臺(tái)面型焊盤的引線鍵合工藝研究

邱穎霞，劉炳龍

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230031）

臺(tái)面型焊盤的引線鍵合工藝研究

邱穎霞，劉炳龍

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230031）

引線鍵合工藝是微電子封裝的基礎(chǔ)工藝，廣泛應(yīng)用于軍品和民品芯片的封裝。特殊結(jié)構(gòu)焊盤的引線鍵合失效問題是鍵合工藝研究的重要方向。文章主要針對(duì)臺(tái)面型焊盤，從熱壓鍵合、超聲鍵合、熱超聲鍵合原理進(jìn)行了分析，對(duì)臺(tái)面型焊盤的工藝適應(yīng)性給出了建議。使用熱超聲鍵合工藝進(jìn)行臺(tái)面型焊盤的引線鍵合需要盡可能降低超聲功率，避免鍵合焊盤的機(jī)械損傷，并通過平衡其他各變量保證鍵合點(diǎn)的強(qiáng)度。側(cè)重于熱超聲鍵合工藝的應(yīng)用，分析臺(tái)面型焊盤與熱超聲鍵合過程相關(guān)的失效現(xiàn)象，通過樣件及小批量試制，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化驗(yàn)證，針對(duì)故障件統(tǒng)計(jì)分類給出了相應(yīng)的解決途徑。

臺(tái)面型焊盤；引線鍵合；凸臺(tái)

1 引言

引線鍵合焊盤多為平面結(jié)構(gòu)，即鍵合焊盤與芯片表面處于同一平面（圖1）。臺(tái)面型焊盤，鍵合面高于芯片平面，是一個(gè)數(shù)十微米凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的上表面（圖2）。臺(tái)面型焊盤多應(yīng)用于PIN二極管管芯，凸臺(tái)集成I、P功能層和鍵合焊盤，鍵合焊盤面積影響管芯寄生電容，通常兼顧后道封裝工藝盡量做小。臺(tái)面型焊盤PIN二極管管芯具有高功率、低插入損耗（10GHz時(shí)0.1dB）、高頻率的特點(diǎn)。

2 工藝適應(yīng)性

臺(tái)面型焊盤屬易受損傷結(jié)構(gòu)形式，薄保護(hù)鈍化層、小焊盤設(shè)計(jì)都對(duì)后道封裝中引線鍵合工藝提出了較為苛刻的要求。鍵合區(qū)表面金屬通常為鋁、鎳/金。引線鍵合是在加熱或超聲狀態(tài)下，通過劈刀向引線金屬施加壓力，促使引線金屬和下面的芯片鍵合區(qū)表面金屬或基板電路金屬鍍層發(fā)生塑性變形和原子間互擴(kuò)散形成合金層的過程。引線鍵合工藝根據(jù)鍵合能量不同分為熱壓鍵合、超聲鍵合、熱超聲鍵合。

熱壓鍵合利用壓力使鍵合面互相接觸并產(chǎn)生局部塑性變形破壞界面氧化膜，形成擴(kuò)散區(qū)域，在加熱條件下，隨時(shí)間的延長緊密接觸的部位由于蠕變變形和擴(kuò)散形成鍵合。與其他引線鍵合工藝相比，熱壓鍵合是臺(tái)面型焊盤引線鍵合的最佳方式。在實(shí)際運(yùn)用中，由于該工序器件溫升較高，器件、材料選用受到一定限制。

超聲鍵合是在常溫下利用超聲機(jī)械振動(dòng)帶動(dòng)鍵合絲與焊盤表面進(jìn)行摩擦，破壞氧化膜，金屬表面相互接觸，摩擦產(chǎn)生的熱量使金屬之間發(fā)生擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)鍵合。鍵合過程分為鍵合絲與焊盤表面的摩擦、劈刀與絲之間的滑動(dòng)兩個(gè)階段。對(duì)超聲鍵合焊點(diǎn)進(jìn)行加熱老化處理，鍵合點(diǎn)剪切強(qiáng)度上升并趨于穩(wěn)定，這是由于加熱使界面金屬之間進(jìn)一步擴(kuò)散。超聲鍵合中高頻率的摩擦減小了接觸面的粗糙度，消除了接觸面的氧化物，有助于分子間的接觸。但過高的超聲振動(dòng)幅度易對(duì)臺(tái)面型管芯邊緣產(chǎn)生損傷，并對(duì)材料本身的缺陷進(jìn)行放大。通常的損傷現(xiàn)象是在焊盤的邊緣形成鋸齒狀的崩損（圖3），嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成焊盤缺損（圖4）。

?

熱超聲鍵合同時(shí)采用了熱壓鍵合的變量和表面之間的超聲振動(dòng)。與熱壓鍵合相比，熱超聲鍵合所需的壓力小，器件溫升較低。與超聲壓接相比，經(jīng)過加熱老化之后鍵合點(diǎn)的剪切強(qiáng)度幾乎不發(fā)生改變或只發(fā)生很小的變化。熱超聲鍵合由于機(jī)械去膜更為充分，首先在接觸面上分散地形成了擴(kuò)散的核心，然后在超聲振動(dòng)方向上形成合金層，并逐漸生長擴(kuò)及整個(gè)接觸面。熱超聲鍵合結(jié)合了熱壓鍵合和超聲鍵合的優(yōu)點(diǎn)，是目前引線鍵合工藝的主流方式。臺(tái)面型焊盤具有小凸臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用熱超聲鍵合工藝需要盡可能降低超聲功率，避免鍵合焊盤的機(jī)械損傷，通過平衡其他各變量保證鍵合點(diǎn)的強(qiáng)度。綜上所述，臺(tái)面型管芯與鍵合工藝的匹配性比較見表1。

3 失效現(xiàn)象

由于受封裝材料和工序溫升的限制，臺(tái)面型焊盤鍵合我們采用熱超聲鍵合工藝，鍵合示意見圖5。采用該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)組件整體溫升小于100℃，但對(duì)整個(gè)工藝要求較高。臺(tái)面型焊盤管芯與鍵合工藝相關(guān)的主要失效現(xiàn)象為：（1）焊盤局部或整體脫落（圖6、7），無法鍵合；（2）焊盤功能層損傷，后期測試中電性能參數(shù)表現(xiàn)異常；（3）焊盤鈍化保護(hù)層損傷，在長期惡劣環(huán)境下電刺激，材料缺陷及損傷易引發(fā)管芯漸變失效。前兩種現(xiàn)象都是可見和可測的，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)剔除。第三種情況具有一定的隱蔽性和滯后性。鈍化保護(hù)層損傷情況只能通過破壞性腐蝕后進(jìn)行SEM分析，無法在生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)全檢；漸變性失效模式使得失效暴露的時(shí)間后延，易發(fā)生批量問題。

4 試驗(yàn)、驗(yàn)證及結(jié)論

根據(jù)以上三種與鍵合相關(guān)的失效現(xiàn)象我們開展了以下幾個(gè)方面的工作。

加強(qiáng)來料檢驗(yàn)，剔除存在明顯焊盤缺陷的芯片。鍵合點(diǎn)鍵合絲的直徑變化范圍一般為原直徑的1.2～1.5倍，電訊設(shè)計(jì)中載流量、匹配性能應(yīng)基于與鍵合焊盤尺寸一致的鍵合絲直徑。利用正交試驗(yàn)法，優(yōu)化鍵合工藝參數(shù)，以最小的超聲功率實(shí)現(xiàn)可靠鍵合為原則。在驗(yàn)證工藝的可行性過程中我們采用了樣件確認(rèn)的方式（圖8），經(jīng)過破壞性腐蝕后進(jìn)行SEM分析，樣件存在材料缺陷，鍵合過程中沒有引入明顯的損傷（圖9）。

使用同一款臺(tái)面管芯，在兩個(gè)產(chǎn)品上同時(shí)隨機(jī)裝配進(jìn)行小批量驗(yàn)證。優(yōu)化的工藝參數(shù)下第一、第二種失效現(xiàn)象出現(xiàn)率低于5%。在機(jī)、料、法、環(huán)一定的條件下，對(duì)初測合格的管芯故障件進(jìn)行了分析（圖10），故障件隨機(jī)分布于兩產(chǎn)品中；不同操作者相關(guān)故障件的分布與總分布相符合。鍵合工序可能引入的問題有：劈刀對(duì)位偏差易造成凸臺(tái)型結(jié)構(gòu)焊盤的邊緣鈍化保護(hù)層損傷，使得功能層在長期惡劣環(huán)境中電刺激下易在材料缺陷及損傷處產(chǎn)生電擊穿，可靠性降低。鈍化保護(hù)層的損傷難以在過程鏡檢、電性能初測中及時(shí)發(fā)現(xiàn)。鈍化保護(hù)層損傷和材料缺陷、使用環(huán)境、電刺激等因素綜合作用引發(fā)的管芯失效為漸變模式，可通過后期的例行試驗(yàn)進(jìn)行篩選。

5 結(jié)束語

臺(tái)面型焊盤鍵合優(yōu)選熱壓鍵合工藝，可采用優(yōu)化的熱超聲鍵合工藝。引線鍵合工藝作為微電子封裝的基礎(chǔ)工藝之一，廣泛應(yīng)用于大量軍品和民品芯片的封裝，但對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)焊盤的鍵合工藝技術(shù)的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。

［1］Tapan K Gupta，等. 厚薄膜混合微電子學(xué)手冊(cè)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［2］Richard Brown，等. 射頻和微波混合電路——基礎(chǔ)、材料和工藝[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［3］查爾斯A. 哈珀，等. 電子封裝材料與工藝[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

Wire Bonding Technique Research of Mesa Type Pad

QIU Ying-xia, LIU Bing-long
（China Electronics Technology Group Corporation No.38Research Institute,Hefei230031,China）

The wire bonding technique, which is the basic technology of micro-electronic packaging, is widely used in chip packaging of military and civil products. Wire bonding failures of chip pads with specific structure is the major direction of the bonding technology research. In this paper, suggestions on technique adaptability of mesa type pads were introduced by analyzing the principles of thermocompression bonding, ultrasonic bonding and thermosonic bonding. In order to avoid mechanical damage to bonding pads, the ultrasonic power should be minimized when using thermosonic bonding technique. And the strength of bonding points should be ensured by balancing the other variables. Focus on the application of thermosonic bonding technique, failure phenomena of mesa type pads related to thermosonic bonding were analyzed. Technique parameters were optimized and verified through samples and small-scaled trial-manufacture. Effective solutions were also presented based on by cognizing and classifying the failures.

mesa type pad; wire bonding; convex plate

TN305.94

A

1681-1070（2011）05-0034-04

2011-03-21

邱穎霞（1979—），女，云南麗江人，工程師，本科，2001年畢業(yè)于華中科技大學(xué)，現(xiàn)在中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所從事微組裝工藝技術(shù)研究。

產(chǎn)品、應(yīng)用與市場