微組裝技術(shù)中的金絲鍵合工藝研究

孫瑞婷

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

微組裝技術(shù)具有微型化、高集成、高可靠性的特點(diǎn)，采用微組裝技術(shù)的微波組件，比一般分離器件電路重量輕10～20倍，體積小4～6倍，性能和無故障時(shí)間成倍提升。微組裝一般包含清洗、器件芯片燒結(jié)、金絲鍵合、封帽等工藝流程。金絲鍵合是實(shí)現(xiàn)微波多芯片組件電氣互連的關(guān)鍵技術(shù)，金絲鍵合直接影響到電路的可靠性和穩(wěn)定性，對電路的微波特性具有很大的影響。本文主要針對微波模塊、組件中的金絲鍵合工藝進(jìn)行了研究，對提高金絲鍵合質(zhì)量起到工藝優(yōu)化的作用。

1 金絲鍵合簡介

鍵合是通過施加壓力、機(jī)械振動(dòng)、電能或熱能等不同能量于接頭處，形成連接接頭的一種方法，屬于壓力焊接的一種。在鍵合接頭內(nèi)金屬不熔化，但是在被連接面之間發(fā)生原子擴(kuò)散，即被連接面之間已達(dá)到了產(chǎn)生原子結(jié)合力的距離。將未封裝的半導(dǎo)體裸芯片直接安裝在微波多芯片組件（MCM）基板上，是微組裝技術(shù)的重要進(jìn)步。而裸芯片中的鍵合互連便是組裝MCM的關(guān)鍵技術(shù)。

鍵合互聯(lián)使用熱壓、超聲或熱超聲把鋁絲或金絲鍵合或點(diǎn)焊到裸芯片與基板的相應(yīng)焊盤位置上。隨著應(yīng)用需求的不斷提高，現(xiàn)在鋁絲鍵合的應(yīng)用越來越少，金絲鍵合已成為微組裝技術(shù)中的關(guān)鍵工藝。熱超聲鍵合是超聲波鍵合的一種變化，即再外加一個(gè)熱輸入，結(jié)合了熱壓與超聲兩者的優(yōu)點(diǎn)，熱超聲鍵合適合18～100μm的金絲。本文中選用25μm熱超聲鍵合方式。

從鍵合工具及對引線端部的工藝處理不同可將金絲鍵合分為球形鍵合（Ball Bond）和楔形鍵合（Wedge Bond），如圖1所示。

圖1 球形鍵合與楔形鍵合

球形鍵合時(shí)劈刀產(chǎn)生電火花熔化金絲在劈刀外的伸出部分，在表面張力作用下熔融金絲形成球形，球直徑一般是線徑的2～3倍，緊接著降下劈刀，在適當(dāng)?shù)膲毫投ê玫臅r(shí)間內(nèi)將金球壓在電極或芯片焊盤上完成第1焊點(diǎn)；然后劈刀運(yùn)動(dòng)到第2點(diǎn)位置，通過劈刀外壁對金絲施加壓力以楔形鍵合方式完成第2焊點(diǎn)，之后扯線使金絲斷裂，劈刀升高到合適的高度送線達(dá)到要求尾線長度，進(jìn)入下一鍵合循環(huán)。球形鍵合是一種全方位的工藝（即第2焊點(diǎn)可相對第1焊點(diǎn)360°任意角度焊接）。球形鍵合一般采用直徑75μm以下的金絲，因?yàn)槠湓诟邷厥軌籂顟B(tài)下容易變形、抗氧化性能好、成球性好，一般用于焊盤間距大于100μm的情況。

楔形鍵合時(shí)金絲穿過劈刀背面的通孔，通過劈刀傳導(dǎo)的熱、壓力或超聲波能量，金絲和焊盤金屬的表面接觸并最終形成連接。楔形鍵合是一種單一方向焊接工藝 （即第二焊點(diǎn)必須與第一焊點(diǎn)同方向）。

由于楔焊可實(shí)現(xiàn)最小的拱弧，故在微波器件中廣泛應(yīng)用。本文主要對楔焊鍵合質(zhì)量進(jìn)行研究，故以下論述中的鍵合方式全部為楔焊，所用工藝設(shè)備為美國 Westbond公司的7476E鍵合機(jī)，如圖2所示。

2 金絲鍵合質(zhì)量的影響因素

金絲鍵合質(zhì)量的影響因素有劈刀、鍵合參數(shù)、鍵合層鍍金質(zhì)量、金絲等。

2.1 劈刀

圖2 Westbond 7476E鍵合機(jī)

劈刀是金絲鍵合的直接工具，楔焊劈刀用于金絲、金帶、鋁絲、鋁帶等鍵合，主要分為深腔、非深腔、粗鋁、金帶／鋁帶鍵合等幾大類，多為鎢鋼材料，刀頭部分材料為陶瓷。

在一個(gè)完整的楔形鍵合中（如圖3），第1鍵合點(diǎn)的鍵合強(qiáng)度主要受到劈刀的后倒角（BR）和鍵長（BL）、劈刀在鍵合第1點(diǎn)后上升過程、拉弧過程所產(chǎn)生的摩擦及拉力、線夾打開的寬度等因素的影響。如果BR太小，則劈刀后倒角區(qū)域較鋒利，就會(huì)導(dǎo)致第1鍵合點(diǎn)的根部較脆弱，在拉力測試實(shí)驗(yàn)中容易在此位置斷裂。在完成第1鍵合點(diǎn)后，劈刀要經(jīng)過先上升、再向第2鍵合點(diǎn)方向水平移動(dòng)，然后下降到第2鍵合點(diǎn)進(jìn)行鍵合的過程，在該過程中，第1鍵合點(diǎn)的根部會(huì)受到拉力彎曲，引線受到送線孔后端的摩擦，都會(huì)影響第1鍵合點(diǎn)的根部或者損傷第1鍵合點(diǎn)根部。第2鍵合點(diǎn)的鍵合強(qiáng)度主要受到前倒角（FR）和鍵長的影響，此時(shí)BR的作用是保持尾絲的一致性及扯斷引線提供一個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)。因此如果要得到良好的引線鍵合，一定要根據(jù)所用引線的直徑選擇合適的劈刀參數(shù)。

在實(shí)際使用中，當(dāng)劈刀用過一段時(shí)間后，前倒角、后倒角等劈刀端面就會(huì)產(chǎn)生一定的磨損，這樣導(dǎo)致焊點(diǎn)根部的鍵合強(qiáng)度降低，影響鍵合質(zhì)量。同時(shí)，操作人員使用不當(dāng)也會(huì)縮短劈刀的使用壽命。

2.2 鍵合參數(shù)

在劈刀到頭端部引線與鍵合表面接觸后，鍵合機(jī)通過劈刀傳遞到引線一定的壓力和超聲波能量，使引線與鍵合表面產(chǎn)生相對摩擦形成物理性連接。在鍵合過程中，施加的壓力、超聲功率、鍵合時(shí)間及劈刀溫度對鍵合質(zhì)量的影響最大。壓力是引線鍵合中的必要條件。壓力太小，劈刀不能緊緊地壓住引線，超聲功率的傳遞效率不高導(dǎo)致無法形成高強(qiáng)度鍵合點(diǎn)。壓力太大又會(huì)導(dǎo)致鍵合過程中引線產(chǎn)生過大的形變，而使引線斷裂或鍵合點(diǎn)脆弱。超聲功率太小則起不到鍵合的作用。功率太大，引線受到太大的變形使鍵合點(diǎn)抗拉強(qiáng)度減弱，并且破壞鍵合面金屬層或芯片表面。在選擇合適的壓力和超聲功率時(shí)，鍵合時(shí)間的合理選擇也對鍵合點(diǎn)質(zhì)量起到關(guān)鍵的作用。因此要得到良好的鍵合點(diǎn)，必須根據(jù)使用引線的直徑選擇合適的鍵合參數(shù)。

圖3 楔形鍵合劈刀示意圖

2.3 鍵合層鍍金質(zhì)量

同種金屬間的鍵合效果最好，能夠得到最高的可靠性。實(shí)驗(yàn)中使用金絲鍵合，因此鍍層也選用鍍金層。鍍金層的厚度直接影響鍍金層硬度，鍍金的純度直接影響鍍金質(zhì)量，2個(gè)條件對鍵合質(zhì)量均有很大的影響。

另外，鍍金層表面的清潔度對鍵合質(zhì)量也有較大的影響。等離子清洗具有清洗干凈、不損傷芯片、不降低膜層的附著力等特點(diǎn)，同時(shí)它具有常規(guī)的液相清洗不可比擬的優(yōu)勢［1］。等離子清洗過程中高能電子碰撞反應(yīng)氣體分子，使之離解或電離，利用產(chǎn)生的多種粒子轟擊被清洗表面或與被清洗表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而有效清除被清洗表面的有機(jī)污染物或改善表面狀態(tài)。因此鍵合前對鍍金層表面進(jìn)行等離子清洗是十分必要的。本文中采用氬單種等離子清洗［2］。

2.4 金絲

金絲的質(zhì)量和直徑對鍵合質(zhì)量都有影響。金絲的純度一般為99.99%以上，且要求尺寸精確、表面均勻無污染、達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的拉斷力和延展率。不同的集成電路對金絲的直徑要求也不同，本文中實(shí)驗(yàn)采用生產(chǎn)中常用的25μm金絲為例對金絲鍵合質(zhì)量進(jìn)行分析。

2.5 其他影響因素

不同的基板材料也會(huì)產(chǎn)生不同的鍵和效果。比如在陶瓷基板表面進(jìn)行金絲鍵合非常容易，而且鍵合質(zhì)量非常好，引線拉力較大，而在軟基板如羅杰斯5880軟基板表面進(jìn)行金絲鍵合就相對比較困難，并且該現(xiàn)象是目前國內(nèi)非常普遍存在的一個(gè)問題，關(guān)于如何解決在軟基板表面鍵合困難的問題，經(jīng)常使用的辦法是楔焊與球焊配合使用，即在用楔焊完成金絲鍵合后，再用球焊機(jī)在軟基板端的鍵合點(diǎn)上壓一個(gè)金球進(jìn)行加固，可以有效地提高焊點(diǎn)質(zhì)量。

另外Westbond 7476E鍵合機(jī)屬于手動(dòng)鍵合機(jī)，鍵合過程受到一定的人為因素影響，操作人員的技術(shù)熟練度、疲勞程度等都可能影響到鍵合質(zhì)量，所以實(shí)驗(yàn)中所有鍵合操作全部由同一個(gè)操作人員完成，并且使其保證充分的休息。

3 實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過以上內(nèi)容可知，劈刀、鍵合層鍍金質(zhì)量、金絲等因素一旦選定就無法改變，而鍵合參數(shù)可以通過調(diào)節(jié)不同的參數(shù)而得到最優(yōu)組合。因此實(shí)驗(yàn)中選定鍵合參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)控制變量，包括壓力、超聲功率、鍵合時(shí)間和劈刀溫度。其中壓力根據(jù)芯片推薦要求選擇22g。對于實(shí)驗(yàn)方法，有研究表明正交實(shí)驗(yàn)法可以有效得到優(yōu)化的鍵合參數(shù)組合［3－4］。

本文在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化篩選。首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定參數(shù)的范圍邊界，最低要求能夠得到完整的鍵合點(diǎn)，最高要求在鍵合過程中不能壓斷金絲。然后在各參數(shù)的邊界范圍內(nèi)均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)組合，得到實(shí)驗(yàn)方案。選取了陶瓷和羅杰斯5880兩種基板板材，芯片選取GaAs芯片，使用進(jìn)口25μm金絲，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中最常使用的鍵合類型制定表1所示實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)中每組工藝參數(shù)都采用全新劈刀進(jìn)行鍵合后做拉力測試所得到的拉力值作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

確定方案后，分別對各方案均勻設(shè)計(jì)12組參數(shù)組合，每種組合鍵合10根金絲，鍵合完成后剔除人為因素造成的不合格焊點(diǎn)，包括焊點(diǎn)尾絲過長、焊點(diǎn)不完整、金絲拱弧過低等情況，對其余鍵合金絲用Westbond 70PTE拉力測試儀進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試。按照GJB 548B－2005中方法2011.1對鍵合金絲進(jìn)行破壞性鍵合拉力實(shí)驗(yàn)。

得到測試數(shù)據(jù)后，剔除相對于平均值過高或過低的數(shù)據(jù)，對剩余的數(shù)據(jù)取平均值作為每組鍵合參數(shù)的抗拉強(qiáng)度值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2～表5，其中超聲功率為鍵合機(jī)轉(zhuǎn)換的步進(jìn)值，無單位；鍵合時(shí)間單位為ms；拉力值單位為gf。

表2 方案1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 方案2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 方案3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 方案4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)驗(yàn)證，以上所有數(shù)據(jù)結(jié)果均滿足軍標(biāo)GJB 548B－2005（鍵合拉力強(qiáng)度最低值3gf）的要求。可以從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中看出，超聲功率對拉力測試結(jié)果影響較大，即該因素對金絲鍵合質(zhì)量有較大的影響。在實(shí)際裝配操作中要根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采取最優(yōu)參數(shù)組合［5］，從而提高裝配的可靠性。

影響金絲鍵合質(zhì)量的因素很多，其中超聲功率和鍵合時(shí)間是實(shí)際設(shè)備操作中最直接接觸、最直觀反應(yīng)鍵合效果的因素。對于金絲鍵合質(zhì)量的分析，也不僅僅局限于測量鍵合拉力，還包含焊點(diǎn)寬度的影響、焊點(diǎn)失效性分析、金絲弧度及跨度、鍵合金絲微波特性等各種分析方法，都需要大量實(shí)驗(yàn)以及實(shí)際操作驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

本文在已有實(shí)際工藝操作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對鍵合參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，超聲功率和鍵合時(shí)間在一定范圍內(nèi)可以得到最優(yōu)的鍵合強(qiáng)度，而低于或高于該范圍時(shí)都會(huì)降低鍵合強(qiáng)度。因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，要根據(jù)實(shí)際情況制定合理的鍵合參數(shù)方案，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后才可以進(jìn)行生產(chǎn)裝配，這樣才可以在節(jié)省時(shí)間的前提下既得到可靠的裝配質(zhì)量，又可以使產(chǎn)品獲得較好的微波特性（如插損、駐波等）。本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對提高生產(chǎn)工藝水平有一定的指導(dǎo)意義，可廣泛應(yīng)用于 MCM 組件、T／R組件等微波組件中。

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