小线径键合金丝熔断电流测试与分析

伍艺龙 罗建强 丁义超 陈绪波 李亚茹 季兴桥 康菲菲 周文艳

(中国电子科技集团公司第二十九研究所 贵研铂业股份有限公司)

摘要:

键合引线的电流承载能力是封装设计的重要考虑因素之一，如果设计不当会导致引线熔断失效。目前小线径键合金丝在高集成度、多I/O、高频率封装中的应用越来越多，但对小线径金丝熔断特性的研究较少。文中分析了熔断电流理论计算的局限性，设计了熔断电流测试样件及测试软件，对小线径金丝的熔断电流进行了测试，并给出了安全设计电流建议。

0引言

引线键合是微电子领域应用广泛的互联技术［1］。伴随着封装向高集成度、多输入/输出(I/O)、高频率方向发展，小尺寸焊盘的引线键合需求也与日俱增。受限于焊盘尺寸，必须选择足够小线径的键合丝，才能实现小尺寸焊盘的可靠键合［2］。例如，部分超高频芯片的焊盘尺寸为30μm×30μm左右，按照键合工艺中焊盘尺寸是金丝线径的1.2～2.5倍，必须使用25μm以内线径的引线才能实现制程稳定、质量可靠的键合。金由于良好的电性能和机械性能，是制造小线径键合丝的优良材料。常见的小线径键合金丝直径有25μm、18μm、15μm等，美国coining等公司甚至可以提供12μm线径的键合金丝。小线径金丝使小焊盘键合成为可能，也带来一些应用问题。例如，金丝的电流承载能力是金丝直径的函数，当金丝线径减小时，其电阻增加，相应的电流承载能力也会越低，这就使小线径金丝在高功率应用过程中熔断的概率更高。通常将金丝熔断时的电流认为是最大承载电流，在电路设计时需要根据熔断电流值进行适当的降额。当对金丝的承载电流考虑不足时，会出现金丝熔断导致的失效(见图1)。有金丝厂商给出了长度10mm、线径25μm及以上金丝的熔断电流值供参考［3］;也有文献报道了当长度1mm时，线径25μm的金丝熔断电流约为1.8A，随着金丝长度增加熔断电流显著降低，当金丝长度接近5mm或大于5mm时，熔断电流值变化不大，约为0.6A［4］。但是，关于长度1mm以内的小线径金丝的熔断电流数据较少，该范围是目前高密度封装应用的关注点。因此，本文以12μm、18μm、25μm线径金丝为研究对象，对其熔断电流进行测量与分析，旨在给出小线径金丝的使用建议。

1熔断电流理论计算的局限性

关于熔断电流的理论计算，已有诸多文献报道，文献［5］给出10mm长度金丝在标准大气压下熔断电流与引线直径的线性关系经验公式，该公式为

式中:I为金丝熔断电流，A;D为金丝线径，in;a为熔断系数(金丝为12675);C为常数(金丝为1.46)。

文献［6］用温度对基本微分方程中的电导率求解导出了熔断电流与引线长度的函数公式，该公式为

式中:D为金丝线径，mil;L为金丝长度，mil。

文献［7］给出了瞬态大电流情况下金丝的熔断电流计算公式，该公式为

式中:θ为引线承受电流的时间;D为引线直径;ρ为引线密度;c为引线比热容;I为通过引线的电流;α为引线的电阻率温度系数;ρeo为基准温度时的电阻率;t*为相对温度。

公式(1)～(3)源于理论推导或经验曲线的模拟，可以得出熔断电流随直径、引线长度等的变化趋势与熔断电流的大概估值。但是，理论计算存在以下问题:

1)计算精度差。例如，公式(2)在计算25μm金丝熔断电流时，在某些长度条件下计算精度偏差大于20%;

2)难以获得准确的金丝参数。在实际使用公式计算时，对于封装内的某特定型号引线，通常很难确定引线承受电流的时间与相对温度，以及比热容、电阻温度系数、电阻率等全部准确参数(以金丝的电阻率为例，德国贺利氏不同型号金丝的电阻率为2.2μΩ/cm～3.3μΩ/cm);

3)理论模型与实际情况不同。上述公式均未提及键合方式、封装形式、工作环境等因素的影响。因此，在某些重点关注引线熔断电流的工程实践中，需要通过试验方法获得准确的熔断电流值。

2键合金丝熔断电流测试

2.1试验设计

在封装中，小线径金丝一般用于芯片与芯片、芯片与基板、基板与基板之间的连接，典型跨距为0.5mm，某些应用场景下跨距为0.1mm(如基板上的短接丝、超高频应用的直连丝)。考虑到长金丝的自持性，一般要求金丝跨距不宜超过100倍金丝直径［8］，因此，以12μm为典型线径，设计0.1mm～1.2mm跨距、步进0.1mm的键合样件。考虑到样件的实现成本及测试便利性，选择在0.381mm厚度的氧化铝陶瓷基板上溅射、电镀上述间距的金焊盘，焊盘尺寸1mm×1mm。分别选取12μm、18μm、25μm线径的某国产品牌4N金丝进行平弧楔形键合，以保证键合后两焊盘之间的金丝长度近似于两焊盘间距。完成金丝键合的样件见图2。

为对金丝持续加电，设计熔断电流测试程序(见图3)。测试时，使用2根探针分别接触金丝两端的焊盘，通过程序控制直流电源(艾德克斯IT6724)对金丝两端的焊盘施加电压，并实时自动记录通过金丝的电流值;根据设定的起始电压及电压步进逐步增大电压，直至金丝熔断，此时测得的电流值即为金丝的熔断电流。

2.2试验结果及分析

(1)单次测量过程

在进行单次熔断电流测试时，首先，连接测试系统、装夹被测件;之后，启动软件并根据摸底试验，选择合适的起始电压及电压步进(以长度0.5mm线径12μm金丝为例，起始电压选择400mV，步进20mV，此参数设置可获得合适的测试精度及测试效率);软件对被测件进行加电，从起始电压开始步进增加金丝两端的电压值并实时监控通过金丝的电流值;当金丝即将到达熔断状态时，通过金丝的电流使金丝温度上升、阻值变大，在金丝中产生的焦耳热使金丝中部变红、直至熔断，熔断时测试结束，软件自动存储测试结果，其中最后一个电流值即金丝熔断的最小电流值。长度0.5mm线径12μm金丝单次熔断电流测试样件见图4、测试数据见图5、金丝熔断结果见图6。由熔断结果可见，金丝熔断点在金丝的正中央，这是由于在熔断试验时，电流产生的焦耳热以热传导方式从键合焊盘处传递走，并通过对流和辐射传递至周边环境中。热量从金丝两端键合处传递走的速度是近似的、向周边环境的对流和辐射是近似的，熔断就正好发生在引线的正中央。

(2)不同长度、不同线径金丝的熔断电流

使用单次测量方法，对0.1mm～1.2mm(步进0.1mm)的12μm、18μm、25μm线径金丝进行熔断电流测试，每个长度样本量为11，取有效测试数据的均值，得出不同长度、不同线径金丝的熔断电流值，见表1及图7。由测试结果可得出，对于键合良好的引线，引线长度越长，熔断电流越小;相同引线长度情况下，线径越小熔断电流约小。这是因为引线越长、线径越小，引线电阻越大，同等电流负载情况下产生的焦耳热越大，越容易使金丝达到熔点。

(3)多根金丝熔断电流

为分析多根金丝的熔断情况，做本组试验。选取0.5mm间距的焊盘，分别并排键合2根、3根12μm金丝，每个测试组样本量为11，测得熔断电流后与单根0.5mm间距12μm金丝进行比对。测试过程中，随着电压的增加，多根金丝的中部均因焦耳热变红，直至熔断;多根金丝几乎同时熔断，熔断后的残余金丝长度呈现递减状态的程度(见图8)。这是因为多根金丝可承载的电流更大，当其中一根金丝首先熔断后，其余根金丝所承受的瞬态电流值远大于单根金丝的熔断电流，所以也会随即依次熔断。多根金丝的熔断电流测试结果见表2。

2.3安全设计电流

在MIL-M-38510及GJB597A—1996《半导体集成电路总规范》中均提到了内引线的最大允许电流，即

式中:I设计为最大允许电流，A;K为常数(金丝长度≤1mm时，K为234;金丝长度＞1mm时，K为160);D为引线线径，mm。而文献［6］中指出了该公式在计算键合丝方面的局限性，并给出了最大允许电流是熔断电流一半的设计建议。因此，在设计时可参考本试验结果，将熔断电流值减半，作为金丝的最大允许电流。

当单根确定长度的金丝无法承载待传递的电流时，在焊盘尺寸、键合可操作性等方面满足要求的情况下，可以选择线径更大的金丝或多根金丝。

另外，金丝的熔断电流还受引线的工作环境(如气密性封装或灌封)、键合类型(楔焊或球焊)、被键合元件或基板的散热条件等影响，对于需要获得熔断电流精确值的应用场景，应设计与金丝实际应用状态相同的样件进行熔断电流测试。

3结语

小线径金丝使小尺寸焊盘键合成为可能，但金丝线径减小熔断电流也随之减小。本文分析了金丝熔断电流理论计算的局限性，设计了熔断电流测试样件与测试程序，测量了12μm、18μm、25μm线径金丝的熔断电流值，并给出了安全设计电流建议。该测试结果与分析，对应用小线径金丝的封装电气设计具有参考意义。