰的觀察到#a點位金線和#b點位金線斷面韌口明顯卷曲，呈現疲勞斷裂形貌，而#c點位金線斷面韌口方向齊整，呈現沖擊斷裂形貌[5]。

3.2? ?失效件金線斷面SEM分析

根據失效件CT結果，對綁定異常點位#1、#2、#3金線斷面進行SEM分析。在0.9K倍SEM掃描下，三個點位金線斷口均規則鋒利；在被放大到2.5K和5K倍，觀察其斷面均呈現韌口方向齊整形貌，與模擬件的沖擊斷裂形貌一致，如圖8所示：

由SEM對比分析，確認傳感器受外力沖擊是導致該失效件綁定金線頸部斷裂的直接原因。轉向扭矩傳感器在運輸和裝配過程中需嚴禁非常規外力沖擊：比如跌落、裝配敲擊等。

4? ? 金線拉力小因素解析確認

外部沖擊會導致傳感器綁定金線斷裂，金線自身強度也是影響其斷裂的因素之一，而金線拉力是衡量金線質量的重要指標，綁定工藝如圖9所示。

在相同金線線徑條件下，金線焊接過程與金線拉力相關聯因素有：線一焊點參數、線二焊點參數、劈刀壽命、弧高。其中，線一焊點為金線與芯片引腳間焊接點，線二焊點為金線與PCBA引腳間焊接點，劈刀為金線焊接工裝，弧高為金線焊接完成后拱起高度。

對每種因素不同條件各測試20組金線拉力，取拉力平均值，對比同一因素下不同取值的金線拉力均值，如圖10所示。

由實驗可知，不同弧高會對金線拉力產生明顯影響，金線弧高由104μm提高到293μm時，拉力平均值由6.58g提升到8.85g，通過提高金線弧高可以實現金線拉力的提升，如表1所示：

根據實驗結果，供應商對金線弧高進行優化，改善前金線弧高為200μm，金線拉力過程能力Cpk=1.447；改善后金線弧高為240μm，金線拉力過程能力Cpk=2.293，如圖11所示：

5? ? 結語

通過高清CT和SEM確認了故障的根本原因是綁定金線斷裂，可作為同類PCBA封裝件失效原因分析的參考。

對線徑只有0.8mil的金線斷面分析中，采用對比分析方法，先通過模擬件明確疲勞斷裂和沖擊斷裂呈現出的不同斷面形貌，然后對失效件金線斷面進行SEM掃描，最后和模擬件比對確認斷裂類型。其分析方法和SEM形貌特征可作為其它類似項目上的參考。

本文還從金線自身強度提升著手，指出綁定過程中弧高與金線拉力的正向關系。有助于綁定過程改善。

參考文獻：

[1]石磊，朱建新.半導體器件物理與工藝[M].機械工業出版社，2019.

[2]陳浩，江子涵.CT系統參數標定及成像研究[J].黑龍江科技信息，2021，006.

[3]孟慶新，李蓉.某車型發動機電子水泵卡簧失效原因分析[J].測試試驗，2019，10.（119-121）.

[4]閆桂玲，王弘，高慶.超聲疲勞試驗方法及其應用[J].力學與實踐，2004，26.

[5]劉柯軍，邵亮.汽車零件失效分析[M].機械工業出版社，2022.