نقل قول

فهرست مطالب

تحلیل شکست اتصال سیمی: ترکیبات بین فلزی، خوردگی و خستگی در سیستم‌های فلزی متنوع

یک تراشه نیمه‌هادی را در نظر بگیرید که آزمایش‌های کارخانه را با موفقیت پشت سر می‌گذارد. این تراشه در سیستم مدیریت باتری یک خودروی الکتریکی استفاده می‌شود و برای مدت زمان قابل توجهی کاملاً کار می‌کند. با این حال، خطاهای گاه به گاه شروع به آشکار شدن می‌کنند و منجر به خرابی کامل سیستم می‌شوند. مشکل چیست؟ مشکل از طراحی پیچیده نیمه‌هادی نیست، بلکه به دلیل چند پیوند سیمی است که به دلیل تخریب از کار افتاده‌اند.
 
خرابی در اتصال سیم‌ها می‌تواند ماهیتی موذیانه داشته باشد. گاهی اوقات، ممکن است خرابی در مرحله آزمایش اولیه تشخیص داده نشود، اما خرابی می‌تواند به طور فاجعه‌باری با فراخوان‌های گسترده رخ دهد، به خصوص در صنایعی که خرابی مربوط به ایمنی است، مانند صنعت خودرو, ، اکتشافات فضایی، و تجهیزات پزشکی. درک ریشه‌های این شکست‌ها فقط یک تمرین آکادمیک نیست؛ بلکه یک رشته‌ی بسیار مهم برای تضمین طول عمر و قابلیت اطمینان محصول است.
 
این مقاله از اصول اولیه شروع می‌کند و یک رویکرد سیستماتیک برای درک، تحلیل و پیشگیری از ... معرفی می‌کند. خرابی معمول اتصال سیم حالت‌ها و مکانیسم‌ها.

ترکیبات بین فلزی (IMC)

ترکیبات بین فلزی به مواد بلوری تولید شده در فصل مشترک دو فلز مختلف در مرحله اتصال و بعداً در معرض گرما اشاره دارند. ترکیبات بین فلزی ایجاد شده توسط دو فلز مختلف، مانند طلا-آلومینیوم و مس-آلومینیوم, که در اتصال سیمی استفاده می‌شوند، تأثیر قابل توجهی بر قابلیت اطمینان دارند. طلا و آلومینیوم استحکام پیوندهای سیمی تشکیل شده با ... را افزایش می‌دهند. مواد زیرلایه. با این حال، دما و سایر پارامترها می‌توانند یک ترکیب بین فلزی فراتر از محدوده مجاز ایجاد کنند و باعث کاهش عملکرد شوند، به خصوص هنگامی که دما بالا باشد.

۳ مکانیسم کلیدی خرابی IMC

شکنندگی و شکستگی

آلیاژهای IMC AuAl₂، Au5Al₂ و Au4Al ویژگی‌های سختی و شکنندگی طبیعی را از خود نشان می‌دهند. آن‌ها خواص شکل‌پذیری ندارند و نمی‌توانند تنش‌های ایجاد شده توسط اختلاف در ضرایب انبساط مواد را تحمل کنند، بنابراین به دلیل این ویژگی‌های شکنندگی، ترک‌های ریز در ناحیه رابط IMC شروع به تشکیل می‌کنند. [1]

تخلیه کیرکندال

این یک وضعیت نامحسوس‌تر و بالقوه خطرناک‌تر است. به دلیل تفاوت قابل توجه در نرخ انتشار دو فلز (به عنوان مثال، طلا نرخ انتشار بیشتری در آلومینیوم نسبت به آلومینیوم دارد)، تجمعی از جای خالی‌ها روی سطح فلزی که سریع‌تر انتشار می‌یابد، رخ می‌دهد. این جای خالی‌ها به حفره‌هایی در سطح مشترک پیوند تبدیل می‌شوند، همانطور که در زیر توضیح داده شده است.
 
افزایش مقاومت ایجاد شده توسط کاهش سطح تماس می‌تواند مستقیماً به یک مدار باز منجر شود و شواهد کمی از تخریب عملکردی دیگر وجود دارد، زیرا خود مسیر به دلیل وجود آن حفره‌ها، مقاومت بسیار بالایی دارد.[2]

“طاعون بنفش”بازنگری شده»

“طاعون بنفش” اشاره خاصی به رنگ بنفش ترکیب AuAl₂ دارد. اگرچه این رنگ به طرز چشمگیری متمایز است، اما مشکل این ترکیب در واقع ویژگی‌های شکننده آن و ارتباط آن با حفره‌های کرکندال است. این یک مطالعه موردی کلاسیک در ناسازگاری مواد باقی مانده است.

عواملی که رشد IMC را تسریع می‌کنند:

رشد IMCها یک فرآیند کنترل‌شده توسط نفوذ است و طبق معادله آرنیوس عمدتاً وابسته به دما و زمان است. مهم‌ترین عوامل مؤثر بر فرآیند رشد عبارتند از:
  • دما: این مهمترین عامل از همه است. هر دمایی که کمی بالاتر از مشخصات طراحی باشد، می‌تواند باعث افزایش نمایی در IMCها شود.
  • زمان: قرار گرفتن طولانی مدت در معرض شرایط دمایی بالا، اگرچه این شرایط می‌تواند متوسط باشد.
  • چگالی جریان: جریان‌های بالا می‌توانند باعث مهاجرت الکتریکی شوند که به طور قابل توجهی در انتشار اتم‌ها و تشکیل حفره‌ها نقش دارد.

خوردگی

خوردگی، تخریب تدریجی فلز به دلیل واکنش شیمیایی محیط اطراف با فلز است. خوردگی ناشی از اتصال سیم ممکن است باعث کاهش استحکام در سطح مشترک اتصال، افزایش مقاومت الکتریکی و مدارهای باز شود. برخی از عوامل مؤثر بر خوردگی عبارتند از:
 
  • شرایط محیطی: دما، رطوبت و وجود گازهای خورنده (H₂S، SO₂، Cl₂).
  • آلاینده‌ها: باقیمانده‌های یونی فرآیندهای تولیدی مانند کلریدها و برمیدها.
  • بایاس الکتریکی: ولتاژ اعمال شده می‌تواند باعث مهاجرت الکتروشیمیایی و واکنش‌های خوردگی شود.
  • خواص مواد: ویژگی‌های ذاتی مقاومت در برابر خوردگی مواد سیم و پد مورد استفاده.

انواع خوردگی در اتصالات سیمی

درک انواع خوردگی برای مهندسان بسته‌بندی نیمه‌هادی با توجه به تحلیل شکست و طراحی برای قابلیت اطمینان (DFR) ضروری است.
این جدول شش مکانیسم خوردگی مهم در اتصال سیمی را به همراه علل و اثرات مربوط به آنها نشان می‌دهد:
شش مکانیسم کلیدی خوردگی مربوط به اتصال سیم

خوردگی گالوانیک (الکتروشیمیایی):

  • علت: این اتفاق زمانی می‌افتد که دو فلز مختلف، مانند آلومینیوم و طلا، در حضور محلول الکترولیت، مانند رطوبت با آلودگی یونی، با یکدیگر تماس پیدا کنند. فلزی که نجیبیت کمتری دارد، دچار خوردگی می‌شود.
  • حالت شکست اتصال سیم: برای یک سیم طلا که به یک پد آلومینیومی متصل شده است، پد آلومینیومی به صورت فداشونده خورده می‌شود و یک لایه اکسید نارسانا ایجاد می‌کند. این امر منجر به افزایش مقدار مقاومت و در نتیجه شکست در پیوند می‌شود. این یک مشکل قابل توجه در مورد پدهای آلومینیومی و سیم‌های طلا است.

خوردگی حفره‌ای:

  • علت: خوردگی موضعی که با از بین رفتن جزئی لایه اکسید روی سطح فلز ایجاد می‌شود و معمولاً توسط یون‌های کلرید ایجاد می‌شود.
  • حالت شکست اتصال سیم: اتصالات سیم مسی به دلیل احتمال ایجاد حفره روی سیم توسط یک نوع آلاینده کلریدی، که باعث ایجاد افزایش تنش می‌شود و از آنجا ترک ایجاد می‌کند و در نهایت با چرخه‌های دمایی منجر به شکستگی سیم می‌شود، از بین خواهند رفت.

خوردگی شکافی:

  • علت: نوعی حمله موضعی در یک ناحیه محافظت‌شده و راکد، مانند زیر یک ذره آلودگی یا در ناحیه‌ای که چسبندگی ضعیفی بین سیم و ... دارد. ترکیب کپک.
  • حالت شکست اتصال سیم: محبوس شدن رطوبت در این ریزشکاف‌ها منجر به ایجاد محیطی اسیدی و خورنده می‌شود. دلیل این امر آن است که اسیدیته تولید شده منجر به خوردگی در سطح مشترک اتصال سیم می‌شود؛ بنابراین، ممکن است به دلیل ناحیه ضعیف پاشنه سیم که در حین بازرسی قابل مشاهده نیست، خرابی رخ دهد.

خوردگی بین دانه‌ای (IGC):

  • علت: خوردگی ترجیحی در امتداد مرز دانه‌ها در یک فلز، که اغلب به دلیل واکنش‌پذیری ناشی از جداسازی ناخالصی‌ها ایجاد می‌شود.
  • حالت شکست اتصال سیم: این احتمال برای پدهای اتصال آلومینیومی وجود دارد اگر تکنیک متالیزاسیون به طور کامل بهینه نشده باشد. خود پد اتصال ممکن است به دلیل IGC تخریب شود و منجر به جدا شدن و از بین رفتن اتصال شود. حفره دار شدن پد.

ترک خوردگی ناشی از خوردگی تنشی (SCC):

  • علت: اثر نیروهای کششی همراه با محیط خورنده باعث ایجاد ترک‌های ترد در ماده و پیشرفت آنها می‌شود.
  • حالت شکست اتصال سیم: SCC می‌تواند در اتصالات سیم‌های پیش‌تنیده، به ویژه در بسته‌هایی با تنش‌های پسماند بالا به دلیل جنس و فرآیند کپسوله‌سازی، یک نگرانی باشد، هرچند بعید است. در یک محیط خورنده، یک سیم می‌تواند ناگهان با حالت شکست ترد، که تنها با کمی افزایش طول همراه است، دچار شکست شود.

خوردگی یکنواخت:

  • علت: یک حمله شیمیایی عمومی، مانند اکسیداسیون، که به طور یکنواخت در کل سطح فلز توزیع شده است.
  • حالت شکست اتصال سیم: این امر در سیم‌های آلومینیومی به شکل رشد تدریجی اکسید آلومینیوم که منجر به افزایش مقاومت الکتریکی سیم‌ها می‌شود، و در سیم‌های مسی به شکل لایه‌ای از اکسید مس که می‌تواند رسانایی و چسبندگی را نیز کاهش دهد، قابل مشاهده است.

انواع مواد و ویژگی‌های خوردگی آنها در اوراق قرضه سیمی

خوردگی اتصالات سیمی ناشی از عوامل محیطی مانند رطوبت، دما و وجود آلاینده‌هایی مانند گوگرد و کلر است.
در بین فلزات، عملکرد آنها در محیط‌های خورنده متفاوت خواهد بود؛ بنابراین، انتخاب یک فلز نسبت به فلز دیگر، عامل مهمی است که باید در نظر گرفته شود.
 
  • طلا (Au)این می‌تواند با سایر فلزات آلومینیوم که ممکن است ناپایدار باشند، جفت شود. دلیل این امر این است که این فلزات در نهایت هر زمان که با رطوبت تماس پیدا کنند، سطح اتصال را دچار خوردگی می‌کنند.
  • آلومینیوم (آلومینیوم): این لایه در حضور رطوبت و سایر فلزات مستعد خوردگی گالوانیک است. رسوبات اکسیدی می‌توانند استحکام اتصال فلز آلومینیوم را کاهش دهند. رسوبات سطح اکسید بر عملکرد الکتریکی در حین اتصال تأثیر می‌گذارند.
  • مس (Cu)مس دارای خواص اکسیدی است و در شرایط شدید با رطوبت و گوگرد موجود در جو، می‌تواند مستعد تشکیل سولفید باشد. حتی اگر اکسید مس تشکیل شود، سولفیدها ممکن است از دیگر علل شکست پیوند، به ویژه با رطوبت، باشند. اکسید مس از نظر قابلیت اطمینان در خود فصل مشترک پیوند، یک مشکل است.
  • نقره (Ag): به دلیل تشکیل ترکیبات گوگردی، که منجر به تشکیل لایه سولفید نقره می‌شود، مستعد کدر شدن است و در نتیجه منجر به افزایش مقدار مقاومت پیوند می‌شود. از آنجایی که کدر شدن می‌تواند در صورت زیاد بودن ترکیبات گوگردی سریع باشد، باید محدودیت‌هایی در محیط‌های آزمایش اعمال شود.

 

موادمزایای کلیدیچالش‌های اصلیعوامل قابلیت اطمینان
آلومینیوماتصال آسان و مقرون به صرفهترکیبات بین فلزی با طلا، خوردگی متوسطخوردگی خفیف، خستگی
طلاشکل‌پذیر و مقاوم در برابر خوردگیترکیبات بین فلزی گران‌قیمت با آلومینیومخستگی عالی، خوردگی کم
مسرسانایی بالا، هزینه کممستعد خوردگی، مشکل در اتصالخطر خوردگی بالا، سخت شدن
نقرهرسانایی خوب، قابلیت اطمینان امیدوارکنندهداده‌های محدود، خدشه‌دارکنندهخوردگی متوسط، خستگی کمتر اثبات شده

خستگی مکانیکی و حرارتی

شکست‌های خستگی به دلیل تنش‌های چرخه‌ای رخ می‌دهند که بسیار پایین‌تر از استحکام کششی نهایی ماده هستند، اما همچنان در ایجاد و گسترش ترک‌ها در ماده موفق هستند.
 

ترک پاشنه پا

این یک مثال کلاسیک از شکست خستگی است. ناحیه پاشنه اتصال سیم، که جایی است که سیم به گوی یا گوه می‌رسد، یک متمرکزکننده تنش طبیعی است.
  • علت ریشه‌ای: حرکت نسبی ناشی از تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی بین تراشه سیلیکونی، سیم اتصال و زیرلایه به دلیل فرآیند چرخه‌های حرارتی است. این حرکت دوره‌ای باعث ایجاد تنش‌های خمشی چرخه‌ای بر روی پاشنه سیم می‌شود که در نهایت منجر به تشکیل میکروترک‌ها و یک حالت شکست معمول در ناحیه پاشنه سیم می‌شود.

شکستن گردن (پیوندهای توپی):

همانند ترک‌های پاشنه، یک محل ثانویه با تمایل به خستگی چرخه‌ای، ناحیه‌ای است که سیم از اتصال توپی خارج می‌شود و اغلب به آن ‘گردن’ گفته می‌شود.
 

دهانه‌زایی:

این یک حالت خرابی با اهمیت قابل توجه است زیرا پد اتصال و سیلیکون به طور نامطلوبی تحت تأثیر قرار می‌گیرند. این به دلیل انرژی بیش از حد اولتراسونیک یا نیروی اتصال است که می‌تواند باعث شود فرآیند اتصال مقداری از ماده سیلیکون را از زیرلایه جدا کند. حالت خرابی می‌تواند یک خرابی فوری و همچنین یک خرابی پنهان باشد.

تحلیل شکست در اتصال سیمی

برای تجزیه و تحلیل سیستماتیک شکست، یک رویکرد ساختاریافته مورد نیاز است. نمودار جریان زیر این روش را تعریف می‌کند:
فلوچارت تحلیل شکست اتصال سیم

آنالیز غیر مخرب (NDA):

  • آزمایش الکتریکی: این به تعیین نوع خرابی (باز، مقاومت بالا، میانبر) و جداسازی شبکه/پیوند معیوب کمک می‌کند.
  • اشعه ایکس تصویربرداری: عیوب داخلی مانند سیم‌پیچ، پارگی سیم، اتصال کوتاه و بی‌نظمی‌های گوی/گوه را می‌توان بدون باز کردن بسته‌بندی تشخیص داد.
  • میکروسکوپ صوتی روبشی C-Mode (C-SAM): این روش از بازرسی اولتراسونیک برای جستجوی لایه لایه شدن سطح مشترک، شواهدی از ترک‌های داخلی و حفره‌های درون بسته‌بندی، به ویژه در سطوح مشترک شامل ترکیب قالب و تراشه یا قاب سربی، استفاده می‌کند.

آنالیز فیزیکی مخرب (DPA):

  • کپسول‌زدایی: فرآیندی برای حذف ترکیب کپک با استفاده از مواد شیمیایی/پلاسما به منظور مشاهده پیوندهای قالب و سیم.
  • میکروسکوپ نوری: اول بازرسی بصری با هدف تعیین محل شکست و تعیین ویژگی‌های آن، مانند تغییر رنگ، پیوند برداشته شده و پارگی سیم.
  • میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM): این روش تصاویر دقیق و با بزرگنمایی بالا از محل شکست ارائه می‌دهد که معیار مهمی برای مطالعه شکست مواد شکل‌پذیر در مقابل مواد شکننده و همچنین مسیرهای خالی میکروسکوپی است. [3]
  • طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDS): همزمان با SEM برای آنالیز ترکیب عنصری در یک ناحیه انتخاب شده استفاده می‌شود. این یک ابزار کلیدی برای تأیید وجود اجزای بین فلزی (نسبت Au-Al)، محصولات خوردگی (اکسیژن با آلومینیوم، گوگرد با نقره) و آلاینده‌های یونی (کلر و پتاسیم) است.

تکنیک‌های کاهش خوردگی در اتصال سیمی

چند روش برای بهبود قابلیت اطمینان اتصال سیمی وجود دارد:

انتخاب و تطبیق مواد:

  • در اتصال با قابلیت اطمینان بالا، از سیم‌هایی غیر از Au-Al استفاده کنید., کاربردهای دما بالا. این ممکن است شامل اتصال آلومینیوم به آلومینیوم و استفاده از سیم مسی با روکش پالادیوم به جای سیم مسی لخت باشد زیرا محافظت بهتری در برابر اکسیداسیون و خوردگی آلومینیوم دارد.
  • از ترکیبات کپک با آلودگی یونی کم و میزان جذب رطوبت پایین استفاده کنید.

بهینه‌سازی فرآیند:

  • ایجاد یک پنجره فرآیند قوی در رابطه با نیروهای پیوند، انرژی، مدت زمان و دما به طوری که پیوندی قوی بدون هیچ گونه آسیبی به ویفر و با حداقل رشد اولیه ترکیب بین فلزی تشکیل شود.
  • کنترل دقیق محیط تولید در برابر آلودگی یونی و قرار گرفتن در معرض رطوبت.

موانع حفاظتی:

  • استفاده کنید پوشش‌های محافظ برای مثال، روی پدهای اتصال،, نیکل بدون برق/الکترولس پالادیوم/Immersion Gold، که سطحی صاف، مقاوم در برابر خوردگی و قابل اتصال ارائه می‌دهد.
  • با یک آب‌بندی محکم یا تقریباً محکم در برابر رطوبت و آلاینده‌ها، یک فرآیند کپسوله‌سازی قوی را تضمین کنید.

طراحی برای قابلیت اطمینان (DfR):

  • بهینه سازی شکل حلقه سیم برای کاهش فشار اتصال پاشنه.
  • باید قوانین طراحی پد اتصال را رعایت کند تا پایه محکمی برای اتصال تضمین شود.

نتیجه‌گیری

حالت‌های شکست در اتصال سیمی، یعنی رشد بین فلزی، خوردگی و شکست خستگی، اغلب همزمان با یکدیگر رخ می‌دهند. شکستی با رشد اندک ترکیب بین فلزی ممکن است با خوردگی پیشرفت کند و در نهایت منجر به شکست خستگی شود.
 
امروزه، در صنعت نیمه‌هادی‌های پویا، نیاز به گذار از حالت تحلیل واکنشی خرابی به رویکرد پیشگیرانه‌ی ‘قابلیت اطمینان از طریق طراحی’ بسیار مهم است.
 
درک مکانیسم‌های خرابی به تصمیم‌گیری در سطح طراحی مربوط به مواد و طراحی اتصال سیم، قبل از استقرار، کمک می‌کند. برای درک اولیه مربوط به انواع اتصال سیم، مواد و فرآیندهای مرتبط، به مقاله پایه مراجعه کنید:

اتصال سیمی: راهنمای جامع برای فرآیند، مواد و گزینه‌های طراحی

سوالات متداول در مورد خرابی‌های اتصال سیم

واکنش‌پذیری مس با ترکیبات اکسیژن و گوگرد به راحتی خورده می‌شود. پیوندهای مسی به ویژه هنگامی که در تماس با عوامل محیطی مانند رطوبت و گرد و غبار قرار می‌گیرند، مستعد خوردگی هستند. در صورت افزودن فلزات غیرمشابه، خوردگی گالوانیک می‌تواند رخ دهد.

طلا و مس هر دو به دلیل رسانایی خوبشان، مواد رایج برای اتصال سیمی در کاربردهای توان بالا و فرکانس بالا هستند. نقره نیز به دلیل تمایل به کدر شدن، کاربرد محدودی به عنوان ماده اتصال فرکانس بالا یا توان بالا دارد. با این حال، در نهایت باید مواد بر اساس هزینه، رسانایی و پایداری در شرایط محیطی تهیه شوند.

خرابی‌های اتصال سیم‌ها، به‌ویژه در مورد خوردگی و خستگی در سیستم‌های مدیریت باتری، خطرآفرین هستند که می‌توانند باعث اتصال کوتاه یا گرمای بیش از حد در وسایل نقلیه الکتریکی شوند و به اضطراب در پیمایش مسافت و مسائل ایمنی دامن بزنند که با گذار به حمل‌ونقل تجدیدپذیر در سطح جهانی تشدید شده‌اند. 

گرم و سرد شدن مواد باعث انبساط و انقباض مواد می‌شود و تنش‌های مکانیکی در سطح اتصال ایجاد می‌کند. ممکن است ترک خوردگی ناشی از خستگی، شکستن پاشنه یا جدا شدن پیوند به دلیل چرخه‌های حرارتی رخ دهد که یکپارچگی مکانیکی پیوند را به خطر می‌اندازد.

مراجع:
[1] هارمن، جی. (2010). اتصال سیم در میکروالکترونیک (ویرایش سوم). انتشارات مک‌گرا-هیل پروفشنال.
[2] Su, B., Qu, J., & Pecht, M. (2019). اتصال سیم مسی. اسپرینگر.
[3] Lai, Z., & Mei, Y. (2018). فناوری پیشرفته اتصال سیمی. اسپرینگر.

دریافت قیمت

وبلاگ‌های مرتبط