สาเหตุความล้มเหลวในการเชื่อมต่อสายไฟที่พบบ่อยที่สุดมีอะไรบ้าง?

การเชื่อมต่อด้วยลวด (Wire bonding) เป็นหนึ่งในกระบวนการเชื่อมต่อที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ กระบวนการนี้สร้างเส้นทางไฟฟ้าเชื่อมระหว่างชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์กับโครงตะกั่ว (lead frame) แผ่นรองรับ (substrate) หรือขั้วต่อของบรรจุภัณฑ์ หากการเชื่อมต่อ วงจรลวด หรือโครงสร้างบรรจุภัณฑ์โดยรอบไม่ได้รับการควบคุมอย่างเหมาะสม อาจเกิดข้อบกพร่องขึ้นได้ในระหว่างการผลิต การทดสอบความน่าเชื่อถือ หรือการใช้งานภาคสนาม

แพ็คเกจที่ล้มเหลวหลังจากทำการเชื่อมต่อด้วยลวดไม่ได้หมายความว่าปัญหาเกิดจากอุปกรณ์เพียงอย่างเดียวเสมอไป สาเหตุที่แท้จริงอาจเกี่ยวข้องกับสภาพพื้นผิว การเคลือบโลหะบนแผ่นรอง ลวดเชื่อมต่อ พารามิเตอร์ของกระบวนการ เครื่องมือ การรองรับวัสดุ หรือความเครียดของบรรจุภัณฑ์ในภายหลัง ดังนั้น การระบุรูปแบบความล้มเหลวที่แท้จริงจึงเป็นขั้นตอนแรกสู่การแก้ไขที่มีประสิทธิภาพ

1. สาเหตุทั่วไปของความล้มเหลวในการเชื่อมต่อสายไฟ

การยกเลิกพันธบัตรหรือการเปิดพันธบัตร

การหลุดลอกของพันธะเกิดขึ้นเมื่อพันธะลูกบอลหรือพันธะตะเข็บแยกออกจากแผ่นรอง เฟรมตะกั่ว หรือพื้นผิว สามารถตรวจพบได้ทันทีโดยการทดสอบทางไฟฟ้า การทดสอบแรงดึงสายไฟ หรือการตรวจสอบด้วยสายตา แต่พันธะที่ไม่สมบูรณ์อาจพัฒนาไปเป็นวงจรขาดตอนหรือวงจรเปิดได้หลังจากได้รับความเครียดจากความร้อนหรือแรงทางกล

ส้นเท้าแตกและลวดหัก

ส่วนที่เรียกว่า "ส้น" คือบริเวณรอยต่อระหว่างลวดที่ยึดติดและลวดส่วนที่เป็นอิสระ การเสียรูปมากเกินไป รูปทรงของห่วงที่ไม่เหมาะสม รูปทรงของเครื่องมือ การงอซ้ำๆ หรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ อาจทำให้เกิดรอยแตกในบริเวณนี้ได้ รอยแตกที่ส้นอาจขยายตัวจนกระทั่งลวดขาดวงจรไฟฟ้า

ความเสียหายจากการเกิดหลุมบ่อหรือการเคลือบโลหะบนแผ่นรอง

แรงยึดติดที่มากเกินไปหรือพลังงานอัลตราโซนิกที่มากเกินไปอาจทำให้แผ่นยึดติด ฉนวน หรือโครงสร้างซิลิคอนที่อยู่ด้านล่างเสียหายได้ ผลที่เกิดขึ้นโดยทั่วไป ได้แก่ แผ่นยึดติดหลุดลอก การกระเด็นของอะลูมิเนียม การเกิดหลุมใต้แผ่นยึดติด หรือการแตกร้าวของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ความเสียหายเหล่านี้อาจมองไม่เห็นจากพื้นผิวด้านบนเสมอไป และอาจต้องใช้การวิเคราะห์ภาคตัดขวางหรือการวิเคราะห์ด้วยคลื่นเสียง

ข้อบกพร่องในการขึ้นรูปของลูกบอล ตะเข็บ และหาง

สภาวะการดับเปลวไฟทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่เสถียร สายไฟปนเปื้อน ท่อแคปิลลารีสึกหรอ หรือพารามิเตอร์ที่ไม่ถูกต้อง อาจทำให้เกิดลูกบอลอากาศอิสระที่ผิดรูป การเชื่อมต่อลูกบอลที่ไม่ตรงกลาง การเชื่อมต่อตะเข็บที่อ่อนแอ หางสั้น หรือการไม่ติดแน่น ข้อบกพร่องเหล่านี้ลดความสม่ำเสมอของกระบวนการและอาจเพิ่มความเสี่ยงในการแก้ไขงานหรือการรั่วไหล

การเสียรูปของวงจรและการลัดวงจรของสายไฟ

ความสูงของลูป ระยะห่าง หรือทิศทางของลูปที่ไม่ถูกต้อง อาจทำให้สายไฟที่อยู่ติดกันสัมผัสกัน หรือสัมผัสกับตัวบรรจุภัณฑ์ ขอบแม่พิมพ์ หรือสารประกอบในแม่พิมพ์ได้ การโค้งงอของสายไฟระหว่างการขึ้นรูปก็เป็นอีกสาเหตุหนึ่งที่อาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจร โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับสายไฟที่ยาวหรือบาง

2. สาเหตุหลักของความล้มเหลวในการเชื่อมต่อสายไฟ

การปนเปื้อนและการเกิดออกซิเดชันของพื้นผิว

สารตกค้างอินทรีย์ ฝุ่นละออง รอยนิ้วมือ การปนเปื้อนของซิลิโคน และออกไซด์บนพื้นผิว สามารถลดพื้นที่การยึดเกาะที่มีประสิทธิภาพและป้องกันการสัมผัสระหว่างพื้นผิวที่เสถียรได้ การปนเปื้อนอาจมาจากวัสดุที่เข้ามา การติดชิ้นส่วน การทำความสะอาด การจัดเก็บ การจัดการ หรือกระบวนการใกล้เคียง เนื่องจากแม้แต่แผ่นรองที่ดูสะอาดตา ก็อาจมีการปนเปื้อนในระดับโมเลกุล การควบคุมกระบวนการจึงน่าเชื่อถือมากกว่าการตรวจสอบด้วยสายตาเพียงอย่างเดียว

หน้าต่างกระบวนการยึดติดที่ไม่เสถียรหรือไม่ถูกต้อง

พลังงานอัลตราโซนิก แรงยึดติด เวลาในการยึดติด และอุณหภูมิของแท่นวางทำงานร่วมกัน การป้อนพลังงานไม่เพียงพออาจทำให้พื้นที่การยึดติดมีขนาดเล็กและเกิดการเชื่อมต่อที่ไม่แข็งแรง การป้อนพลังงานมากเกินไปอาจทำให้ลวดเสียรูปมากเกินไป ทำลายชั้นโลหะของแผ่นรอง เกิดรอยแตกที่ฐาน หรือทำให้เกิดหลุมบ่อ การตั้งค่าที่เหมาะสมที่สุดขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางและวัสดุของลวด องค์ประกอบของแผ่นรอง การรองรับบรรจุภัณฑ์ รูปทรงของเครื่องมือ และสภาพของอุปกรณ์

ความเข้ากันได้ของวัสดุสายไฟและแผ่นรอง

ลวดทองคำ ทองแดง ทองแดงเคลือบแพลเลเดียม เงิน และอลูมิเนียม มีความแตกต่างกันในด้านความแข็ง พฤติกรรมการเกิดออกซิเดชัน และการเกิดสารประกอบโลหะระหว่างกัน ตัวอย่างเช่น ลวดทองแดงโดยทั่วไปต้องการช่วงการทำงานที่แคบกว่า เนื่องจากมีความแข็งกว่าทองคำและสามารถสร้างแรงกดดันต่อโครงสร้างแผ่นรองได้มากกว่า ความหนา ความสม่ำเสมอ และสภาวะการจัดเก็บของผิวเคลือบแผ่นรองก็มีผลต่อความสามารถในการยึดติดและความน่าเชื่อถือในระยะยาวเช่นกัน

สภาพของเส้นเลือดฝอย ลิ่ม และอุปกรณ์

ท่อแคปิลลารีหรือลิ่มที่สึกหรอ บิ่น หรือปนเปื้อน อาจทำให้รูปร่างของพันธะและสภาวะแรงเสียดทานเปลี่ยนแปลงไปได้ ความแปรปรวนในประสิทธิภาพของตัวแปลงสัญญาณอัลตราโซนิก การสอบเทียบหัวเชื่อม แคลมป์ลวด ความเสถียรของ EFO อุณหภูมิของฮีตเตอร์ หรือการควบคุมแกน Z ก็อาจทำให้ผลลัพธ์ไม่สม่ำเสมอได้เช่นกัน ควรจัดการอายุการใช้งานของเครื่องมือโดยพิจารณาจากจำนวนการเชื่อมที่จำกัดและแนวโน้มคุณภาพมากกว่าพิจารณาจากลักษณะภายนอกเพียงอย่างเดียว

ความไม่สอดคล้องกันระหว่างความเค้นทางความร้อนเชิงกลและสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE)

ความไม่ตรงกันของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ระหว่างชิป สายไฟ แผ่นรอง และวัสดุขึ้นรูป ก่อให้เกิดความเครียดทางความร้อนเชิงกลระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ลักษณะการเกิดความเครียดแบบวัฏจักรนี้ นำไปสู่ความล้มเหลวจากความล้าทางความร้อน – รอยแตกจะเริ่มปรากฏและขยายตัว จนในที่สุดจะทำให้สัญญาณเสื่อมคุณภาพหรือเกิดวงจรเปิด ในการทดสอบการเปลี่ยนแปลงกำลังไฟและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ การหลุดลอกของจุดเชื่อมต่อสายไฟเป็นโหมดความล้มเหลวที่สำคัญซึ่งจำกัดอายุการใช้งาน

3. วิธีปรับปรุงความน่าเชื่อถือของการเชื่อมต่อสายไฟ

การควบคุมความสะอาดของพื้นผิว

กำหนดข้อกำหนดสำหรับการจัดการ การจัดเก็บ และการทำความสะอาดสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (die) เฟรมตะกั่ว (lead frames) และวัสดุรองรับ (substrate) การทำความสะอาดด้วยพลาสมา การทำความสะอาดด้วยพลาสมาสามารถกำจัดสารตกค้างอินทรีย์หลายชนิดและกระตุ้นพื้นผิวที่เลือกก่อนการยึดติดได้ แต่ควรตรวจสอบชนิดของก๊าซ กำลังไฟ เวลาในการรักษา และความเข้ากันได้ของวัสดุ การทำความสะอาดมากเกินไปอาจทำให้พื้นผิวที่บอบบางเปลี่ยนแปลงได้ ดังนั้นการทำความสะอาดด้วยพลาสมาควรเป็นกระบวนการที่ควบคุมได้ ไม่ใช่การตั้งค่าแบบทั่วไป

กำหนดช่วงเวลาการตรวจสอบกระบวนการ

ใช้การทดลองที่ออกแบบมาเพื่อประเมินพลังงาน แรง เวลา และอุณหภูมิของคลื่นอัลตราโซนิคไปพร้อมกัน สูตรที่เลือกควรให้ความแข็งแรงในการดึงหรือเฉือนที่ยอมรับได้ รูปทรงการยึดติดที่เสถียร และไม่มีความเสียหายต่อแผ่นรองภายใต้ความแปรผันของวัสดุและอุปกรณ์ที่คาดการณ์ไว้ โดยทั่วไปแล้วกระบวนการที่อยู่ตรงกลางของช่วงการทำงานจะมีความแข็งแกร่งกว่าสูตรที่ทำงานใกล้ขีดจำกัดของข้อบกพร่อง

บำรุงรักษาและปรับเทียบเครื่องเชื่อมลวด

ตรวจสอบท่อแคปิลลารี ลิ่ม แคลมป์ลวด ส่วนประกอบ EFO และตัวแปลงสัญญาณอัลตราโซนิกเป็นระยะๆ ตรวจสอบแรงยึดติด อุณหภูมิของแท่นวาง ความแม่นยำในการวางตำแหน่ง และประสิทธิภาพของอัลตราโซนิก บันทึกการบำรุงรักษาเชิงป้องกันควรเชื่อมโยงกับแนวโน้มของข้อบกพร่องเพื่อระบุการเปลี่ยนแปลงทีละน้อยก่อนที่จะทำให้ผลผลิตลดลง

เสริมสร้างการควบคุมวัสดุขาเข้าให้เข้มงวดขึ้น

ระบุความบริสุทธิ์ของลวด เส้นผ่านศูนย์กลาง คุณสมบัติทางกล การจัดเก็บในม้วน และอายุการใช้งาน ตรวจสอบผิวสัมผัสของแผ่นรอง ความหนาของชั้นโลหะ สภาพของโครงลวด และความสะอาดของวัสดุรองรับ การทดแทนวัสดุควรผ่านการทดสอบการเชื่อมต่อและการตรวจสอบความน่าเชื่อถือ แทนที่จะปล่อยใช้งานโดยพิจารณาจากความเท่าเทียมกันทางมิติเพียงอย่างเดียว

ใช้การตรวจสอบระหว่างกระบวนการผลิตและการติดตามทางสถิติ

ผสมผสานภาพหรือ การตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ โดยใช้การทดสอบแรงดึงลวด แรงเฉือนลูกบอล หรือแรงเฉือนยึดติดตามความเหมาะสม ติดตามขนาดของการยึดติด รูปแบบความเสียหาย ผลการทดสอบแรงดึงหรือแรงเฉือน เหตุการณ์ที่ไม่ติด และการใช้งานเครื่องมือผ่านการควบคุมกระบวนการทางสถิติ การตรวจสอบแนวโน้มมีประสิทธิภาพมากกว่าการพึ่งพาการตรวจสอบผ่าน/ไม่ผ่านขั้นสุดท้ายเพียงอย่างเดียว

จับคู่มาตรการแก้ไขกับลักษณะความล้มเหลว

อย่าเพิ่มกำลังหรือแรงของคลื่นอัลตราโซนิคโดยอัตโนมัติเมื่อพบว่าการยึดติดไม่แข็งแรง ให้ระบุตำแหน่งและสาเหตุของการยึดติดก่อน อาจใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง การจำแนกประเภทความล้มเหลวจากการทดสอบแรงดึง กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน การตัดขวาง การวิเคราะห์ธาตุ และการถ่ายภาพด้วยคลื่นเสียง ขึ้นอยู่กับลักษณะของข้อบกพร่อง การแก้ไขควรเน้นไปที่กลไกที่ได้รับการยืนยันแล้ว

4. คู่มือการแก้ไขปัญหาอย่างรวดเร็ว