一文了解什么是半导体引线键合中的弹坑？

一、什么是弹坑？

弹坑，是一种由引线键合引发的隐蔽损伤。它通常表现为键合焊盘下方的半导体材料出现裂纹、孔洞，甚至局部剥落。严重时，焊盘下的材料会碎裂，断片粘在引线上，就像从地面“挖”出一块碎片。比较麻烦的是，很多时候这种损伤肉眼不可见，却会悄悄降低器件性能，甚至被误判为电路本身的电学问题。

 

二、引发弹坑的原因及解决方案

弹坑的形成通常是材料、设备、工艺三者共同作用的结果，下面总结了引发弹坑的原因及其解决方案：

1)材料(冶金)
引线越硬，越易形成弹坑
键合焊盘厚度:焊盘越薄，越易形成弹坑
键合焊盘硬度:不明确，但硬的焊盘界面层(Ti、W)会促其形成Au-Al金属间化合物导致的应力:经常出现在热处理之后(模塑料固化后)键合焊盘Si析出相:焊盘底层产生裂纹
2)材料(器件衬底)
GaAs易形成弹坑--屈服强度和断裂韧度比Si(键合于多品硅上的焊盘)低2倍:会与底层分离
3)键合机及其参数设置
超声波发生器脉冲的波形或特征;缓慢的上升时间最优超声能量:过高是有害的，有污染的键合焊盘需要更多的超声能量进行键合键合温度:低或高均有害一不明确
键合工具-引线焊盘的冲击力:高可能对球形键合有利，但对GaAs键合不利静态键合力:过高和过低对楔形键合不利EFO:对于球形键合，负极电子打火优于正极打火
4)失效特征
边缘的弹坑(会导致底层间或有源器件内发生漏电流)严重的弹坑(在键合、拉力或剪切测试过程出现断片)
热循环经常会使损伤处暴露出来9
5)品圆制程影响弹坑
键合焊盘厚度
键合焊盘和界面金属层硬度
键合焊盘Si或Cu-、Al-、Si-金属间化合物析出
多晶硅上的键合焊盘
热处理的时间、温度和冷却速率
底层的断裂性能。(热氧化层更好，杨氏模量大于CVD氧化层

 

三、显性弹坑与隐性弹坑

弹坑并不总是显而易见。根据损伤程度，它可以分为两类：

显性弹坑：键合点下方出现明显孔洞或碎片，常在剪切测试中暴露。

隐性损伤：裂纹或微损伤藏在焊点下方，只有在电性能测试、热循环或化学腐蚀后才能显现。

研究发现，最严重的损伤往往出现在键合点的边缘，而不是中心。这与传统的 Hertz 接触压力模型预测的“中心萌生”恰恰相反。真正的元凶，是超声能量，而不是单纯的机械压力。

 

四、如何发现弹坑？

弹坑之所以成为行业难题，关键就在于它的隐蔽性和随机性。轻微的损伤不会立即导致开路或短路，却会在后续工艺或使用中逐渐恶化，而小比例的出现方式，更要求检测系统具备统计处理大量数据的能力。科准测控推拉力测试机能够通过以下方式精准识别弹坑风险：

检测方法	说明
焊球剪切测试	当弹坑存在时，剪切过程中焊球下方可能出现断片或异常剥离，测试曲线呈现典型的“阶梯式”或“提前断裂”特征
楔形键合拉力测试	对于楔形键合点，拉力测试可以揭示键合点边缘的隐性裂纹，异常的低拉力值往往是弹坑的前兆
数据统计与分析	高精度力值监测与数据记录系统，能够捕捉微小异常，通过统计处理大量测试数据识别出异常趋势
可追溯性	完整的测试数据记录，帮助工程师定位问题根源，优化键合工艺

 

 

五、如何避免弹坑？

避免弹坑，需要进行系统性的优化：

材料匹配：根据芯片材质选择合适的引线材料和焊盘结构

参数精细化：通过DOE优化超声能量、键合力、温度等参数

过程控制：严格监控键合设备的波形、冲击力、EFO方式等

工艺协同：考虑后续工艺（如塑封固化、无铅焊料回流）对键合点的热应力影响

检测闭环：通过高精度推拉力测试机建立键合质量反馈机制，及时发现并纠正工艺偏移

以上就是科准测控小编为您介绍的关于引线键合工艺中弹坑的相关知识，希望对您有所帮助。如果您对于推拉力测试机在键合工艺中的应用、弹坑检测的具体操作方法，或是其他半导体封测相关的测试需求还想了解，欢迎关注我们并随时与我们交流，科准测控技术团队将竭诚为您服务。