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鍵合引線

半導(dǎo)體器件中，互連引線的電流承載能力是一項(xiàng)關(guān)鍵的封裝設(shè)計(jì)參數(shù)，圍繞這一參數(shù)已開展大量相關(guān)研究。引線燒斷（熔斷）是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其影響因素眾多，既包括引線自身的冶金性能、長(zhǎng)度、使用氣氛、是否采用塑料包封，也涵蓋電流負(fù)載循環(huán)方式、鍵合類型（球形鍵合或楔形鍵合）以及通過(guò)芯片或封裝體鍵合處的散熱效果。除此之外，引線的電阻率、熱導(dǎo)率、電阻溫度系數(shù)和熔點(diǎn)，也是影響熔斷的重要因素。另外，楔形鍵合點(diǎn)的變形量、鍵合質(zhì)量（焊接界面占比）等細(xì)節(jié)因素，同樣會(huì)對(duì)短引線的熔斷產(chǎn)生影響，但這類因素在已公開的研究中從未被系統(tǒng)評(píng)估或考慮過(guò)。

從芯片或封裝體傳導(dǎo)至引線的熱量，以及特定長(zhǎng)度引線通電后產(chǎn)生的焦耳熱，都是改變?nèi)蹟嚯娏鞯暮诵囊蛩亍Ｒ虼?，在空腔封裝中，假設(shè)鍵合界面完全焊接且形變量最小，引線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，熔斷電流就越低——這是因?yàn)橐€越長(zhǎng)，產(chǎn)生的焦耳熱越多，且向兩端鍵合點(diǎn)傳導(dǎo)的熱量越少；當(dāng)引線長(zhǎng)度達(dá)到一定值時(shí)，從引線內(nèi)部向鍵合點(diǎn)外部傳導(dǎo)的熱量可忽略不計(jì)。隨著引線長(zhǎng)度繼續(xù)增加，引線內(nèi)部的熱量對(duì)流以及向環(huán)境中的熱輻射損失會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)這兩種散熱方式對(duì)熱量損失過(guò)程的控制作用，會(huì)超過(guò)向鍵合點(diǎn)外部傳導(dǎo)的熱量。不過(guò)，這種規(guī)律與塑料包封器件中引線的熔斷行為完全不同。

鋁絲在氧氣（或空氣）中的熔斷響應(yīng)，與在惰性氣體或真空中存在顯著差異。在氧氣環(huán)境中，若施加1ms及以下的快速熔斷電流，鋁絲兩端會(huì)形成變形的熔球；但如果采用緩慢遞增電流的方式加熱（時(shí)長(zhǎng)超過(guò)幾秒），鋁絲表面會(huì)生成一層較厚的氧化鋁護(hù)套，這層護(hù)套會(huì)改變引線與環(huán)境的熱傳遞效率，既能防止液態(tài)金屬進(jìn)一步氧化，也能固定液態(tài)金屬形態(tài)。因此，鋁絲的溫度可升高至其熔點(diǎn)以上數(shù)百度，表現(xiàn)出明顯高于理論值的熔斷電流。當(dāng)撤去電流后，液態(tài)金屬冷卻收縮，若氧化鋁護(hù)套內(nèi)沒(méi)有連續(xù)的金屬殘留，就會(huì)形成斷路；在部分情況下，引線不會(huì)熔斷，從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)看，其熔斷電流會(huì)高于預(yù)期值。這一現(xiàn)象最早由Kessler觀察并報(bào)道，后續(xù)研究也進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)論。

   金絲不會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，幾乎在其熔點(diǎn)溫度下直接熔斷，且斷開的兩端會(huì)形成規(guī)整的金絲熔球。假設(shè)兩端焊點(diǎn)的散熱效果相同，金絲通常會(huì)在其跨距的中心位置熔斷。由于金絲不僅熔點(diǎn)較高，電阻率也較低，因此其熔斷電流高于鋁絲。遺憾的是，針對(duì)長(zhǎng)度低于1mm的短引線（該長(zhǎng)度范圍內(nèi)，更多熱量會(huì)通過(guò)焊端點(diǎn)傳導(dǎo)出去），不同裸線長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的熔斷電流數(shù)據(jù)十分匱乏；同理，如前文所述，金絲長(zhǎng)度越短，其產(chǎn)生的總焦耳熱就越少。

前文提及的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，展示了兩端均為楔形鍵合（或等效結(jié)構(gòu)）的金絲和鋁絲，在直流電流緩慢遞增條件下的引線熔斷試驗(yàn)結(jié)果，為便于數(shù)據(jù)對(duì)比，圖中還包含了兩組短引線的熔斷數(shù)據(jù)。鍵合長(zhǎng)度與熔斷電流之間存在連續(xù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，線徑25μm的裸金絲，其熔斷電流隨引線長(zhǎng)度延長(zhǎng)而持續(xù)降低——長(zhǎng)度為1mm時(shí)，熔斷電流約為1.8A；當(dāng)長(zhǎng)度達(dá)到5mm及以上時(shí)，熔斷電流趨于穩(wěn)定，約為0.6A，長(zhǎng)引線的最低熔斷電流與現(xiàn)有研究結(jié)果基本一致。圖1所示為金絲和鋁絲熔斷電流與長(zhǎng)度關(guān)系的推算示例圖，清晰呈現(xiàn)了熔斷電流隨引線長(zhǎng)度延長(zhǎng)而降低的趨勢(shì)。通常可認(rèn)為，傳統(tǒng)雜質(zhì)含量低于10ppm的引線，其熔斷性能與圖1中計(jì)算的純金絲一致；在相同條件下，雜質(zhì)含量高達(dá)1%的金絲會(huì)使電阻率升高，進(jìn)而降低熔斷電流。此外需要注意，當(dāng)鍵合引線采用塑料包封時(shí)，其熔斷電流會(huì)明顯增大。

鍵合方法和鍵合質(zhì)量也會(huì)影響熔斷電流，長(zhǎng)度較短的球形鍵合金絲，其熔斷電流高于同等長(zhǎng)度的楔形-楔形鍵合金絲。這是因?yàn)樾ㄐ捂I合的頸部會(huì)限制引線的電流流通和熱量傳導(dǎo)，而尺寸較大的焊球可作為散熱源，與芯片形成良好的熱接觸。例如，在其他條件完全相同的情況下，線徑25μm的楔形-楔形鍵合金絲在直流0.6A時(shí)熔斷，而相同線徑的球形-楔形鍵合金絲可承受直流1A的電流。由于熱量可通過(guò)焊球更好地向外傳導(dǎo)，球形鍵合點(diǎn)一側(cè)的引線冷卻速度更快，因此熔斷點(diǎn)會(huì)從引線中心向楔形鍵合點(diǎn)偏移；若熱量分布對(duì)稱，熔斷才會(huì)發(fā)生在引線中心位置。

部分引線生產(chǎn)商會(huì)提供其產(chǎn)品的熔斷數(shù)據(jù)表，但這些數(shù)據(jù)表通常僅以字母或其他編碼形式標(biāo)注，因此可能不適用于其他生產(chǎn)商的引線產(chǎn)品。即便如此，這些數(shù)據(jù)仍具有參考價(jià)值，因?yàn)樗鞔_表明，不同的引線摻雜成分會(huì)影響熔斷性能和電阻率。目前，95%以上的集成電路均為塑料封裝器件，令人意外的是，針對(duì)這種情況下（金）引線熔斷的研究卻十分有限。一些機(jī)構(gòu)僅為內(nèi)部使用開展了少量研究，并未公開發(fā)表研究成果，其中一項(xiàng)由某大學(xué)完成的課題，以未公開發(fā)表報(bào)告的形式留存，本文部分結(jié)論也參考了該報(bào)告內(nèi)容。

由于引線周圍塑料化合物的熱導(dǎo)率高于空氣，因此塑料包封的引線比空氣中的引線可承載更大的電流。但當(dāng)電流提升至某一臨界值時(shí)，引線產(chǎn)生的熱量會(huì)顯著增加，進(jìn)而影響鄰近包封料的導(dǎo)熱特性——導(dǎo)致包封料發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變、熔化、碳化、揮發(fā)等問(wèn)題，最終在引線與塑料之間形成空氣間隙，或使塑料變?yōu)闊峤^緣狀態(tài)，從而導(dǎo)致引線快速熔斷。該報(bào)告發(fā)現(xiàn)，引線上的電壓降（溫度的間接指示）會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則增大的現(xiàn)象，這一變化可反映出塑料發(fā)生了一系列熱特性轉(zhuǎn)變。在部分包封結(jié)構(gòu)中，線徑30μm（1.2mil）的金絲在失效前，可承受幾安培的電流持續(xù)工作超過(guò)一小時(shí)；而對(duì)于長(zhǎng)引線而言，塑料包封后的失效電流反而低于空氣中的裸引線。

如前文所述，空氣中的金絲熔斷后，兩端會(huì)形成規(guī)整的熔球；但在塑料包封條件下，塑料與填充料的相互作用會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的失效模式，典型失效現(xiàn)象如圖2所示。失效的金絲上未發(fā)現(xiàn)明顯熔球，在去除包封料的過(guò)程中，也未發(fā)現(xiàn)掉落的球形碎片，但引線表面會(huì)粘附無(wú)機(jī)填充料顆粒。在該塑料包封示例中，線徑25μm金絲的熔斷電流為1.1A（通過(guò)手動(dòng)緩慢提高電流測(cè)得），約為同等長(zhǎng)度25μm裸金絲在空氣中預(yù)測(cè)值的2倍。

空腔封裝和塑料包封內(nèi)，引線對(duì)瞬態(tài)電流和脈沖電流的響應(yīng)也存在差異，這一現(xiàn)象通常可通過(guò)建模方式理解，且目前對(duì)空腔封裝中引線的熔斷機(jī)制已掌握較為透徹。但包封塑料的熱容和熱導(dǎo)率會(huì)顯著提高瞬態(tài)熔斷電流，加之建模難度較大，目前尚未有針對(duì)塑料包封引線熔斷的建模研究，不過(guò)有許多針對(duì)簡(jiǎn)單場(chǎng)景（空氣中的引線）的模型可供參考。

考慮到精準(zhǔn)確定引線最大承載電流的復(fù)雜性，多數(shù)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)不會(huì)直接考慮熔斷電流這一指標(biāo)，而是通過(guò)按2~3倍的系數(shù)增大線徑，或在功率器件中使用多根引線等方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，器件中很少出現(xiàn)引線熔斷問(wèn)題，一旦發(fā)生熔斷失效，通常是由設(shè)備或系統(tǒng)故障導(dǎo)致的——例如短路或瞬態(tài)過(guò)沖可能會(huì)損壞器件，即便此時(shí)引線并未熔斷。此外，仍需要開展更多實(shí)驗(yàn)研究，以充分理解塑料包封引線的熔斷機(jī)制，以及空腔封裝中引線末端與鍵合相關(guān)的各類散熱問(wèn)題（如球形鍵合、楔形鍵合、不良焊接等）。

印制電路板（PCB）及多芯片模組（MCM）導(dǎo)電線路的最大允許電流

雖然印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）的最大允許電流與鍵合引線的熔斷沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)，但考慮這些具有不同電流極限的常見(jiàn)封裝形式，仍具有一定的參考價(jià)值。除PCB外，常見(jiàn)的封裝形式還包括MCM、SOP、SIP等。典型PCB導(dǎo)電線路的電流承載能力相對(duì)較大，可達(dá)幾安培；而薄膜介電層上的MCM導(dǎo)電線路，橫截面尺寸較?。▽挾?~25μm，厚度4~10μm），且嵌入聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯（BCB）等熱絕緣材料中，這類結(jié)構(gòu)在電流增大時(shí)會(huì)快速升溫。

在導(dǎo)電線路發(fā)生熔斷之前，導(dǎo)電線路與PCB粘接的粘合劑，或器件導(dǎo)電線路周圍的聚合物，就會(huì)先發(fā)生熱損傷，進(jìn)而引發(fā)后續(xù)的可靠性問(wèn)題。因此，相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范通常會(huì)規(guī)定最大允許溫升，而非最大允許電流。此外，還必須考慮導(dǎo)通孔和其他縮頸部位的電流容量，以及可能發(fā)生熔化的焊接接頭。在極端情況下，PCB和SIP的絕緣材料可能會(huì)發(fā)生爆燃并形成火焰。目前，關(guān)于PCB安全電流承載能力的研究已有很多，可參考相關(guān)研究成果了解具體細(xì)節(jié)。

Coors/Gaiser/Tool發(fā)布的技術(shù)簡(jiǎn)訊中，對(duì)銅絲的優(yōu)勢(shì)和存在的問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)，相關(guān)內(nèi)容已整理在附錄中。目前，行業(yè)內(nèi)仍在針對(duì)線徑1mil及以下的銅絲技術(shù)實(shí)施，開展大量研究工作。