详解键合引线的疲劳性能

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文介绍了温度循环与功率循环下引线键合的可靠性问题。

目前，行业内已针对温度循环和功率循环导致的引线键合可靠性问题开展了大量探讨，后续还将对金属疲劳进行明确定义，并列出部分典型的应力-失效循环次数（S-N）失效曲线，但暂未提供应力与失效循环次数相关的冶金学数据。已有多位研究者针对金丝和铝丝的疲劳问题开展研究，部分研究成果中已给出相关的S-N曲线。下文将详细展示金丝和铝丝合金的疲劳相关信息，同时也会对铜合金丝的S-N实验过程进行描述。

美国康奈尔大学的一个研究团队，开展了最为全面的引线疲劳综合研究，搭建了专用试验设备，可在不同温度（20℃、75℃和125℃）以及三种不同应变振幅下，研究引线的失效循环次数。该设备可用于线径25μm的铝丝和金丝的疲劳测试，其中针对含1%硅的标准铝丝的研究结果，至今仍被广泛沿用；而针对金丝的研究结果，目前仍具有参考价值。该研究报告中未详细说明所测试的两种金丝的具体类型，因此其研究结果可能与当前最新的引线应用场景存在明显差异。试验中施加的应变振幅分别为0.7%、5%和10%，通常而言，微电子系统中期望应变振幅处于较低水平且具有可重复性，基于这一要求，0.7%应变振幅下的试验结果显示，引线失效循环次数范围为1000~10000次，且在较低温度环境下，引线具有更长的疲劳寿命。在测试的金丝样品中，其中一种金丝的失效循环次数高于铝丝，另一种则低于铝丝，这些数据较为复杂，无法在1-2张图表中合并呈现，感兴趣的读者可查阅原始研究资料获取详细数据。

当处于高温环境中时，含1%硅的铝丝内部会形成较大的硅团聚体，进而发展成脆弱的竹节结构，这些硅团聚体可作为应力集中源，容易引发裂纹，从而缩短引线的疲劳寿命。因此，这类掺杂硅的铝丝，其热循环（T-Cy）疲劳寿命，相较于未长时间处于高温环境下的铝丝预期寿命更短。对于实际器件中使用的金丝，其准确疲劳寿命难以进行精准估算。有研究者开展了多种特定铝合金丝的疲劳寿命研究，相关数据如图3所示，研究表明，含1%镁的铝丝具有优异的机械弯曲（CF）疲劳寿命（未测试其温度循环疲劳寿命），同时还将试验中的偏移量与某一器件工作过程中铝丝的实际测量值进行了对比。自该研究开展以来，铝合金丝的性能变化较为微小，因此该对比结果至今仍然有效，但应与上述康奈尔大学使用更精密设备获得的研究结果进行对比分析。

综合考虑上述所有讨论内容的不确定性，无论是空腔封装还是塑料封装，引线在热循环过程中确实会发生疲劳失效，因此在设计需要承受明显温度波动的互连系统时，必须充分考虑引线疲劳这一问题，设计人员往往只能在有限数据的基础上，对引线的疲劳寿命进行预测。显然，目前仍需要开展更多研究工作，通过使用相似的精密试验设备，更好地表征键合引线相关的力学性能。在空腔封装中，解决引线疲劳问题的实际方案是提高键合引线弧高与长度的比值，这一措施可在给定温度变化（ΔT）条件下，将引线的弯曲量降至最低。该解决方案同时适用于金丝和铝丝。