微組裝技術(shù)中金絲鍵合工藝研究

蒯永清

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的微組裝工藝有了很大進(jìn)展，在微組裝工藝中，金絲鍵合是一道關(guān)鍵工藝。金絲鍵合質(zhì)量的好壞直接影響微波組件的可靠性以及微波特性。對(duì)金絲鍵合工藝的影響因素進(jìn)行了分析，并通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案對(duì)25μm金絲進(jìn)行鍵合實(shí)驗(yàn)。對(duì)鍵合金絲進(jìn)行拉力測試，測量結(jié)果全部符合軍標(biāo)GJB548B-2005要求。根據(jù)測量結(jié)果尋求最佳鍵合參數(shù)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：微組裝技術(shù) 金絲鍵合 參數(shù)提取

引 言

引線鍵合實(shí)現(xiàn)了微電子產(chǎn)品優(yōu)良的電氣互連功能，在微電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。自動(dòng)引線鍵合技術(shù)作為一種先進(jìn)的引線鍵合技術(shù)具有絕對(duì)優(yōu)勢。自動(dòng)鍵合技術(shù)是自動(dòng)鍵合機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的程序，自動(dòng)完成引線鍵合過程。自動(dòng)鍵合具有可控化、一致性好和可靠性高等優(yōu)勢。隨著電子封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，微波組件正在不斷向小型化、高密度、高可靠、高性能和大批量方向發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的可控化、高一致性、高可靠性和生產(chǎn)的高效率都提出了更高的要求，順應(yīng)發(fā)展趨勢實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)已成為一種趨勢。所以，對(duì)自動(dòng)化鍵合工藝的研究和優(yōu)化是非常有必要的。

1金絲鍵合工藝簡介

金絲鍵合指使用金屬絲（金線等），利用熱壓或超聲能源，完成微電子器件中固電路內(nèi)部互連接線的連接，即芯片與電路或引線框架之間的連接。金絲鍵合按照鍵合方式和焊點(diǎn)的不同分為球鍵合和楔鍵合。

2金絲鍵合質(zhì)量的影響因素

2.1劈刀

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，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超聲時(shí)間對(duì)鍵合的影響

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，將金絲變形度設(shè)定為42%，相對(duì)超聲功率設(shè)定為20%，鍵合壓力設(shè)定為0.18N，對(duì)超聲時(shí)間進(jìn)行單一變量研究。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，確定試驗(yàn)范圍，在所選范圍內(nèi)確定13個(gè)數(shù)值，每個(gè)值對(duì)應(yīng)鍵合5根絲，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)和分析。按照以上參數(shù)和方案進(jìn)行自動(dòng)鍵合，通過鏡檢和拉力測試等方法分析超聲時(shí)間對(duì)自動(dòng)鍵合的影響。分別使用60倍和200倍光學(xué)顯微鏡對(duì)鍵合金絲結(jié)果和鍵合點(diǎn)的形貌進(jìn)行鏡檢，發(fā)現(xiàn)超聲時(shí)間為2ms（自動(dòng)鍵合機(jī)允許的最低值）時(shí)，金絲沒有鍵合上；超聲時(shí)間>3ms時(shí)，鍵合金絲和鍵合點(diǎn)形貌都正常，且滿足鍵合標(biāo)準(zhǔn)。使用Dag-4000拉力測試儀對(duì)鍵合好的金絲進(jìn)行100%（沒有鍵合上的除外）的拉力測試，每組取其平均值。

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(duì)鍵合質(zhì)量均有很大的影響。另外，鍍金層表面的清潔度對(duì)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。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(duì)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。

2.4焊盤鍍金層厚度

基板上焊盤的鍍金層厚度大小直接與金線鍵合的強(qiáng)度有關(guān)，鍍金層越厚，鍵合的可焊性越好，焊點(diǎn)越牢固，但是鍍金層越厚成本也越高。由于鍍金層厚度和可焊性之間也不是簡單的線性關(guān)系，所以需要通過實(shí)驗(yàn)尋找一個(gè)最優(yōu)的值，在保證達(dá)到鍵合強(qiáng)度要求的情況下，鍍金層厚度最小。

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。得到測試數(shù)據(jù)后，剔除相對(duì)于平均值過高或過低的數(shù)據(jù)，對(duì)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。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(duì)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。

結(jié) 語

綜上所述，本文研究了陶瓷基板上自動(dòng)鍵合各參數(shù)對(duì)鍵合形貌、一致性和可靠性的影響，也通過正交試驗(yàn)給出了優(yōu)化參數(shù)組合。在實(shí)際工作中要根據(jù)實(shí)際情況，綜合其他各種因素，如原材料、劈刀、溫度和前道工序工藝等都會(huì)對(duì)自動(dòng)鍵合造成影響。所以，要根據(jù)試驗(yàn)，采取最優(yōu)化組合，從而提高鍵合的可靠性和一致性。

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