CN103822869B

CN103822869B - 电源键合引线焊点的可靠性检测方法

Info

Publication number: CN103822869B
Application number: CN201410072811.2A
Authority: CN
Inventors: 章晓文; 何小琦; 恩云飞
Original assignee: Fifth Electronics Research Institute of Ministry of Industry and Information Technology
Current assignee: Fifth Electronics Research Institute of Ministry of Industry and Information Technology
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: CN103822869A

Abstract

一种电源键合引线焊点的可靠性检测方法，包括：建立键合引线焊点可靠性的测试装置，所述测试装置置于温循箱内，包括：键合引线、过渡片、粘接层和陶瓷基板，各键合引线键合设置在过渡片上，各条键合引线串联，串联后的键合引线一端连接电源的第一接线柱，另一端连接电源的第二接线柱，所述过渡片的粘接面粘接在粘接层上，所述粘接层设置在陶瓷基板上，键合引线为与电源键合引线相同类型的键合引线；通过所述测试装置获取键合引线焊点初始阻值和当前阻值，并根据初始阻值、当前阻值和预设倍数值判断键合引线焊点是否失效，当键合引线焊点失效时获取温度循环次数；根据温度循环次数判断电源键合引线焊点的可靠性。本方案检测成本低、精度高。

Description

电源键合引线焊点的可靠性检测方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，特别是涉及一种电源键合引线焊点的可靠性检测方法。

背景技术

键合引线是实现电连接的金属连接线。比如，气密封装DC/DC电源中的键合引线有内键合引线和外键合引线两种，外键合引线的一端焊接在连接线上，另一端焊接在接线柱上，内键合引线的一端焊接在芯片上，另一端焊接在金属连接线，作用是将芯片与内部的元器件相连接或使DC/DC电源与外部的元器件相连，以实现其特定的功能。键合引线是影响厚膜功率混合电路寿命的因素之一，焊接工艺质量差、铝引线在金导带上产生金铝间化合物，都会导致键合引线脱落，产生失效。另外，当芯片内部有水汽时，会发生电化学腐蚀，使压焊处开路，产生失效，对电路的可靠性构成威胁。因此，对键合引线焊点的可靠性进行检测越来越重要。

为了在短时间内获得可靠性数据，通常采用加速寿命试验的方法。加速寿命试验是通过测试在加速应力条件下的寿命值，然后通过一定的换算关系，换算成正常工作条件下的寿命值，即产品的寿命时间。和温度有关的加速方程就是Arrhenius方程（阿尔罗呢乌斯方程），而湿度-温度加速原理所用的模型是Hallberg模型。对DC/DC电源中的键合引线使用加速寿命试验方法预测寿命的可信度很低，试验价值不大，因为一个DC/DC电源由多个元器件组成，在做定量的加速寿命试验时，每种元件和互连结构都有多种失效机理，导致整个产品可能的失效机理很多，从理论上来说根本不可能通过产品的加速试验就预测出其寿命值。而且，DC/DC电源是具有规定功能的电路产品，产品只能在规定的温度范围和额定的负载条件下工作，因此，寿命试验时很难对电路内部的某些故障模式进行加速，例如，若电路中芯片金属布线发生电迁移并导致最终失效，评估其可靠性的加速应力是温度、电流，但是任何超出规定范围的温度和电流应力都会导致电路功能的丧失。

传统技术中还采用破坏焊点的方法实现对键合引线焊点可靠性的检测。在温循箱内，分时间段检测键合引线焊点，当键合引线焊点开裂时，获取温循箱中失效的温度循环次数，从而根据循环次数判断该键合引线是否可靠。但是采用这种检测技术，必须以键合引线焊点开裂为代价，成本高，而且检测时间长，效率低。同时，由于键合引线的焊点焊接在电路上，特别是在特大规模集成电路中，无法实现实时查看，得到的温度循环次数存在误差，从而导致判断结果准确率低。

发明内容

基于此，有必要针对成本高、准确率低的问题，提供一种电源键合引线焊点的可靠性检测方法。

一种电源键合引线焊点的可靠性检测方法，包括：

建立键合引线焊点可靠性的测试装置，所述测试装置置于温循箱内，所述测试装置包括：键合引线、过渡片、粘接层和陶瓷基板，各键合引线键合设置在过渡片上，各条键合引线串联，串联后的键合引线一端连接电源的第一接线柱，另一端连接电源的第二接线柱，所述过渡片的粘接面粘接在粘接层上，其中粘接面为键合引线键合面的对立面，所述粘接层设置在陶瓷基板上，其中，所述键合引线为与电源键合引线相同类型的键合引线；

通过所述测试装置获取键合引线焊点初始阻值和当前阻值，并根据初始阻值、当前阻值和预设倍数值判断键合引线焊点是否失效，当键合引线焊点失效时获取温度循环次数，其中，预设倍数值为键合引线焊点失效时阻值增量值与初始阻值的百分比；

根据温度循环次数判断电源键合引线焊点的可靠性。

上述电源键合引线焊点的可靠性检测方法，通过建立键合引线焊点可靠性的测试装置，将键合引线串联起来，且键合引线均键合在过渡片上，不经过过渡片下面的粘接层，避免温循器件粘接层的退化对键合引线焊点组织的影响，提高测量焊点阻值的精确度。通过焊点初始阻值、当前阻值与预设倍数值的关系判断该键合引线焊点是否失效，如果是，则获取温度循环次数，根据温度循环次数确定该测试装置上键合引线焊点是否可靠，从而得出电源键合引线焊点是否可靠。本方案无需使键合引线焊点断裂即可测得键合引线焊点是否可靠，降低了成本，同时也提高了效率。本方案还可以实时获取到键合引线焊点组织，因此避免了检测时间间隔导致的误差，提高了检测精确度。

附图说明

图1为本发明电源键合引线焊点的可靠性检测方法的流程示意图；

图2为本发明电源键合引线焊点的可靠性检测方法实施例一的流程示意图；

图3为本发明电源键合引线焊点的可靠性检测方法实施例二的流程示意图。

具体实施方式

以下针对本发明电源键合引线焊点的可靠性检测方法的各实施例进行详细的描述。

如图1所示，为本发明电源键合引线焊点的可靠性检测方法的流程示意图，包括：

步骤S101：建立键合引线焊点可靠性的测试装置，测试装置置于温循箱内，测试装置包括：键合引线、过渡片、粘接层和陶瓷基板，各键合引线键合设置在过渡片上，各条键合引线串联，串联后的键合引线一端连接电源的第一接线柱，另一端连接电源的第二接线柱，过渡片的粘接面粘接在粘接层上，其中粘接面为键合引线键合面的对立面，粘接层设置在陶瓷基板上，其中，所述键合引线为与电源键合引线相同类型的键合引线；即键合引线与电源键合引线相同。

其中，键合引线键合面是过渡片与键合引线连接所在面。过渡片目的是为了将键合引线的焊接不经过粘接层，且避免键合引线焊接在陶瓷基板上。可以用铝制过渡片，即铝片。本步骤将所有键合引线串联并焊接在过渡片上，相邻键合引线的焊接不经过过渡片下面的粘接层，键合引线和接线柱相连处可以经过过渡片下面的粘接层，目的是为了避免温循器件粘接材料的退化对键合引线焊点阻值的影响，采用这种设计可方便地进行温循后焊点处阻值变化的测量，并且提高了测量精度。

在其中一个实施例中，陶瓷基板还可以固定在电源的金属外壳上。将其放置在电源金属外壳上是为了起支撑作用，另外，金属外壳在高温下不会变形，这样也就避免了该金属外壳对键合引线焊点阻值的影响。

温循箱可以是一台设备，用于产生温度的变化，是为键合引线的可靠性提供实验环境用的。其中，循环数和温度变化范围可根据需要设置，设置好以后会自动工作，直到循环数结束为止。

步骤S102：通过测试装置获取键合引线焊点初始阻值和当前阻值，并根据初始阻值、当前阻值和预设倍数值判断键合引线焊点是否失效，当键合引线焊点失效时获取温度循环次数，其中，预设倍数值为键合引线焊点失效时阻值增量值与初始阻值的百分比；

步骤S103：根据温度循环次数判断电源键合引线焊点的可靠性。可以将温度循环次数与预设值进行比较，当大于预设值时，则表示键合引线焊点可靠，否则不可靠。

本实施例主要是通过阻值为判断键合引线焊点失效，从而获得温度循环次数，根据温度循环次数确定该测试装置上键合引线焊点是否可靠，从而得出电源键合引线焊点是否可靠。

步骤S102中具体如何获取温度循环次数的方法有很多种，本方案举其中两种进行说明。如图2所示，为本发明实施例一的流程示意图，包括步骤：

步骤S201：建立键合引线焊点可靠性的测试装置，具体方式如步骤S101；

步骤S202：通过第一接线柱和第二接线柱获取温循箱启动前键合引线焊点的初始阻值，并实时获取在温循箱启动后键合引线焊点的当前阻值；

由于温度对焊点阻值有影响，因此必须先读出温度改变前的初始阻值，再读出受温度影响下的焊点阻值，以便比较变化大小。另外，键合引线焊点阻值的测量可以用一台测量的小设备（比如毫欧计，可测0.01毫欧阻值的变化）进行测量。

步骤S203：计算当前阻值与初始阻值的差值，并判断差值是否大于所述初始阻值与预设倍数值的乘积；

其中预设倍数值为键合引线焊点失效时阻值增量值与初始阻值的百分比，即初始阻值与预设倍数值的乘积是键合引线焊点失效时的阻值与初始阻值的差值。预设倍数值是用来判断键合引线焊点的失效判据。一般情况下，当温循的温度范围为-55℃～125℃时，预设倍数值为20%，即以20%为失效判据。在其他实施例中，也可以将初始阻值与预设倍数值的乘积设为固定的第一预设阈值，直接将阻值增量值（阻值与初始阻值的差值）与第一预设阈值比较。也可以直接设置第二预设阈值，第二预设阈值作为判断失效的基准值，将阻值与第二预设阈值比较。具体如何设置判断条件可以根据需要调整。

步骤S204：若差值大于乘积，则获取温循箱内的温度循环次数；

其中，温度循环次数可以通过试验得到。

步骤S205：根据温度循环次数判断电源键合引线焊点的可靠性。

获得温度循环次数后，可以与预先设定好的阈值进行比较，大于或等于阈值时，则表示该键合引线焊点可靠，小于阈值时则表示不可靠。本实施例是直接通过初始阻值和当前阻值的关系，获取温循箱中的温度循环次数，从而进行可靠性判断。通过本方案，可以在键合引线焊点不断裂的情况下，即可检测出可靠性，成本低，且精度高。

采用实施例一进行检测时，每更换一次温循温度时，需要重新进行步骤S202至步骤S205，效率相对较低，本方案实施例二提供一种方案，可以通过检测装置进行一次检测后，在后续温循温度更换时，采用建立的模型进行检测，大大提高了效率，且不会对产品进行劳损。如图3所示，为本发明方案实施例二的流程示意图，包括：

步骤S301：建立至少两个键合引线焊点可靠性的测试装置，且测试装置相同，具体方式如步骤S101；

步骤S302：获取温循箱启动前各个测试装置中键合引线焊点初始阻值，并实时获取在温循箱启动后各个测试装置中键合引线焊点当前阻值，其中，键合引线焊点可靠性的测试装置的个数至少为两个，且为相同的测试装置；

这里需要获取每个测试装置中的初始阻值和当前阻值，目的是为了后续确定失效时每个测试装置的温度循环次数。

步骤S303：分别计算各测试装置当前阻值与初始阻值的差值，并判断差值是否大于初始阻值与预设倍数值的乘积；

比如，温循箱内温循的的温度范围为-55℃～125℃，预设倍数值为20%，则分别判断每个测试装置当前阻值的增量是否大于20%，即判断测试装置内键合引线焊点是否失效。

步骤S304：若差值大于乘积时，获取温循箱中该测试装置的键合引线的初始温度循环次数、温循的温度范围和弹性区的温度范围，其中，弹性区的温度范围是指键合引线不因温度引起塑性形变的温度范围；

这里的判断是指每个测试装置分别进行的判断，目的是为了获取失效时该测试装置的键合引线的初始温度循环次数、温循的温度范围和弹性区的温度范围。由于在一个温循中，不是所有的应力都会引起塑性形变，如果温循的一部分是弹性的，则存在弹性区的温度范围，那么这弹性的部分ΔT₀'应从总的应变范围内扣除，即ΔT'-ΔT₀'。温度循环次数通过试验得到，温循的温度范围是由键合引线的应用环境和材料特行决定的，弹性区的温度范围根据键合引线决定是否考虑，一般情况下，温度循环试验的温度不会超过135度。通过差值与乘积的判断，可以获得对应测试装置的初始温度循环次数。每个试验装置进行同样的判断，从而可以得到所有测试装置中键合引线焊点失效时的初始温度循环次数。由于测试装置是在同样的温循箱内试验，所以温循范围相同，弹性区的温度范围相同。

步骤S305：根据各个测试装置的键合引线的初始温度循环次数，利用威布尔分布原理确定中位失效循环次数；

比方，有10支测试装置，试验过程中全部失效了，但每支样品的失效时间是不一样的。数学处理上，需要在威布尔分布图上，将这10支样品的失效时间和失效率对应起来。10支失效样品的失效率是100%，其中，失效率为50%处的失效时间，称为中位失效时间。根据中位失效时间即可得到中位失效循环次数。

步骤S306：根据中位失效循环次数、温循的温度范围、弹性区的温度范围以及公式确定常数C_o，其中，C_o表示常数，常数与键合引线的属性有关，N_f'表示中位失效循环次数，ΔT'表示温循的温度范围，ΔT₀'表示弹性区的温度范围，q表示预设指数；

步骤S307：建立该类型键合引线焊点的可靠性检测模型N_f＝C_o(ΔT-ΔT₀)^-q，其中，N_f表示温度循环次数，C_o表示常数，ΔT表示温循的温度范围，ΔT₀表示弹性区的温度范围，q表示预设指数；

步骤S308：根据该可靠性检测模型确定不同温度下该类型键合引线焊点的温度循环次数；

步骤S309：根据温度循环次数判断电源键合引线焊点的可靠性。

本实施例通过设计键合引线焊点可靠性的测试装置，在设定温度范围内（比如-55℃～125℃），通过预设倍数值（也称为失效判据）的设置，得出键合引线焊点温循次数与失效判据的对应关系，利用中位失效时间原理，获得键合引线焊点温循次数，计算出常数C_o，建立该类型键合引线焊点的可靠性检测模型，根据可靠性模型可实现在不同环境温度下对该类型键合引线进行可靠性检测。

在另一个实施例中，如果弹性区间ΔT₀比整个温度循环区间ΔT小很多的情况下，可以略去不计，即可以建立键合引线焊点的可靠性检测模型N_f＝C_o(ΔT)^-q。

对低温度循环和热冲击而言，大多数的失效机理具有相同的失效速率，但是焊点的疲劳有很大的不同，低熔点焊点的使用温度超过熔点的1/2，因此会产生明显的裂缝，同时机械特性与时间的关系十分紧密。相反的，脆性材料（具有大的q值）失效机理与应变速率似乎是无关的。

对通常的超大规模集成电路而言，延展性金属例如焊点的q值是1-3，硬金属合金/金属间化合物，例如Al-Au的q值是3-5，脆性结构例如SiO2,Si3N4的q值是6-9。

比如在一个具体应用实例中，在-55℃-125℃温度范围内的温循试验表明，以阻值增大10%为失效判据，10只键合引线焊点可靠性的测试装置失效时的循环数均只有几百个循环，因此DC/DC电源中键合引线焊点的可靠性可以很好地用可靠性检测模型进行检测。

由于Al键合引线是延展性金属，因此将可靠性检测模型中幂指数的值取为2，代入C_o，即可得出可靠性检测模型N_f＝C_o(ΔT-ΔT₀)^-q。根据N_f＝C_o(ΔT-ΔT₀)^-q确定不同温度下该类型键合引线焊点的温度循环次数，根据温度循环次数确定键合引线焊点的可靠性。

在其中一个实施例中，电源为气密封装DC/DC电源。由于气密封装DC/DC电源有多个元器件组成，采用常规方法测量效率极低，采用本方案提高了检测效率。

在其中一个实施例中，过渡片的个数为键合引线条数减1，相邻键合引线键合在同一块过渡片上。

上述实施例可以自由组合，具体不再一一赘述。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种电源键合引线焊点的可靠性检测方法，其特征在于，包括：

根据温度循环次数判断电源键合引线焊点的可靠性；

所述通过所述测试装置获取键合引线焊点初始阻值和当前阻值，并根据初始阻值、当前阻值和预设倍数值判断键合引线焊点是否失效，当键合引线焊点失效时获取温度循环次数步骤，包括：

获取温循箱启动前各个测试装置中键合引线焊点初始阻值，并实时获取在温循箱启动后各个测试装置中键合引线焊点当前阻值，其中，键合引线焊点可靠性的测试装置的个数至少为两个，且为相同的测试装置；

分别计算各测试装置当前阻值与初始阻值的差值，并判断所述差值是否大于初始阻值与预设倍数值的乘积；

若所述差值大于所述乘积时，获取温循箱中该测试装置的键合引线的初始温度循环次数、温循的温度范围和弹性区的温度范围，其中，弹性区的温度范围是指键合引线不因温度引起塑性形变的温度范围；

根据各个测试装置的键合引线的初始温度循环次数，利用威布尔分布原理确定中位失效循环次数；

根据所述中位失效循环次数、温循的温度范围、弹性区的温度范围以及公式确定常数C_o，其中，C_o表示常数，所述常数与键合引线的属性有关，N_f'表示所述中位失效循环次数，ΔT'表示所述温循的温度范围，ΔT₀'表示所述弹性区的温度范围，q表示预设指数；

建立该类型键合引线焊点的可靠性检测模型N_f＝C_o(ΔT-ΔT₀)^-q，其中，N_f表示温度循环次数，C_o表示常数，ΔT表示温循的温度范围，ΔT₀表示弹性区的温度范围，q表示预设指数；

根据该可靠性检测模型确定不同温度下该类型键合引线焊点的温度循环次数。

2.根据权利要求1所述的电源键合引线焊点的可靠性检测方法，其特征在于，所述通过所述测试装置获取键合引线焊点初始阻值和当前阻值，包括：

通过第一接线柱和第二接线柱获取温循箱启动前键合引线焊点的初始阻值，并实时获取在温循箱启动后键合引线焊点的当前阻值。

3.根据权利要求1或2所述的电源键合引线焊点的可靠性检测方法，其特征在于，所述温循箱内温循的温度范围为-55℃～125℃，所述预设倍数值为20％。

4.根据权利要求1或2所述的电源键合引线焊点的可靠性检测方法，其特征在于，所述电源为气密封装DC/DC电源。

5.根据权利要求1或2所述的电源键合引线焊点的可靠性检测方法，其特征在于，所述过渡片的个数为键合引线条数减1，相邻键合引线键合在同一块过渡片上。

6.根据权利要求1或2所述的电源键合引线焊点的可靠性检测方法，其特征在于，所述过渡片为铝制过渡片。