ワイヤボンディングの欠陥：根本原因、診断、および是正措置

ワイヤボンディングの欠陥は、単一の機械アラームや超音波出力、力、温度の急激な変化からではなく、欠陥の位置と故障モードから診断されるべきである。

非粘着現象には、表面汚染、酸化、毛細管摩耗、不安定な自由気泡形成、パッケージ支持不良、または不適切なプロセスウィンドウなどが関与している可能性があります。ワイヤ断線は、ネック、ヒール、ループ、またはセカンドボンドのいずれからも発生する可能性があり、それぞれの箇所で異なる原因が考えられます。

このガイドは、IC、LED、およびディスクリート半導体パッケージで使用される細線ボールボンディングを主眼としています。診断原理はウェッジボンディングや太線ボンディングにも同様に当てはまりますが、使用するツール、ワイヤ制御システム、および合否判定基準は異なります。

プロセスを調整する前に欠陥を特定する

トラブルシューティングの最初の質問は、「どのパラメータを増やすべきか？」ではなく、「具体的に何が、どこで、どのような条件下で失敗したのか？」です。

レシピを変更する前に、以下の情報を記録してください。

• 機械モデル、ボンドヘッド、ソフトウェアレシピ

• ワイヤー材質、直径、スプール、製造ロット

• 毛細管部品番号、設置時間、累積接着回数

• ダイパッド、リードフレーム、または基板の仕上げ

• パッケージ、ワークホルダー、ヒーターの状態

• デバイス内部または接合部における欠陥箇所

• 欠陥が連続的か、断続的か、ロット依存的か

• 破壊試験前後の外観

• 材料、工具、メンテナンス、または機械設定に関する最近の変更

配線、毛細管、または材料ロットの変更直後に発生する欠陥は、長時間の生産後に徐々に発生する欠陥とは異なる方法で調査する必要がある。

故障箇所を使用して検索範囲を絞り込む

この表は最終的な診断ではなく、あくまで出発点です。類似した目に見える欠陥は複数の根本原因によって生じる可能性があり、また複数の変動要因が同時に存在する場合もあります。

ボールがパッドに到達する前に、最初の結合欠陥が発生する。

ボールボンディングにおいて、最初のボンディングは、安定した自由空気中のボール、適切な毛細管、ボンディング可能なパッド表面、および制御された力、超音波エネルギー、熱の伝達に依存する。

非粘着パッド

パッドに接着しない（NSOPと略されることが多い）とは、最初の接着時にダイパッドとの十分な密着性が得られなかった状態を指します。この不具合は、機械によって即座に検出される場合もあれば、検査や試験中に発見される場合もあります。

考えられる原因は以下のとおりです。

• パッド表面に有機汚染物質、残留物、または酸化物が付着している。

• 不規則な形状、酸化した形状、または中心からずれた形状の自由空気球

• 摩耗、汚染、または不適切に選択された毛細管

• 超音波エネルギー伝達が不十分または不安定

• 不適切な力、接着時間、またはワークホルダーの温度

• 金型サポート不良、パッケージのずれ、またはワークホルダーの不安定性

• パッドの金属化層が薄すぎる、損傷している、または本来の状態ではない

• 規定のレシピと一致しないワイヤーの材質または直径

超音波エネルギーを増加させると、一時的に接着性が向上する可能性がありますが、同時に汚染物質を隠蔽したり、パッドの損傷を増加させたりする可能性もあります。加工範囲を広げる前に、表面、フリーエアボール、およびツールを検査する必要があります。

ボールリフト

ボールリフトは、引張試験、後工程での取り扱い、成形、または信頼性試験中に、最初の接着部がパッドから剥離した場合に発生します。

製造工程では接合部が許容範囲内に見えたとしても、実際には界面接触が限定的であったり、冶金学的結合が不安定であったりする可能性があります。持ち上げたボールの下面、残りのパッド表面、および対応する試験結果を確認してください。

界面でのきれいな分離は、パッドメタルや下地のダイ材料が除去されるような故障とは異なる問題を示唆している。

パッドの剥離とクレーター形成

パッド剥離とは、パッドの金属層の一部が剥がれる現象です。クレーター形成とは、パッドの下層が損傷する現象で、接合部の下にある誘電体やシリコン構造に影響を与える可能性があります。

これらの失敗は、単に絆が「強すぎる」証拠として扱うべきではありません。考えられる要因としては、以下のようなものがあります。

• 過度の力または超音波の相互作用

• より硬いワイヤー素材と高感度なパッド構造の組み合わせ

• 毛細管先端部または面取り部の形状が不適切です。

• ダイまたはパッケージの下側のサポートが不十分です

• パッドの密着性が弱い、または金属化スタックが不適切

• 接着面下の空隙または構造的弱点

パッドの損傷が発生した場合、パッドの構造やパッケージのサポートを検証せずに、一つのパラメータを繰り返し下げても、根本原因は解決しない可能性があります。

二次接合欠陥は、表面や工具の問題を明らかにすることが多い

2番目のボールボンドは、1番目のボールボンドよりも接触面積が小さく、薄い。その結果は、毛細管面、ワイヤの把持、端子表面、およびテール形成順序に大きく依存する。

鉛に付着しない

リード線非接着（NSOL）とは、ステッチボンドがリードフレーム、基板、またはパッケージ端子に接着しない場合に発生する現象です。

調査する：

• 端子の酸化、めっきのばらつき、または汚染

• 毛細血管のフェイスウェアまたは物質の蓄積

• 毛細管下のワイヤーの把持と変形

• 第二結合力、超音波応答、および結合時間

• ヒーターの温度とワークホルダーとのパッケージの接触

• 末端部の動き、屈曲、または不十分なサポート

• ワイヤー、リードフレーム、または基板のロット変更

ストリップや基板の特定の部分に欠陥が集中している場合は、すぐにレシピ全体を変更するのではなく、その部分の平坦性、支持状態、温度分布を検査してください。

縫合糸の剥離と弱い二次結合

製造工程では縫い目が外れずに残っていても、引張試験やその後の取り扱い時にほつれることがあります。破損が接合部、ワイヤー内部、またはかかと付近のいずれで発生したかを確認してください。

二次接合部の性能が低いと、ワイヤの断裂やテール形成にも影響を及ぼします。テールが不均一になると、次のワイヤにとって不安定なフリーエアボールが形成され、結果として二次接合部の問題が一次接合部の欠陥として現れることがあります。

このような関連性があるため、トラブルシューティングは各アラームを個別の事象として扱うのではなく、完全なボンディングサイクルに従って行うべきなのです。

ワイヤーとループの欠陥は、動き、張力、形状に起因する。

かかとのひび割れ

ヒールとは、ボンディングされたワイヤと上昇ループの間の移行部を指します。この部分の亀裂は、過度の変形、急激な毛細管現象、不適切なループ形状、パッケージへの繰り返し応力、または下流工程との相互作用によって発生する可能性があります。

拡大鏡を使って亀裂の位置と方向を確認してください。接着直後に発生した亀裂は、成形後、熱サイクル後、または振動後に発生した亀裂とは原因が異なる可能性があります。

首の骨折

ボールボンド上部のネック部分は、フリーエアボールプロセスとその後のループ運動の影響を受けます。熱影響部の不規則性、ボールセンタリング不良、または過度な逆回転運動は、ネックの強度を低下させる可能性があります。

レビュー：

• ワイヤーとスプールの状態

• EFO電極の位置と清浄度

• 自由空間におけるボールの大きさおよび対称性

• 毛細管の下のボールの位置

• 逆方向の動きとループ軌道

• 引張試験中の破断位置

ループ変動とワイヤースイープ

ループの変動には、高さ、スパン、形状、方向、クリアランスなどが含まれる可能性があります。考えられる原因は、プログラムされたループ値以外にも及びます。

ワイヤ張力システム、クランプ応答、毛細管現象、ワイヤ剛性、パッケージ位置、および機械校正を検査します。成形前にループが安定しているにもかかわらず、成形後にループが動く場合は、成形プロセスとパッケージ設計も調査対象に含める必要があります。

根本原因を5つのグループに分類する

検査を選択する前に考えられる原因をグループ化しておくと、信頼性の高い調査が容易になる。

パラメータの変更は、調査によってどのグループが最も原因となっている可能性が高いかを特定した後に行うべきである。そうしないと、実際の欠陥が残っているにもかかわらず、変動要因の一つが一時的に補償されてしまう可能性がある。

信頼性の高いワイヤボンディングのトラブルシューティング手順

以下の手順は診断の中核を成すものです。これにより、不必要な手順変更を減らし、有用な証拠の保存に役立ちます。

1. 失敗した状態を保持する。    部品のリセットまたは交換を行う前に、機械、レシピ、材料ロット、工具寿命、欠陥画像、アラーム、および影響を受けた位置を記録してください。

2. 故障箇所を分類してください。    欠陥が最初の接合部、2番目の接合部、ネック部、ヒール部、ループ部、ワイヤテール部、パッケージ位置、または機械処理段階のいずれにあるかを判断します。

3. 故障モードを検証する。    目視検査と、該当する引張、せん断、または電気的測定結果を用いて、界面の浮き上がり、ワイヤの断線、パッドの損傷、および構造的故障を区別する。

4. 最近の変更点を確認してください。    新しいワイヤー、キャピラリー、パッド、リードフレーム、基板、レシピ、メンテナンス作業、ヒーター設定、ソフトウェア、またはオペレーターの操作を確認してください。

5. 既知の良品と比較してください。    検証済みの材料、検証済みの毛細管、または以前に安定したレシピを使用して、安全に実施してください。一度に1つの制御因子のみを変更してください。

6. 材料を機械から分離してください。    可能な場合は、問題のある材料を正常な状態でテストするか、問題のある機械で正常な材料をテストしてください。

7. 工具と校正を確認する。    毛細管の取り付け、接着力の校正、EFOの状態、トランスデューサの状態、ワークホルダーのサポート、ヒーターの安定性、およびビジョンアライメントを確認してください。

8. 処理ウィンドウを開発または復元します。    製造レシピを試行錯誤で何度も変更するのではなく、管理された研究を通してプロセス変数を調整する。

9. 完全なボンディングサイクルを繰り返します。    自由空間でのボール形成、最初の結合、ループ、2番目の結合、テール、そして次のボールの形成を、断続的な不具合を明らかにするのに十分なサイクルにわたって確認する。

10. 是正措置を証拠に基づいて確認してください。    工程をリリースする前に、不良率、目視結果、故障モード、機械的または電気的試験結果を比較してください。

警報が消えたからといって、修正が完了したとはみなされません。債券の収益と故障分布が、合意された安定状態に戻る必要があります。

失敗の証拠を正しく用いる

目視検査

顕微鏡検査では、接着位置、変形、テールの長さ、ループの高さ、ヒールの状態、ワイヤーの損傷、および目に見える汚染を評価できます。画像には、一定の倍率と照明の下で、正常な例と不良例の両方を含める必要があります。

ワイヤー引張試験

ワイヤー引張試験は、接着力、ヒール強度、ループ挙動、および破損箇所に関する情報を提供します。同じ力値でも異なる弱点を示す可能性があるため、力の結果と破損モードを一緒に記録してください。

接着せん断試験

せん断試験は、該当するボールボンド、バンプ、太線ボンド、またはその他の構造に対して適切な場合があります。試験方法、ツールの高さ、方向、および合否判定基準は、評価対象の相互接続に適合している必要があります。

断面およびパッド解析

パッドの剥離、クレーター形成、表面下亀裂、界面形成の不十分さ、またはパッケージ構造の損傷が疑われる場合は、断面観察や詳細な材料分析が必要となる場合があります。

機械プロセス監視

ワイヤボンダーの中には、力、超音波応答、ワイヤの変形、周波数特性、または個々のボンディング工程を監視するものがあります。これらの信号は変化を特定し、トレーサビリティをサポートするのに役立ちますが、その許容範囲は製品ごとに設定し、実際のボンディング結果と照合して検証する必要があります。

電気特性および信頼性試験

機械的接合の結果が許容範囲内に見えても、現場の状況、電流、湿度、温度、または繰り返しのストレスによって別の故障メカニズムが明らかになる可能性がある場合、電気的試験およびパッケージレベルの信頼性試験が重要になります。

表面洗浄は証拠に基づいて行うべきである

表面の汚染や酸化は、NSOP（表面粗さ）やNSOL（表面粗さ）の原因となる可能性があります。汚染物質の種類と適切な洗浄方法を理解していれば、洗浄によって接着性を向上させることができます。

すべての弱い結合にプラズマ洗浄が必要だと決めつけないでください。洗浄工程を追加する前に、以下の点を確認してください。

• どの表面が汚染または酸化されているか

• その材料が提案された処理に耐えられるかどうか

• 洗浄によって表面仕上げやパッケージの状態が変わるかどうか

• 洗浄された材料をどれだけ早く接着する必要があるか

• 未治療のベースラインと比較して、結果をどのように検証するか

利用可能な表面処理システムは以下から確認できます。 半自動プラズマクリーナーのカテゴリー実際のダイ、リードフレーム、基板、および汚染物質について、プロセス適合性を確認する必要がある。

毛細管と交換部品はダウンタイム以上の影響を与える

毛細管の形状は、ボールの形成、結合ボールの直径、パッドとの相互作用、ループ形成、ワイヤの把持、および二次結合の安定性に影響を与える。そのため、摩耗や汚染によって、一度に複数の欠陥が発生する可能性がある。

毛細血管疾患が疑われる症例を検討する際には、以下の点を記録してください。

• キャピラリーの部品番号と図面の改訂

• ワイヤーの材質と直径

• 累積債券または稼働時間

• 先端、面取り、穴、面の状態

• 物質の蓄積または目に見える損傷

• 交換前後の不良率

ワイヤクランプ、EFO電極、トランスデューサー、ヒーター、カメラ、照明、ワークホルダー、ハンドリングコンポーネントもプロセスの安定性に影響を与える可能性があります。 ワイヤボンダー部品およびキャピラリーカテゴリ 適用可能な工具や交換部品を特定するための出発点となる。

生産停止を必要とする状況

以下の場合は、処理を中止し、証拠を保全してください。

• パッドの剥離、クレーター、または金型の損傷が検出されました

• 制御されたリセット後も、同じ接着剥離または非粘着欠陥が繰り返される

• 断線は導電性物質が緩む危険性を生じさせる。

• 毛細管、トランスデューサー、クランプ、またはEFOコンポーネントに目に見える損傷がある

• 力、ヒーター、超音波、または画像校正が許容範囲外です。

• 材料または金型ロットの変更後、不良率が急激に変化する。

• 機械のアラームが原因を特定せずに繰り返し無視されている。

• この工程は目視検査には合格するが、必要な機械的または電気的試験に不合格となる。

プロセスエネルギーを繰り返し増加させながら生産を継続すると、回復可能な接合問題がパッドの損傷、工具の摩耗、あるいはより大きな信頼性リスクへと変化する可能性がある。

ワイヤボンディングの欠陥に関するよくある質問

NSOPが急激に増加した場合、最初にとるべき手順は何ですか？

不良サンプルは保存し、最近の変更点を記録してください。接着配合全体を変更する前に、パッド表面、フリーエアボール、キャピラリー、および影響を受けた箇所を検査してください。

高い引張値は、ワイヤボンディングが良好であることの証明となるのでしょうか？

それだけでは不十分です。故障箇所と故障モードも重要です。高い故障率に加えて、パッドの剥離、クレーター形成、その他の構造的故障が見られる場合は、プロセスが許容できない状態である可能性を示唆しています。

接着がうまくいかない場合、超音波出力を上げるべきでしょうか？

自動的に解決するわけではありません。接着不良の原因としては、汚染、酸化、毛細管摩耗、ボール形成の不安定性、支持力の低下、または機器の状態などが考えられます。原因を特定せずに出力を上げると、パッドが損傷する可能性があります。

新しい毛細管は、第一結合欠陥と第二結合欠陥の両方を解決できるだろうか？

摩耗、汚染、または不適切な形状によって生じた欠陥は解決できる可能性がありますが、すべての材料、パッケージ、校正、またはプロセス上の問題を修正できるわけではありません。結果を、管理された条件下で検証済みのキャピラリーと比較してください。

なぜ欠陥はパッケージの特定の部分だけに発生するのですか？

場所固有のパターンは、作業者の支持状態、温度分布、パッケージの反り、視覚的な位置合わせ、局所的な表面状態、または動作に関連する変動を示している可能性があります。グローバルパラメータを変更する前に、欠陥の位置をマッピングしてください。

最終勧告

ワイヤボンディングのトラブルシューティングは、パラメータの推測ではなく、証拠に基づいて行うべきです。故障箇所を特定し、故障状態を保存し、材料や工具の問題と機械や工程の問題を区別し、制御可能な要素を一度に1つずつ変更してください。

目視検査、故障モード解析、引張試験またはせん断試験、および機械診断を組み合わせて実施してください。是正措置は、意図した接合結果が繰り返しサイクルおよび代表的な生産条件下で安定している場合にのみ完了します。

利用可能 ワイヤーボンダー装置影響を受けるプロセスに対して、ツールと交換部品をレビューできます。機械の故障または繰り返し発生する接着不良について話し合うには、ボンダーのモデル、欠陥の写真、ワイヤとキャピラリーの情報、アラームの詳細、最近のプロセス変更を次の方法で送信してください。 Semimachineの連絡先ページ.