基于厚膜電路的金絲球焊鍵合工藝技術(shù)研究

王 玲，陳俊峰，李 軍

(桂林航天電子有限公司，廣西桂林，541002)

1 引言

厚膜電路是通過(guò)厚膜漿料的絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)技術(shù)，在陶瓷基板或其它高導(dǎo)熱基板上形成厚膜布線、焊區(qū)和厚膜電阻，從而制成厚膜電路成膜基板，再采用表面組裝技術(shù)(SMT)和鍵合技術(shù)，組裝半導(dǎo)體芯片和其它片式元件，構(gòu)成具有一定功能的微電路。

目前，以厚膜電路組成的混合集成電路中，引線鍵合仍然是最主要的連接方式[1]。以常用的鍵合材料來(lái)分，引線鍵合分為金絲鍵合與鋁絲鍵合。以采用的鍵合方式來(lái)分，引線鍵合通常有三種方式: 熱壓鍵合、超聲鍵合、超聲熱壓鍵合[2]。厚膜電路作為微組裝技術(shù)中的核心部件，為裸芯片與其電氣互聯(lián)提供載體支撐。裸芯片一般采用導(dǎo)電膠進(jìn)行粘接，實(shí)現(xiàn)芯片背面電極與厚膜電路的連接，而裸芯片表面電極一般采用金絲球焊鍵合工藝或鋁絲楔形鍵合工藝實(shí)現(xiàn)與厚膜電路上金導(dǎo)電帶的互聯(lián)。由于金絲球焊鍵合具有焊接速度快的優(yōu)勢(shì)，成為厚膜電路上小功率裸芯片電氣互聯(lián)的最主要的連接方式。

引線鍵合是很關(guān)鍵的工藝，鍵合質(zhì)量好壞直接關(guān)系到整個(gè)功率器件的性能和可靠性。影響引線鍵合質(zhì)量的因素眾多，與鍵合表面溫度、清潔度、材料性質(zhì)、處理工藝等有關(guān)，超聲引線鍵合涉及到材料、熱學(xué)、力學(xué)、物理、化學(xué)、摩擦學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域，且鍵合點(diǎn)的面積往往很小、鍵合過(guò)程時(shí)間短而難以觀測(cè)。對(duì)于鍵合參數(shù)對(duì)金絲球焊鍵合工藝的連接強(qiáng)度的影響，已有研究從單一參數(shù)方面研究對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響[3-6]。但是對(duì)熱超聲金絲球形鍵合參數(shù)匹配及優(yōu)化的研究缺乏系統(tǒng)性，而各個(gè)參數(shù)之間對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響程度的深入研究更是未見(jiàn)報(bào)道。

本文將以厚膜電路作為研究載體，采用金絲超聲熱壓鍵合工藝，對(duì)熱超聲金絲球形鍵合中的壓力、超聲功率、超聲時(shí)間等主要工藝參數(shù)開(kāi)展研究，進(jìn)行多因素工藝參數(shù)試驗(yàn)、利用正交試驗(yàn)法，探求了各個(gè)參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)連接強(qiáng)度的影響力大小，并分析參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，同時(shí)探索了不同鍵合能量下對(duì)焊接形貌的影響，這將對(duì)實(shí)際金絲球焊鍵合中參數(shù)的優(yōu)化選擇以及焊點(diǎn)的形貌特征控制有重要指導(dǎo)意義。

2 金絲超聲熱壓鍵合原理

金絲超聲熱壓鍵合是將金絲引線伸出劈刀一部分，電子打火系統(tǒng)產(chǎn)生高壓電，電極與引線附近的空氣發(fā)生電離，使電極與引線端面的空氣被擊穿形成電弧，產(chǎn)生的高溫將金線尾絲熔化，在重力和表面張力的作用下，絲線尾端就會(huì)形成一個(gè)球。劈刀在超聲功率及壓力的作用下，金球受壓后產(chǎn)生一定的塑性變形，而在施加壓力的同時(shí)，在被焊件之間產(chǎn)生超聲頻率的彈性振動(dòng)摩擦，破壞被焊件之間界面上的氧化層，為純凈金屬表面間的接觸創(chuàng)造了條件，在溫度的作用下，兩種金屬的原始交界面處幾乎接近原子力的范圍，兩種金屬原子產(chǎn)生相互擴(kuò)散，使兩固態(tài)金屬牢固鍵合，即實(shí)現(xiàn)了所謂金屬“鍵合”過(guò)程[7-8]。

圖1 超聲熱壓金絲球焊模型圖

3 參數(shù)對(duì)焊接點(diǎn)強(qiáng)度影響分析

本文試驗(yàn)是以WESTBOND公司的7700E金絲球焊機(jī)設(shè)備、Φ25μm的金絲、裸芯片以及厚膜電路板進(jìn)行鍵合試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 厚膜電路鍵合圖

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)金絲超聲熱壓鍵合原理，影響金球的塑形變形的主要因素是超聲時(shí)間、超聲功率、壓力、溫度。針對(duì)多因素的影響研究，采用正交試驗(yàn)方法。通過(guò)上述分析，采用L16(44)正交表安排試驗(yàn)。試驗(yàn)中各因素的水平見(jiàn)表1所示。

表1 L16(44)正交試驗(yàn)因素水平表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以每組采用10組數(shù)據(jù)作為樣本以消除隨機(jī)誤差，然后取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。具體的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。在金絲球焊中，為了增強(qiáng)第二焊點(diǎn)的抗拉能力，第二焊點(diǎn)采用相同的工藝參數(shù)進(jìn)行二焊加固工藝。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表2中的正交試驗(yàn)結(jié)果，采用極差法進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各因數(shù)與鍵合強(qiáng)度測(cè)試值分析表

表3中，Ti(i=1,2,3,4)表示該因素取水平i時(shí)的結(jié)果之和。從表中數(shù)據(jù)可以看出，因素A、B的極差最大，因素D的極差最小。因此可以得出結(jié)論，超聲功率、鍵合壓力對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響最顯著，四個(gè)工藝參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響程度顯著性的順序是B>A>C>D。四個(gè)影響因素的效應(yīng)曲線圖如圖3。

圖3 因素的效應(yīng)曲線圖

由以上分析可知，溫度因素對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響最小。為了深入分析鍵合強(qiáng)度與壓力、超聲功率、超聲時(shí)間的關(guān)系，分別繪制了不同超聲時(shí)間下，鍵合強(qiáng)度與壓力、超聲功率對(duì)應(yīng)三維曲線圖，如圖4所示。

圖4 超聲功率、壓力與鍵合強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖

從圖4中可以得出：

1)隨著超聲時(shí)間逐步的增加，鍵合強(qiáng)度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，在超聲時(shí)間達(dá)到80ms時(shí)，整個(gè)鍵合強(qiáng)度的波動(dòng)性最小，且整體的強(qiáng)度最大，此時(shí)鍵合強(qiáng)度在飽和點(diǎn)。

2)隨著超聲時(shí)間上升接近到95ms時(shí)，鍵合強(qiáng)度隨之下降且呈現(xiàn)不規(guī)則的震蕩趨勢(shì)。這種情況下，一般破壞性拉力測(cè)試，引線斷裂點(diǎn)在頸部斷裂。超聲功率與時(shí)間的增加，鍵合強(qiáng)度也隨之增加，達(dá)到鍵合強(qiáng)度的飽和點(diǎn)后，鍵合強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢(shì)是因?yàn)檫^(guò)大的超聲能量，影響了鍵合點(diǎn)一焊頸部的強(qiáng)度，造成頸部損傷，進(jìn)一步造成鍵合強(qiáng)度下降。

3)超聲能量達(dá)到一定飽和時(shí)，隨著鍵合壓力超過(guò)0.7N后，鍵合強(qiáng)度隨之下降，是因?yàn)檫^(guò)大壓力的增加阻礙超聲的左右擺動(dòng)，進(jìn)一步造成焊點(diǎn)的鍵合強(qiáng)度下降。

4)超聲時(shí)間與超聲功率成接近反比的關(guān)系。在超聲功率偏小接近100的情況下，增加時(shí)間可以明顯提高鍵合強(qiáng)度；反之超聲功率偏大時(shí)，降低時(shí)間也可以獲得較好的鍵合強(qiáng)度。

4 參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)形貌影響分析

4.1 鍵合能量過(guò)小

超聲熱壓球焊工藝，在評(píng)價(jià)焊點(diǎn)的質(zhì)量時(shí)，不僅需評(píng)價(jià)鍵合強(qiáng)度，同時(shí)也需兼顧鍵合點(diǎn)的外觀形變量。下圖5為不同鍵合能量下焊點(diǎn)的外形。在鍵合能量過(guò)小的情況下，整體焊點(diǎn)形變量雖滿(mǎn)足GJB548B中要求，外觀焊點(diǎn)的變形量能夠在金絲直徑的2倍以上，但經(jīng)鍵合拉力測(cè)試或金球剪切強(qiáng)度測(cè)試可出現(xiàn)鍵合焊點(diǎn)拉脫(圖6a)現(xiàn)象或剪切強(qiáng)度明顯下降的趨勢(shì)。

(a)能量過(guò)小 (b)能量適中 (c)能量過(guò)大

從圖6焊點(diǎn)脫離界面可以明顯看出，整個(gè)焊點(diǎn)的融合面積小，融合處出現(xiàn)明顯的凹凸現(xiàn)象。對(duì)金球與鋁焊盤(pán)分別進(jìn)行SEM分析，從圖6中的頻譜測(cè)試成分得出下表4與表5。

(a) (b)

表4 金球頻譜分析成分

表5 鋁焊盤(pán)頻譜分析成分

從表4、5中可以得出，非融合面的成分主要是材料本體成分，因鍵合能量過(guò)小，造成焊接點(diǎn)金屬融合面降低，進(jìn)一步造成焊點(diǎn)的鍵合強(qiáng)度下降。

4.2 鍵合能力適中

鍵合點(diǎn)形成的金鋁合金是保證焊接牢度的根本原因。在鍵合能量適中的情況下，對(duì)鍵合點(diǎn)進(jìn)行剝離，觀察鍵合點(diǎn)的金鋁狀況對(duì)工藝分析非常重要。對(duì)焊盤(pán)剝離點(diǎn)進(jìn)行SEM分析，從分析圖7中的頻譜測(cè)試成分得出，鍵合能量適中的鍵合焊點(diǎn)下方的金鋁合金融合點(diǎn)明顯比圖6中增加。

4.3 鍵合能力過(guò)大

金絲超聲熱壓球焊接是為了在裸芯片表面鍍層與其它連接點(diǎn)形成有效的電氣連接，有效的電氣連接不僅需要一定的連接強(qiáng)度，同時(shí)也需保證鍵合不影響裸芯片的電參數(shù)性能。一般情況下，裸芯片表面的鍍層在3～5μm厚度，合理的鍵合參數(shù)不僅得到有效的連接強(qiáng)度，且不損傷到芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。化學(xué)腐蝕是一項(xiàng)很重要的分析手段，將焊區(qū)的金屬鋁腐蝕掉后，可觀察到焊區(qū)金屬層下面電路是否有損傷，化學(xué)腐蝕可以采用低濃度的酸、堿性溶液。該項(xiàng)試驗(yàn)可評(píng)估鍵合參數(shù)對(duì)芯片是否有損傷。圖8所示是鍵合點(diǎn)采用化學(xué)腐蝕后，在100倍的光學(xué)檢測(cè)儀下觀察到的2種典型的界面情況，即為鍵合能量過(guò)大下，出現(xiàn)的焊盤(pán)出坑現(xiàn)象。

圖7 金球(上)和鋁焊盤(pán)(下)SEM圖

(a)鍵合點(diǎn)下方出現(xiàn)硅 (b)鋁焊盤(pán)出現(xiàn)缺損

5 結(jié)束語(yǔ)

鍵合參數(shù)對(duì)熱超聲金絲鍵合工藝的連接強(qiáng)度以及焊點(diǎn)的形貌有著重要的影響，通過(guò)試驗(yàn)分析表明，在金絲鍵合參數(shù)中超聲功率對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響最大。同時(shí),通過(guò)鍵合參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)的形貌研究，焊點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)形成足量的合金；從焊點(diǎn)下部的芯片來(lái)看，芯片應(yīng)無(wú)機(jī)械損傷。這將對(duì)金絲鍵合工藝的可靠性提供一定的參考依據(jù)。