金錫熔封對引線鍵合強(qiáng)度影響研究

王明浩，康 敏，丁紅園，趙鶴然

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引 言

可靠性是電子封裝最關(guān)心的核心話題。各個(gè)組裝環(huán)節(jié)之間環(huán)環(huán)相扣，后道工序往往對前道工序產(chǎn)生不同程度的影響，直接影響電路的可靠性[1-3]。

引線鍵合工藝是最為成熟的互聯(lián)技術(shù)，現(xiàn)階段仍然是最為廣泛使用的一級封裝互聯(lián)工藝。隨著原材料制造的發(fā)展，鍵合絲從傳統(tǒng)的金絲、鋁絲逐步向銅絲、銀絲和帶有鍍層的多種合金絲發(fā)展。表征引線鍵合能力和可靠性的方法很多，包括鍵合拉力測量、焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度測量等[4-5]。

國內(nèi)外大量學(xué)者研究引線鍵合可靠性的問題，主要集中在引線鍵合區(qū)，尤其是金屬互聯(lián)時(shí)可能產(chǎn)生的金屬間化合物[6]。一般來講，金屬間化合物有利于焊接材料之間形成牢固的結(jié)合，但應(yīng)盡可能避免形成脆性金屬間化合物[7]。例如：Au-Al 金屬化系統(tǒng)鍵合的器件在長期使用或遇高溫后，在鍵合處會(huì)出現(xiàn)壓焊強(qiáng)度降低、變脆以及接觸電阻變大等情況，最終甚至可導(dǎo)致器件開路或電性能退化[8-10]。

在此研究金錫熔封工藝過程中燒結(jié)爐溫度曲線對不同引線鍵合絲鍵合強(qiáng)度的影響。以25μm 金絲、32μm 鋁硅絲和250μm 粗鋁絲為研究對象，在峰值溫度310℃的高溫環(huán)境下處理25min 后，對比鍵合強(qiáng)度的前后變化情況，并觀察斷口形貌，以得到金錫熔封工藝對三種鍵合絲強(qiáng)度衰減的影響。

2 試驗(yàn)方法及條件

金錫熔封是高可靠性集成電路封裝行業(yè)的主流密封技術(shù)，具有焊接強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、氣密性良好等特點(diǎn)，廣泛使用在航空、航天、導(dǎo)彈、船舶等高可靠元器件上。

圖1 給出了金錫熔封的典型工藝曲線[11]。其峰值溫度310℃，預(yù)熱溫度240℃。在試驗(yàn)中對熔封工藝曲線做了簡化，峰值溫度310℃，持續(xù)時(shí)間25min。

圖1 金錫熔封典型工藝曲線

樣本選用25μm 金絲、32μm 鋁硅絲和250μm粗鋁絲三種規(guī)格鍵合絲，各材料的詳細(xì)情況見表1。

表1 鍵合絲規(guī)格

對鍵合強(qiáng)度的測試采用DAGE4000 型鍵合強(qiáng)度/剪切強(qiáng)度測試儀來完成，并隨后使用顯微鏡觀察拉斷位置，判斷其是否存在脫鍵現(xiàn)象，最終使用SEM 觀察鍵合絲斷口微觀形貌。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 25μm 金絲鍵合強(qiáng)度變化對比分析

對25μm 金絲進(jìn)行熔封前后的鍵合強(qiáng)度對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。其中，在熔封之前，30 根鍵合絲鍵合拉力的最大值是10.8g，最小值是7.6g，平均值為8.5g；熔封之后，30 根鍵合絲鍵合拉力的最大值是10.8g，最小值是7.7g，平均值為8.4g。

從鍵合拉力測試結(jié)果來看，熔封前后，金絲鍵合拉力沒有明顯變化。這主要是因?yàn)榻鸬娜埸c(diǎn)較高，為1064.18℃，而熔封溫度為310℃，尚未達(dá)到其熔點(diǎn)的三分之一，兩者相差較大。對于金絲本身來說，該熔封溫度條件屬于低溫環(huán)境，不足以明顯影響到自身的物理性質(zhì)。

表2 25μm 金絲熔封前后鍵合強(qiáng)度變化

從斷裂位置來看，主要是鍵合第一點(diǎn)焊球的上方位置有斷裂發(fā)生。分析其原因：一方面是金絲燒球產(chǎn)生的熱影響區(qū)，加上劈刀在成弧過程中的移動(dòng)動(dòng)作，使第一點(diǎn)根部熱影響區(qū)造成彎折，降低了強(qiáng)度；另一方面，金絲球鍵合采用的引線弧形為安全成球模式，即在第二點(diǎn)鍵合完成后又補(bǔ)球加強(qiáng)鍵合強(qiáng)度。

3.2 32μm 鋁硅絲鍵合強(qiáng)度變化對比分析

對比32μm 鋁硅絲在熔封前后的鍵合強(qiáng)度，詳細(xì)對比結(jié)果如表3 所示?？梢姡谌鄯庵?，30 根鍵合絲鍵合拉力的最大值是11.3g，最小值是8.2g，平均值為9.3g；熔封之后，30 根鍵合絲鍵合拉力的最大值是6.2g，最小值是3.4g，平均值為5.1g。

表3 32μm 鋁硅絲熔封前后鍵合強(qiáng)度變化

從鍵合拉力測試的結(jié)果來看，熔封后，鋁硅絲鍵合拉力從均值9.3g 驟降到5.1g，發(fā)生了較大程度的衰減。這主要是因?yàn)殇X的熔點(diǎn)為660℃，而熔封溫度為310℃，接近其熔點(diǎn)的二分之一，對于鋁硅絲屬于高溫載荷（約比溫度≈0.47）。溫度對金屬材料的物理性質(zhì)有很大的影響，長時(shí)間處于高溫載荷下會(huì)明顯影響到材料的力學(xué)性能；而短時(shí)高溫載荷也會(huì)使金屬的塑性增加。

在熔封前，斷裂位置主要集中在第一點(diǎn)根部及第二點(diǎn)根部；而熔封后主要在靠近第一點(diǎn)、第二點(diǎn)上方的一小段區(qū)域發(fā)生斷裂。這主要是因?yàn)?，在鋁絲鍵合的過程中，鍵合點(diǎn)的形成主要依靠劈刀的壓力及振動(dòng)，劈刀的前后緣對鍵合點(diǎn)根部起到一種加工硬化的作用，導(dǎo)致其塑性下降。熔封過程則相當(dāng)于在基礎(chǔ)上做了一次退火處理，改善了根部的力學(xué)性能。

3.3 250μm 粗鋁絲鍵合強(qiáng)度變化對比分析

對250μm 粗鋁絲進(jìn)行熔封前后的鍵合強(qiáng)度對比試驗(yàn)，結(jié)果如表4 所示。可見，在熔封之前，30 根鍵合絲鍵合拉力的最大值是529.4g，最小值是483.1g，平均值為510g；熔封之后，30 根鍵合絲鍵合拉力的最大值是497.6g，最小值是366.8g，平均值為446.3g。

表4 250μm 粗鋁絲熔封前后鍵合強(qiáng)度變化

從鍵合拉力測試結(jié)果來看，熔封后的鍵合強(qiáng)度相比于熔封之前降低了10%，仍然處在較高的鍵合強(qiáng)度水平。一方面，這是因?yàn)殇X絲的力學(xué)性能在熔封后發(fā)生了變化導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度降低；另一方面，相對于鋁硅絲，粗鋁絲直徑較大，其引線線徑與長度比值相比于鋁硅絲大得多，在抗拉斷方面表現(xiàn)較為良好。

熔封前后，斷裂位置都主要集中在引線上，沒有明顯變化。

4 結(jié) 束 語

經(jīng)過研究可知，金錫熔封對25μm 金絲鍵合強(qiáng)度幾乎沒有影響，但對其斷裂位置影響較大。熔封前斷裂主要是集中在第一點(diǎn)根部及第二點(diǎn)根部；而熔封后主要在靠近第一點(diǎn)、第二點(diǎn)上方的一小段區(qū)域發(fā)生斷裂。對于32μm 鋁硅絲，金錫熔封使其鍵合拉力發(fā)生了較大程度的衰減，主要是約比溫度在0.5左右，使鍵合絲力學(xué)性能發(fā)生了較大變化。金錫熔封對粗鋁絲鍵合強(qiáng)度的影響較小。