引線鍵合廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、半導(dǎo)體行業(yè)和微電子行業(yè)。它使芯片與集成電路 (IC) 中的其他電子元件(如晶體管和電阻器)之間實(shí)現(xiàn)互連。引線鍵合可在芯片的鍵合焊盤(pán)與封裝基板或另一芯片上的相應(yīng)焊盤(pán)之間建立電氣連接。

半導(dǎo)體和電子制造市場(chǎng)正在不斷擴(kuò)大。最近的一份報(bào)告預(yù)測(cè)，到 2032 年，半導(dǎo)體市場(chǎng)的價(jià)值將增長(zhǎng)到超過(guò) 20625.9 億美元。隨著需求的不斷增長(zhǎng)，測(cè)試引線鍵合的重要性也隨之增加。這些連接對(duì)于將半導(dǎo)體芯片連接到封裝引線或基板至關(guān)重要。這些鍵合中的任何缺陷都可能導(dǎo)致斷路或短路等問(wèn)題，嚴(yán)重影響設(shè)備功能。因此，測(cè)試引線鍵合不僅是為了確?？煽啃院徒档蜕a(chǎn)成本，也是為了保證符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

以下是影響引線鍵合的一些常見(jiàn)缺陷：

· 電線下垂：當(dāng)電線在張力下拉伸或下垂時(shí)發(fā)生，導(dǎo)致接觸不足和電氣性能受損。

· 線偏移：這指的是在鍵合過(guò)程中線的橫向移動(dòng)，導(dǎo)致錯(cuò)位和隨后的不可靠連接。

· 形成環(huán)路：無(wú)意的多余導(dǎo)線可能會(huì)導(dǎo)致形成環(huán)路，從而對(duì)鍵合質(zhì)量和器件功能產(chǎn)生不利影響。

· 電線短路：這是一種嚴(yán)重缺陷，兩根電線發(fā)生意外電接觸，可能導(dǎo)致電路故障甚至設(shè)備完全故障。

· 線路斷路：是指應(yīng)與焊盤(pán)電連接的線路斷開(kāi)的缺陷，從而造成開(kāi)路并破壞設(shè)備的功能。

測(cè)試方法概述

測(cè)試引線鍵合缺陷最廣泛采用的方法是使用自動(dòng)X射線檢測(cè)(AXI)的光學(xué)/X射線檢測(cè)和使用自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)的電氣測(cè)試方法。

AXI 使用 X 射線穿透并捕獲引線鍵合的詳細(xì)圖像，檢測(cè)隱藏的缺陷，例如異物、空隙和密封問(wèn)題。它是一種非破壞性技術(shù)，非常適合檢查復(fù)雜的組件。然而，它速度慢、成本高，而且存在輻射安全問(wèn)題。

另一方面，ATE 測(cè)試引線鍵合的電氣特性，識(shí)別諸如開(kāi)路、短路和性能下降等問(wèn)題。它速度快、一致性高且可編程，非常適合大批量生產(chǎn)，但可能無(wú)法檢測(cè)結(jié)構(gòu)和機(jī)械缺陷。

除了電氣和光學(xué)測(cè)試方法外，還可以采用其他技術(shù)來(lái)評(píng)估引線鍵合。例如，引線和鍵合拉力測(cè)試可以測(cè)量引線鍵合或帶狀鍵合的抗拉強(qiáng)度，球剪切測(cè)試可以分析球鍵合，熱循環(huán)可以通過(guò)將它們置于不同的溫度下來(lái)評(píng)估耐久性，而應(yīng)力測(cè)試可以評(píng)估引線鍵合的耐熱性和隨時(shí)間變化的機(jī)械應(yīng)力。

電容測(cè)試是一種新方法，利用金屬表面(例如引線鍵合)和金屬板(也稱(chēng)為 IC 上方的傳感器板)之間的耦合特性。此設(shè)置有效地將 IC 的每個(gè)引腳和引線鍵合轉(zhuǎn)換為電容器的導(dǎo)電板。它允許檢測(cè)以前傳統(tǒng) ATE 和 X 射線方法無(wú)法發(fā)現(xiàn)的缺陷，例如引線鍵合和內(nèi)引線之間的“近短路”以及垂直下垂的導(dǎo)線。此外，電容測(cè)試可以識(shí)別諸如不正確的模具和模具化合物之類(lèi)的問(wèn)題。

電容測(cè)試原理

使用電容耦合方法檢測(cè)引線鍵合缺陷的原理相對(duì)簡(jiǎn)單。這種方法涉及通過(guò)共享電場(chǎng)而不是直接電連接在兩個(gè)導(dǎo)體之間傳輸電能。這允許未通過(guò)電線物理連接的組件之間進(jìn)行通信或信號(hào)傳輸。

此概念可應(yīng)用于引線鍵合測(cè)試，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)導(dǎo)電表面之間的電容：引線鍵合區(qū)域上方的電容結(jié)構(gòu)和與引線鍵合相關(guān)的導(dǎo)電路徑。通過(guò)分析導(dǎo)電表面的電容響應(yīng)，可以評(píng)估封裝 IC 內(nèi)引線鍵合的狀況和位置。

如圖 1 所示，無(wú)矢量測(cè)試增強(qiáng)型探針 (VTEP) 就是實(shí)現(xiàn)此類(lèi)測(cè)試的一個(gè)示例。該探針采用先進(jìn)的電容和電感傳感技術(shù)來(lái)檢測(cè)和測(cè)量印刷電路板 (PCB) 上組件和互連的電氣特性。與需要詳細(xì)輸入輸出矢量的傳統(tǒng)測(cè)試方法不同，該技術(shù)無(wú)需這些矢量即可運(yùn)行，并提供出色的信噪比特性。

圖 1：Keysight 非矢量測(cè)試增強(qiáng)探頭 (VTEP)

如下圖 2 所示，該解決方案利用先進(jìn)的電容和電感傳感技術(shù)來(lái)檢測(cè)和測(cè)量引線鍵合電容值。此過(guò)程涉及通過(guò)保護(hù)針將刺激注入引線框架，然后傳輸?shù)揭€鍵合。當(dāng)放大器接觸到傳感器板(在本例中為電容結(jié)構(gòu))時(shí)，它會(huì)完成電路并拾取耦合響應(yīng)。

圖 2：使用 VTEP 的四方扁平封裝 (QFP) 引線鍵合測(cè)試裝置的橫截面視圖

通過(guò)這種方法，電氣結(jié)構(gòu)測(cè)試儀 (EST) 利用先進(jìn)的電容和電感傳感技術(shù)以及部件平均測(cè)試 (PAT) 統(tǒng)計(jì)算法，從一組已知良好的單元中學(xué)習(xí)基線引線鍵合測(cè)試。這使用戶(hù)能夠?qū)⑷魏我€鍵合變化捕獲為異常值，例如下圖 3 中測(cè)試儀捕獲的近短路缺陷。

圖 3：使用 s8050 EST 捕獲并在 X 射線下驗(yàn)證的“近短路”缺陷

電容式測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)和局限性

電容測(cè)試方法對(duì)于外圍引線排列封裝特別有效，因?yàn)橐€位于同一側(cè)或圍繞 IC。常見(jiàn)示例包括雙列直插式封裝 (DIP) 和四方扁平封裝 (QFP)。在這些封裝中，所有引線都彼此相鄰或圍繞 IC 封裝的周邊。這些封裝導(dǎo)致單層引線鍵合排列在芯片周?chē)?，而不是堆疊在一起。這種配置使得測(cè)量電容耦合信號(hào)以確定引線鍵合的物理位置相對(duì)容易且精確。

然而，由于技術(shù)進(jìn)步和 IC 復(fù)雜性的增加，出現(xiàn)了更先進(jìn)的封裝類(lèi)型，例如涉及多層引線堆疊的球柵陣列 (BGA)。這種先進(jìn)的方法由于引線鍵合的排列更復(fù)雜(如下圖 4 所示)，給電容耦合信號(hào)的測(cè)量帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)。

圖 4：球柵陣列 (BGA) 封裝的頂視圖

電容耦合方法可能不適合這些先進(jìn)類(lèi)型的 IC 封裝。例如，BGA 將其引線鍵合焊盤(pán)排列在芯片周?chē)?PCB 上的同心環(huán)中，從而產(chǎn)生多個(gè)重疊的導(dǎo)線層。這種配置使測(cè)量電容耦合信號(hào)更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼤?huì)影響強(qiáng)度和信噪比，如圖 5 所示。

圖 5：多條導(dǎo)線相互重疊的 BGA 封裝橫截面圖

因此，在選擇電容耦合測(cè)試方法之前，考慮引線鍵合的排列非常重要。具有復(fù)雜引線鍵合排列的先進(jìn)封裝類(lèi)型可能需要替代測(cè)試方法來(lái)確保測(cè)量準(zhǔn)確和缺陷的可靠檢測(cè)。

微電子領(lǐng)域的轉(zhuǎn)換引線鍵合缺陷篩選

引線鍵合是微電子技術(shù)中的關(guān)鍵，隨著市場(chǎng)增長(zhǎng)預(yù)測(cè)的飆升，對(duì)高效測(cè)試方法的需求比以往任何時(shí)候都要大。雖然傳統(tǒng)的 AXI 和 ATE 系統(tǒng)提供了有價(jià)值的見(jiàn)解，但它們也存在很大的局限性。IC 中會(huì)出現(xiàn)不同類(lèi)型的引線鍵合變形缺陷，并且有各種系統(tǒng)可以針對(duì)每種缺陷進(jìn)行處理。

ATE 系統(tǒng)可以輕松檢測(cè)電氣缺陷，例如開(kāi)路、短路和線路缺失。這些系統(tǒng)非常適合高產(chǎn)量環(huán)境。但是，它們只能測(cè)試電氣缺陷，無(wú)法檢測(cè)其他問(wèn)題，例如多余或雜散的線路、近乎短路的下垂或掃線。因此，在 ATE 測(cè)試期間，IC 可能看起來(lái)功能齊全，但實(shí)際上可能并非如此。

相比之下，AXI 可以檢測(cè)所有引線鍵合缺陷。但是，這種方法需要人工目視檢查，這需要大量勞動(dòng)力，而且容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤。在高產(chǎn)量環(huán)境中篩查每一批 IC 封裝也是不切實(shí)際的，因?yàn)檫@會(huì)造成瓶頸。相反，只能隨機(jī)篩查少量樣本，這限制了 AXI 進(jìn)行全面缺陷檢測(cè)的有效性。

電容式測(cè)試解決了這兩個(gè)難題。這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)能夠檢測(cè)出傳統(tǒng) ATE 和 X 射線系統(tǒng)以前無(wú)法發(fā)現(xiàn)的缺陷，包括引線鍵合和內(nèi)部引線之間的“近短路”以及垂直下垂的引線。此外，它還可以識(shí)別諸如不正確的模具和模具化合物等問(wèn)題，從而擴(kuò)展其診斷能力。

當(dāng)與 PAT 統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合時(shí)，此類(lèi)測(cè)試可以輕松檢測(cè)電氣和非電氣缺陷，具有高測(cè)試吞吐量，并可應(yīng)對(duì)高生產(chǎn)節(jié)拍率。