Kontext

Context

Výrobce lékařské diagnostické techniky detekoval u série přístrojů občasné výpadky signálu z mikrořadiče. Závada se projevovala nepravidelně, obvykle po zahřátí přístroje na provozní teplotu. Zákazník potřeboval identifikovat příčinu a rozhodnout, zda jde o vadu vstupní komponenty, nebo o problém montáže na desku.

A manufacturer of medical diagnostic equipment detected intermittent signal dropouts from a microcontroller in a series of devices. The fault manifested irregularly, usually after the device warmed up to operating temperature. The client needed to identify the cause and decide whether it was an incoming component defect or a board assembly issue.

Problém

Problem

Vizuální kontrola mikrořadiče v pouzdře QFN neodhalila zjevnou vadu. Rentgen ukázal mírně nepravidelné tvary wirebondů, ale nebylo jasné, zda jde o vadu, nebo o normální variabilitu. Zákazník potřeboval ověřit, zda jsou wirebondy v pořádku, nebo zda je problém jinde.

Visual inspection of the microcontroller in a QFN package revealed no obvious defect. X-ray showed slightly irregular wire bond shapes, but it was unclear whether this was a defect or normal variability. The client needed to verify whether the wire bonds were intact or whether the problem lay elsewhere.

Přístup

Approach

Provedli jsme metalografické řezy pouzdrem QFN v místech, kde rentgen ukázal nepravidelnosti. Připravili jsme nábrusy ve dvou rovinách: podélný řez rovnoběžný s wirebondem a příčný řez kolmý na wirebond. Hodnotili jsme:

We performed metallographic cross-sections through the QFN package at locations where X-ray showed irregularities. We prepared micrographs in two planes: a longitudinal section parallel to the wire bond and a transverse section perpendicular to the wire bond. We evaluated:

• geometrii smyčky wirebondu (výška, tvar),
• kvalitu metalurgického spojení na čipu (bond na chip side),
• kvalitu spojení na pouzdře (bond na package side),
• přítomnost trhlin nebo voidů v místě spojení,
• tloušťku intermetalické vrstvy na obou koncích wirebondu.

• wire bond loop geometry (height, shape),
• quality of the metallurgical bond on the chip side,
• quality of the bond on the package side,
• presence of cracks or voids at the bond location,
• intermetallic layer thickness at both ends of the wire bond.

Zjištění

Findings

• Odloučení wirebondu od padu na čipu – jeden z wirebondů vykazoval částečné odloučení („lifted bond") v místě spoje s padem na čipu. Spoj držel pouze na okrajích, což vysvětlovalo občasné výpadky po zahřátí (tepelná roztažnost zhoršila kontakt).
• Nadměrná tloušťka intermetalické vrstvy – na straně čipu byla vrstva Au-Al silná 8 µm, což výrazně převyšuje doporučenou hodnotu 1–3 µm.
• Kirkendallovy voidy – na rozhraní zlata a hliníku jsme identifikovali sérii malých dutin (Kirkendallovy voidy), typický projev nadměrného růstu intermetalické vrstvy.
• Wirebond na straně pouzdra byl v pořádku – potvrdilo to, že problém není v montáži, ale ve vstupní komponentě.

• Wire bond lifted from the chip pad – one wire bond showed partial lifting at the bond location on the chip pad. The bond was held only at the edges, which explained the intermittent dropouts after warm-up (thermal expansion worsened contact).
• Excessive intermetallic layer thickness – on the chip side, the Au-Al layer was 8 µm thick, significantly exceeding the recommended 1–3 µm value.
• Kirkendall voids – at the gold-aluminium interface, we identified a series of small voids (Kirkendall voids), a typical manifestation of excessive intermetallic layer growth.
• Wire bond on the package side was intact – this confirmed that the issue was not in assembly, but in the incoming component.

Příčina

Root Cause

Příčinou byla nesprávná teplota při wirebondingu ve výrobě čipu. Při vyšší teplotě (cca o 30 °C) došlo k nadměrné difúzi zlata do hliníku, což vedlo k růstu intermetalické vrstvy a vzniku Kirkendallových voidů. Ty postupně snižovaly mechanickou pevnost spoje, až došlo k jeho částečnému odloučení.

The cause was an incorrect temperature during wire bonding in chip manufacturing. At a higher temperature (by about 30 °C), excessive diffusion of gold into aluminium occurred, leading to intermetallic layer growth and the formation of Kirkendall voids. These gradually reduced the mechanical strength of the bond, until partial lifting occurred.

Doporučení

Recommendation

• Informovat výrobce čipu o zjištění a požadovat nápravu v procesu wirebondingu.
• Zavést vstupní kontrolu kritických komponent metalografickým řezem (3–5 vzorků z každé dávky) u rizikových pouzder.
• Do interní specifikace doplnit požadavek na tloušťku intermetalické vrstvy max. 3 µm u Au-Al spojů.
• Zvážit přechod na Cu wirebondy, které mají lepší odolnost proti Kirkendallovým voidům.

• Inform the chip manufacturer of the findings and request corrective action in the wire bonding process.
• Introduce incoming inspection of critical components by metallographic cross-section (3–5 samples from each batch) for at-risk packages.
• Add a requirement to the internal specification for a maximum intermetallic layer thickness of 3 µm for Au-Al bonds.
• Consider migration to Cu wire bonds, which have better resistance to Kirkendall voids.

Výsledek

Outcome

Výrobce čipu potvrdil odchylku v teplotním profilu wirebondingu a provedl nápravu. Zákazník zavedl vstupní metalografickou kontrolu u rizikových pouzder, což v následujících dávkách odhalilo dvě další problematické šarže dříve, než se dostaly do výroby.

The chip manufacturer confirmed a deviation in the wire bonding temperature profile and implemented corrective action. The client introduced incoming metallographic inspection for at-risk packages, which in subsequent batches revealed two more problematic lots before they reached production.