金絲鍵合主要工藝參數技術研究

劉文

摘 要：介紹了金絲鍵合技術，闡述了影響金絲鍵合強度的主要工藝參數，采用超聲熱壓技術和楔形鍵合方式對25μm的金絲進行鍵合正交試驗。通過對測試結果進行極差分析，獲得了超聲功率、超聲時間和熱臺溫度的最佳匹配組合關系及影響鍵合強度的主次因素順序關系。

關鍵詞：金絲鍵合 工藝參數 正交試驗

1引言

微組裝技術因成本低廉、實現(xiàn)簡單、熱膨脹系數小、適用電路封裝形式多樣化等優(yōu)點[1]，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中發(fā)揮著至關重要的作用。金絲鍵合是微組裝技術中的關鍵工藝，其鍵合質量好壞直接影響產品可靠性和電性能穩(wěn)定性。衡量金絲鍵合質量好壞的主要指標為鍵合強度，而鍵合強度的期望值不能通過單獨改變某個工藝參數即可實現(xiàn)，需對某些主要工藝參數進行調節(jié)，才能達到最佳效果。

2金絲鍵合定義

金絲鍵合是多芯片微波組件中常用的工藝，它是指將延展性和導電性很好的極細金絲壓焊在基板-基板、基板-芯片或芯片-芯片表面上，實現(xiàn)電氣特征相互關聯(lián)的一種技術。

根據鍵合能量的不同，金絲鍵合分為熱壓鍵合、超聲鍵合和超聲熱壓鍵合[2][3]。

根據鍵合方式和劈刀外形、材料的不同，金絲鍵合又分為球形鍵合和楔形鍵合[3]。

3 鍵合強度影響因素

影響金絲鍵合強度的工藝參數有很多，從設備方面考慮，它與超聲功率、超聲時間、熱臺溫度、鍵合壓力、劈刀溫度和劈刀安裝長度等因素有關；從被鍵合表面上考慮，它與被鍵合面的材料特性、厚度、平整度、清潔度和處理工藝等因素有關[1]。根據以往經驗，影響鍵合強度最主要工藝參數為：超聲功率、超聲時間和熱臺溫度。

3.1超聲功率

超聲是指振動頻率大于1200Hz的振動波。適當的超聲功率是金絲鍵合具有可靠性的前提，能夠產生足夠強度的、穩(wěn)定的鍵合。過小的超聲功率會導致金絲翹起，無法焊接或只微焊接于焊點上，而過大的功率會導致焊點發(fā)生形變，甚至金絲斷裂或焊盤破裂[3]。

3.2超聲時間

超聲時間是指在劈刀上施加超聲功率和鍵合壓力的作用時間，目的是控制超聲能量。恰當的超聲時間有助于清除金絲表面的氧化物層，增強鍵合效果。過短的超聲時間導致鍵合點狹窄、金絲剝離，而過長的超聲時間不會增大鍵合點面積，相反會導致根部切斷[3]。

3.3熱臺溫度

熱臺溫度在一定程度上決定了鍵合成功率。適當的熱臺溫度能夠幫助清潔鍵合表面的污染物層，激發(fā)金屬原子的活躍性，促進原子之間的接合。過低的熱臺溫度會降低鍵合強度，導致金絲脫離。然而，過高的熱臺溫度，則會破壞某些鍵合面的物理特性和化學特性，降低鍵合質量，甚至損壞電子器件[1]。

4試驗條件及方法

本文采用超聲熱壓技術及楔形鍵合方式對影響金絲鍵合強度的主要工藝參數進行試驗。采用的金絲鍵合設備為Shimadzu Institute公司的Model 7476E，如圖1所示?；宀牧蠟镽ogers 4350B，厚度為0.254mm，表面鍍金厚度為35μm，金絲直徑為25μm。

試驗過程中選擇超聲功率、超聲時間和熱臺溫度三個主要工藝參數作為研究對象，并對每個工藝參數設置三個水平，每組工藝參數設置完成后進行金絲鍵合。

5試驗結果及分析

為了有效分析每組工藝參數對鍵合強度的影響，選擇正交試驗法進行研究。同時，為了從正交試驗結果中得到金絲鍵合最佳匹配工藝參數水平組合關系，采用L9（33）正交表作為分析方法。每組工藝參數設置及其鍵合拉力測試平均值見表1所示，其中鍵合拉力測試值為每組工藝參數條件下的20根金絲鍵合破壞性拉力測試總值的算術平均值，單位為g。

從表1可以看出，在每組工藝參數條件下，其拉力測試平均值最小為7.825g，最大為10.375g，可見能夠很好地滿足電氣互連可靠性。同時，從表1還可以看出，金絲鍵合最佳匹配工藝參數水平組合關系為：第一鍵合點超聲功率為180，超聲時間為20ms，第二鍵合點超聲功率為230，超聲時間為30ms，熱臺溫度為95℃。

為了進一步確定每個因素對鍵合強度的主次影響關系，采用正交試驗法中的極差法對表1結果進行數理統(tǒng)計分析。極差大說明該因素影響程度大，極差小說明該因素影響程度小。

超聲功率、超聲時間和熱臺溫度極差分析結果如表2所示。

從表2計算結果可見，極差值R大小順序依次為超聲功率、熱臺溫度、超聲時間，即影響金絲鍵合強度的以上因素中，超聲功率影響程度最大，其次為熱臺溫度，最后為超聲時間。

6結論

本文是在前期金絲鍵合工藝經驗基礎上，針對影響鍵合強度的主要工藝參數進行的探索性試驗，目的是找出最佳匹配工藝參數水平組合和影響因素主次順序，為后續(xù)公司型號產品小型化、低成本設計提供微組裝工藝技術支持。

參考文獻：

[1] 宋云乾.基于正交試驗的金絲鍵合工藝參數優(yōu)化[1].無錫：電子工藝技術，2014，35（2），74-77.

[2] 曠仁雄，謝飛. 25μmAu絲引線鍵合正交試驗研究[J].成都：半導體技術，2010，35（4），369-372

[3] 孫瑞婷.微組裝技術中的金絲鍵合工藝研究[J].揚州：艦船電子對抗，2013，36（4），116-120.