SSB鍵合在COB封裝中的應(yīng)用研究

劉譯蔓

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引 言

COB（Chip On Board,板上芯片）技術(shù)是將裸露的IC 芯片直接貼裝在印刷電路板上，通過鍵合線與電路板鍵合，然后進(jìn)行芯片的鈍化和保護(hù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。如果裸芯片直接暴露在空氣中，易受污染或人為損壞，將難以實(shí)現(xiàn)芯片功能，因此須用膠把芯片和鍵合引線包封起來，這種封裝形式也被稱為軟包封。引線鍵合是裸芯片與電路板相連接的過程，為電源和信號(hào)的分配提供電路連接[2]，鍵合工藝質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到整個(gè)封裝器件的性能和可靠性，也直接影響到封裝的總厚度。在COB 封裝中，由于將裸芯片直接貼裝在印制電路板上，沒有對(duì)其單獨(dú)封裝，所以能有效地降低成本[3]。早期COB 技術(shù)一般只面向?qū)π刨嚩葻o過高重視的低階消費(fèi)性電子產(chǎn)品，如玩具、計(jì)算器、小型顯示器、鐘表等日常生活用品。例如早期臺(tái)灣COB 工藝大多由出身IC 封裝廠的員工靠家庭代工方式完成，常給人COB 的質(zhì)量不夠牢靠的印象。然而隨著時(shí)代進(jìn)步，電子產(chǎn)品趨于輕薄短小，COB 反而有越來越廣的用途，如手機(jī)、照相機(jī)等具有小型化要求的產(chǎn)品大多已導(dǎo)入COB 工藝。

圖1 COB 結(jié)構(gòu)示意圖

2 COB鍵合常見問題分析

在PCB 工藝中，鍍金層通常是用于保護(hù)底部鎳層，防止其氧化。在后續(xù)的回流焊工序中，金層還會(huì)與焊錫在217℃的溫度下形成金屬間化合物（IMC）并逸走[4]。在PCB 板的制造中，在化學(xué)鍍Ni-P 鍍層上進(jìn)行化學(xué)鍍Au 時(shí)，由于Ni 的局部腐蝕，若使用含有還原劑的置換鍍Au 液，會(huì)降低Ni-Au 鍍層之間的附著性，引起引線鍵合不良[5]。在進(jìn)行COB 鍵合時(shí)，造成無法鍵合的原因通常主要是鎳層被氧化，以及金層質(zhì)量不佳。此外，鍍層表面缺陷會(huì)導(dǎo)致黑盤或針狀孔缺陷，從而造成鍵合強(qiáng)度下降[6]。

針對(duì)上述問題，采用SSB 鍵合，作為常規(guī)金絲球鍵合的一種擴(kuò)展，可極大改善COB 的應(yīng)用表現(xiàn)。其中，超聲鋁絲鍵合和熱超聲金絲球鍵合均可用于COB 封裝中，熱超聲金絲球鍵合由于其較高的引線鍵合生產(chǎn)能力而更受歡迎[7-8]。

3 SSB鍵合在COB中的應(yīng)用

SSB（Stand-Off Stitch Bond）鍵合是熱超聲金絲球鍵合的一種，該方法的鍵合過程大致如下：先選定第一鍵合點(diǎn)，再選定第二鍵合點(diǎn)，壓線時(shí)，先在第一鍵合點(diǎn)預(yù)植一個(gè)金球，然后由劈刀帶動(dòng)金絲移動(dòng)到第二鍵合點(diǎn)完成鍵合，形成線弧的起點(diǎn)，然后劈刀按設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)到第一鍵合點(diǎn)預(yù)植的金球上完成鍵合，并形成了線弧的終點(diǎn)，至此完成一個(gè)完整的鍵合過程。完成鍵合的形態(tài)如圖2所示。該方法也可稱為 BSOB（Bond Stitch On Ball），常用于芯片疊層低弧度鍵合以及芯片間的引線互連中[9]。

圖2 BSOB 鍵合方式

引線鍵合有正向鍵合和反向鍵合之分。通常來說，正向鍵合是指第一鍵合點(diǎn)落在芯片且作為線弧起點(diǎn)，第二鍵合點(diǎn)落在管殼引腳且作為線弧終點(diǎn)；反向鍵合則正相反，第一鍵合點(diǎn)落在管殼引腳作為線弧起點(diǎn)，第二點(diǎn)鍵合點(diǎn)落在芯片作為線弧終點(diǎn)。

因此，對(duì)于SSB 鍵合，由于線弧起于第二鍵合點(diǎn)、止于第一鍵合點(diǎn)，所以在某種程度上可以認(rèn)為是一種反向鍵合。

在實(shí)際封裝中，金絲球鍵合常由于基板原因發(fā)生鍵合不良等問題。選取某款以鍍金PCB 板為基板的模塊電路為例，該電路要求芯片與基板焊盤間采用直徑25μm 的金絲互連，實(shí)物電路如圖3所示。在電路試封時(shí)，采用與陶瓷集成電路封裝相同的鍵合方式，先完成芯片與PCB 基板的鍵合，再在PCB 基板焊點(diǎn)上植一個(gè)金球，即BBOS（Bond Ball On Stitch），如圖4所示。至此，PCB 鍍金焊盤上還會(huì)出現(xiàn)較大比例的脫焊、虛焊等失效模式。通過調(diào)整第二點(diǎn)溫度、超聲功率、鍵合壓力以及鍵合時(shí)間等參數(shù)，鍵合不良現(xiàn)象仍未得到有效解決。

圖3 電路實(shí)物

圖4 BBOS 鍵合方式

對(duì)失效原因做進(jìn)一步分析，推測(cè)為該模塊電路采用的PCB 板焊盤鍍金層質(zhì)量較差，且金層表面質(zhì)量不好，線弧第二點(diǎn)直接落在其表面時(shí)，與金絲之間的結(jié)合質(zhì)量差且接觸面積相對(duì)較小，不能形成牢固有效的結(jié)合[10]。隨后改用SSB 方法鍵合，前期在鍍金PCB 板進(jìn)行工藝調(diào)試，并選擇樣品中的10 條線進(jìn)行鍵合強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試樣品實(shí)物如圖5所示。

樣品鉤線位置選擇在引線中間，引線皆在球焊根部斷裂，相應(yīng)的鍵合強(qiáng)度值如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可見，鍵合強(qiáng)度值滿足GJB548B 方法2011.1 中規(guī)定的“直徑25μm 金絲密封前鍵合強(qiáng)度大于等于3.0g”的要求，且未出現(xiàn)球焊、楔焊脫鍵等現(xiàn)象。

表1 SSB 鍵合樣品強(qiáng)度

此外，為更準(zhǔn)確反映楔焊位置鍵合強(qiáng)度，再取部分引線在靠近楔焊位置進(jìn)行鍵合強(qiáng)度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明拉力值在10g～11g，引線在鉤線位置斷裂，楔焊焊點(diǎn)保持完整，證明楔焊焊點(diǎn)及焊點(diǎn)根部具有較強(qiáng)的鍵合強(qiáng)度。測(cè)試樣品如圖6所示。

圖6 楔焊點(diǎn)鍵合強(qiáng)度測(cè)試

將該方法應(yīng)用在模塊電路中，并根據(jù)焊盤狀態(tài)對(duì)鍵合參數(shù)做適當(dāng)調(diào)整，取得了較好的鍵合效果并通過了鍵合目檢和鍵合強(qiáng)度測(cè)試，最終實(shí)物電路如圖7所示。

圖7 采用SSB 方法完成鍵合的電路

4 結(jié)束語

與常規(guī)的金絲球鍵合相比，SSB 鍵合速度要慢一些，但卻具有更寬泛的焊盤兼容性，在陶瓷基板焊盤狀態(tài)不佳或使用PCB 基板焊盤的情況下，可以獲得常規(guī)金絲球鍵合難以取得的鍵合效果，是一種相對(duì)理想的鍵合方法。通過研究SSB 鍵合工藝，實(shí)現(xiàn)了COB 封裝的可靠鍵合。該方法可推廣到其他類似的應(yīng)用場(chǎng)合，具有廣泛的應(yīng)用前景和社會(huì)效益。