利用电容式测试方法在引线键合检测方面取得新突破

引线键合广泛应用于电子设备、半导体行业和微电子行业。它使芯片与集成电路 (IC) 中的其他电子元件(如晶体管和电阻器)之间实现互连。引线键合可在芯片的键合焊盘与封装基板或另一芯片上的相应焊盘之间建立电气连接。

半导体和电子制造市场正在不断扩大。最近的一份报告预测，到 2032 年，半导体市场的价值将增长到超过 20625.9 亿美元。随着需求的不断增长，测试引线键合的重要性也随之增加。这些连接对于将半导体芯片连接到封装引线或基板至关重要。这些键合中的任何缺陷都可能导致断路或短路等问题，严重影响设备功能。因此，测试引线键合不仅是为了确保可靠性和降低生产成本，也是为了保证符合行业标准。

以下是影响引线键合的一些常见缺陷：

· 电线下垂：当电线在张力下拉伸或下垂时发生，导致接触不足和电气性能受损。

· 线偏移：这指的是在键合过程中线的横向移动，导致错位和随后的不可靠连接。

· 形成环路：无意的多余导线可能会导致形成环路，从而对键合质量和器件功能产生不利影响。

· 电线短路：这是一种严重缺陷，两根电线发生意外电接触，可能导致电路故障甚至设备完全故障。

· 线路断路：是指应与焊盘电连接的线路断开的缺陷，从而造成开路并破坏设备的功能。

测试方法概述

测试引线键合缺陷最广泛采用的方法是使用自动X射线检测(AXI)的光学/X射线检测和使用自动测试设备(ATE)的电气测试方法。

AXI 使用 X 射线穿透并捕获引线键合的详细图像，检测隐藏的缺陷，例如异物、空隙和密封问题。它是一种非破坏性技术，非常适合检查复杂的组件。然而，它速度慢、成本高，而且存在辐射安全问题。

另一方面，ATE 测试引线键合的电气特性，识别诸如开路、短路和性能下降等问题。它速度快、一致性高且可编程，非常适合大批量生产，但可能无法检测结构和机械缺陷。

除了电气和光学测试方法外，还可以采用其他技术来评估引线键合。例如，引线和键合拉力测试可以测量引线键合或带状键合的抗拉强度，球剪切测试可以分析球键合，热循环可以通过将它们置于不同的温度下来评估耐久性，而应力测试可以评估引线键合的耐热性和随时间变化的机械应力。

电容测试是一种新方法，利用金属表面(例如引线键合)和金属板(也称为 IC 上方的传感器板)之间的耦合特性。此设置有效地将 IC 的每个引脚和引线键合转换为电容器的导电板。它允许检测以前传统 ATE 和 X 射线方法无法发现的缺陷，例如引线键合和内引线之间的“近短路”以及垂直下垂的导线。此外，电容测试可以识别诸如不正确的模具和模具化合物之类的问题。

电容测试原理

使用电容耦合方法检测引线键合缺陷的原理相对简单。这种方法涉及通过共享电场而不是直接电连接在两个导体之间传输电能。这允许未通过电线物理连接的组件之间进行通信或信号传输。

此概念可应用于引线键合测试，通过测量两个导电表面之间的电容：引线键合区域上方的电容结构和与引线键合相关的导电路径。通过分析导电表面的电容响应，可以评估封装 IC 内引线键合的状况和位置。

如图 1 所示，无矢量测试增强型探针 (VTEP) 就是实现此类测试的一个示例。该探针采用先进的电容和电感传感技术来检测和测量印刷电路板 (PCB) 上组件和互连的电气特性。与需要详细输入输出矢量的传统测试方法不同，该技术无需这些矢量即可运行，并提供出色的信噪比特性。

图 1：Keysight 非矢量测试增强探头 (VTEP)

如下图 2 所示，该解决方案利用先进的电容和电感传感技术来检测和测量引线键合电容值。此过程涉及通过保护针将刺激注入引线框架，然后传输到引线键合。当放大器接触到传感器板(在本例中为电容结构)时，它会完成电路并拾取耦合响应。

图 2：使用 VTEP 的四方扁平封装 (QFP) 引线键合测试装置的横截面视图

通过这种方法，电气结构测试仪 (EST) 利用先进的电容和电感传感技术以及部件平均测试 (PAT) 统计算法，从一组已知良好的单元中学习基线引线键合测试。这使用户能够将任何引线键合变化捕获为异常值，例如下图 3 中测试仪捕获的近短路缺陷。

图 3：使用 s8050 EST 捕获并在 X 射线下验证的“近短路”缺陷

电容式测试的优点和局限性

电容测试方法对于外围引线排列封装特别有效，因为引线位于同一侧或围绕 IC。常见示例包括双列直插式封装 (DIP) 和四方扁平封装 (QFP)。在这些封装中，所有引线都彼此相邻或围绕 IC 封装的周边。这些封装导致单层引线键合排列在芯片周围，而不是堆叠在一起。这种配置使得测量电容耦合信号以确定引线键合的物理位置相对容易且精确。

然而，由于技术进步和 IC 复杂性的增加，出现了更先进的封装类型，例如涉及多层引线堆叠的球栅阵列 (BGA)。这种先进的方法由于引线键合的排列更复杂(如下图 4 所示)，给电容耦合信号的测量带来了额外的挑战。

图 4：球栅阵列 (BGA) 封装的顶视图

电容耦合方法可能不适合这些先进类型的 IC 封装。例如，BGA 将其引线键合焊盘排列在芯片周围和 PCB 上的同心环中，从而产生多个重叠的导线层。这种配置使测量电容耦合信号更具挑战性，因为它会影响强度和信噪比，如图 5 所示。

图 5：多条导线相互重叠的 BGA 封装横截面图

因此，在选择电容耦合测试方法之前，考虑引线键合的排列非常重要。具有复杂引线键合排列的先进封装类型可能需要替代测试方法来确保测量准确和缺陷的可靠检测。

微电子领域的转换引线键合缺陷筛选

引线键合是微电子技术中的关键，随着市场增长预测的飙升，对高效测试方法的需求比以往任何时候都要大。虽然传统的 AXI 和 ATE 系统提供了有价值的见解，但它们也存在很大的局限性。IC 中会出现不同类型的引线键合变形缺陷，并且有各种系统可以针对每种缺陷进行处理。

ATE 系统可以轻松检测电气缺陷，例如开路、短路和线路缺失。这些系统非常适合高产量环境。但是，它们只能测试电气缺陷，无法检测其他问题，例如多余或杂散的线路、近乎短路的下垂或扫线。因此，在 ATE 测试期间，IC 可能看起来功能齐全，但实际上可能并非如此。

相比之下，AXI 可以检测所有引线键合缺陷。但是，这种方法需要人工目视检查，这需要大量劳动力，而且容易出现人为错误。在高产量环境中筛查每一批 IC 封装也是不切实际的，因为这会造成瓶颈。相反，只能随机筛查少量样本，这限制了 AXI 进行全面缺陷检测的有效性。

电容式测试解决了这两个难题。这项先进技术能够检测出传统 ATE 和 X 射线系统以前无法发现的缺陷，包括引线键合和内部引线之间的“近短路”以及垂直下垂的引线。此外，它还可以识别诸如不正确的模具和模具化合物等问题，从而扩展其诊断能力。

当与 PAT 统计分析相结合时，此类测试可以轻松检测电气和非电气缺陷，具有高测试吞吐量，并可应对高生产节拍率。