文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了溫度循環(huán)與功率循環(huán)下引線鍵合的可靠性問題。

目前，行業(yè)內(nèi)已針對溫度循環(huán)和功率循環(huán)導(dǎo)致的引線鍵合可靠性問題開展了大量探討，后續(xù)還將對金屬疲勞進(jìn)行明確定義，并列出部分典型的應(yīng)力-失效循環(huán)次數(shù)（S-N）失效曲線，但暫未提供應(yīng)力與失效循環(huán)次數(shù)相關(guān)的冶金學(xué)數(shù)據(jù)。已有多位研究者針對金絲和鋁絲的疲勞問題開展研究，部分研究成果中已給出相關(guān)的S-N曲線。下文將詳細(xì)展示金絲和鋁絲合金的疲勞相關(guān)信息，同時也會對銅合金絲的S-N實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行描述。

美國康奈爾大學(xué)的一個研究團(tuán)隊(duì)，開展了最為全面的引線疲勞綜合研究，搭建了專用試驗(yàn)設(shè)備，可在不同溫度（20℃、75℃和125℃）以及三種不同應(yīng)變振幅下，研究引線的失效循環(huán)次數(shù)。該設(shè)備可用于線徑25μm的鋁絲和金絲的疲勞測試，其中針對含1%硅的標(biāo)準(zhǔn)鋁絲的研究結(jié)果，至今仍被廣泛沿用；而針對金絲的研究結(jié)果，目前仍具有參考價(jià)值。該研究報(bào)告中未詳細(xì)說明所測試的兩種金絲的具體類型，因此其研究結(jié)果可能與當(dāng)前最新的引線應(yīng)用場景存在明顯差異。試驗(yàn)中施加的應(yīng)變振幅分別為0.7%、5%和10%，通常而言，微電子系統(tǒng)中期望應(yīng)變振幅處于較低水平且具有可重復(fù)性，基于這一要求，0.7%應(yīng)變振幅下的試驗(yàn)結(jié)果顯示，引線失效循環(huán)次數(shù)范圍為1000~10000次，且在較低溫度環(huán)境下，引線具有更長的疲勞壽命。在測試的金絲樣品中，其中一種金絲的失效循環(huán)次數(shù)高于鋁絲，另一種則低于鋁絲，這些數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，無法在1-2張圖表中合并呈現(xiàn)，感興趣的讀者可查閱原始研究資料獲取詳細(xì)數(shù)據(jù)。

當(dāng)處于高溫環(huán)境中時，含1%硅的鋁絲內(nèi)部會形成較大的硅團(tuán)聚體，進(jìn)而發(fā)展成脆弱的竹節(jié)結(jié)構(gòu)，這些硅團(tuán)聚體可作為應(yīng)力集中源，容易引發(fā)裂紋，從而縮短引線的疲勞壽命。因此，這類摻雜硅的鋁絲，其熱循環(huán)（T-Cy）疲勞壽命，相較于未長時間處于高溫環(huán)境下的鋁絲預(yù)期壽命更短。對于實(shí)際器件中使用的金絲，其準(zhǔn)確疲勞壽命難以進(jìn)行精準(zhǔn)估算。有研究者開展了多種特定鋁合金絲的疲勞壽命研究，相關(guān)數(shù)據(jù)如圖3所示，研究表明，含1%鎂的鋁絲具有優(yōu)異的機(jī)械彎曲（CF）疲勞壽命（未測試其溫度循環(huán)疲勞壽命），同時還將試驗(yàn)中的偏移量與某一器件工作過程中鋁絲的實(shí)際測量值進(jìn)行了對比。自該研究開展以來，鋁合金絲的性能變化較為微小，因此該對比結(jié)果至今仍然有效，但應(yīng)與上述康奈爾大學(xué)使用更精密設(shè)備獲得的研究結(jié)果進(jìn)行對比分析。

綜合考慮上述所有討論內(nèi)容的不確定性，無論是空腔封裝還是塑料封裝，引線在熱循環(huán)過程中確實(shí)會發(fā)生疲勞失效，因此在設(shè)計(jì)需要承受明顯溫度波動的互連系統(tǒng)時，必須充分考慮引線疲勞這一問題，設(shè)計(jì)人員往往只能在有限數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對引線的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測。顯然，目前仍需要開展更多研究工作，通過使用相似的精密試驗(yàn)設(shè)備，更好地表征鍵合引線相關(guān)的力學(xué)性能。在空腔封裝中，解決引線疲勞問題的實(shí)際方案是提高鍵合引線弧高與長度的比值，這一措施可在給定溫度變化（ΔT）條件下，將引線的彎曲量降至最低。該解決方案同時適用于金絲和鋁絲。