金家富，胡 駿

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽 合肥 230088）

1 引言

目前，集成電路先進(jìn)后封裝過程關(guān)鍵技術(shù)中，封裝管腳的90%以上采用引線鍵合技術(shù)。所謂引線鍵合技術(shù)，是指以極細(xì)的金屬引線（通常選擇延展性好的金、鋁）兩端分別與芯片和管腳鍵合，形成電氣連接的技術(shù)。對于普通半導(dǎo)體封裝，從性能和成本方面考慮，引線鍵合是最優(yōu)的選擇。相關(guān)資料表明，在使用微組裝技術(shù)生產(chǎn)微電子產(chǎn)品的過程中，失效類型比例為有源器件31. 3%、線焊23. 2%、沾污21. 4%、基片8. 9%、外殼封裝6. 3%、芯片貼裝1. 8%和其他7. 1%?？梢娋€焊的失效比例排在容易發(fā)生質(zhì)量問題的第二位，金絲在電路模塊中數(shù)量很多，并且單根金絲的失效就會危及模塊乃至整機(jī)系統(tǒng)的正常工作。因此，控制和提高金絲鍵合質(zhì)量就顯得十分重要[1～2]。LTCC電路基板在微波多芯片組件中使用廣泛，相對于電鍍純金基板，LTCC電路基板上金焊盤是絲印后燒結(jié)的，楔形鍵合強(qiáng)度對于參數(shù)設(shè)置非常敏感，具體表現(xiàn)為粘附不上、第二鍵合點不完整等，所以必須有一種有效的參數(shù)設(shè)置方法，為引線鍵合工藝設(shè)計提供依據(jù)。

2 鍵合原理[3]

絲焊鍵合技術(shù)分為三步：一是用外力將焊絲壓倒在焊接區(qū)的表面上；二是提供焊接能量，熱壓焊用熱能、超聲焊用超聲能量、熱超聲焊使用超聲能和熱能的組合；三是施加壓力和能量后使金屬表面產(chǎn)生塑性變形與分子擴(kuò)散，從而使兩種金屬牢固地焊接在一起。絲焊鍵合的方式有球焊和平焊（楔焊）兩種。本文使用楔形劈刀進(jìn)行楔焊，外形如圖1所示。楔形劈刀一般用陶瓷、碳化鎢或碳化鈦制成。

鍵合力的作用就是使金線與基框的鍵合表面緊密地接觸在一起，是鍵合不可或缺的一部分。在保證超聲輸出功率與溫度等因素不變的條件下，在一定的鍵合力范圍內(nèi)，鍵合強(qiáng)度與鍵合力的大小成正比，其他范圍則成反比。鍵合力的大小還會影響到鍵合界面是否發(fā)生滑移或微滑。

鍵合時間是一次鍵合過程中超聲開始到超聲結(jié)束的時間間隔，只有在合理的鍵合時間范圍內(nèi)才能形成良好的焊接，過短的時間會導(dǎo)致剝離，過長會導(dǎo)致根切現(xiàn)象。其本質(zhì)就是控制超聲能量的輸入。

超聲功率與鍵合強(qiáng)度的關(guān)系大致為：當(dāng)超聲功率小于某一個值時，增大超聲功率有利于提高鍵合強(qiáng)度；當(dāng)超聲功率大于某一個值時，增加超聲功率將降低鍵合強(qiáng)度，并增加鍵合強(qiáng)度的離散程度。當(dāng)超聲功率大到一定程度時，鍵合強(qiáng)度就變得毫無規(guī)律，當(dāng)超聲功率處于上述兩值之間時，能夠產(chǎn)生比較穩(wěn)定的具有足夠強(qiáng)度的鍵合。

3 試驗過程設(shè)計

3.1 試驗設(shè)備及材料

試驗設(shè)備為West bond 7476E型手動鍵合機(jī)。該型手動鍵合機(jī)具有操作方便、參數(shù)設(shè)置簡單的特點，獲得了較為廣泛的應(yīng)用。

楔形劈刀選用Deweyl公司生產(chǎn)的KNL-V系列CG型劈刀。CG型劈刀的特點是在鍵合平面上有一凹槽，鍵合時可以增大摩擦，減少超聲能量的損失，有助于完成有效的鍵合。

圖1 Deweyl公司的CG型劈刀

基板由Dupont 951生瓷材料經(jīng)LTCC工藝加工而成，工藝流程如圖2所示[4]。由于微波傳輸?shù)男枰?，表層?dǎo)帶通常由金漿料印制燒結(jié)，且厚度保持在10μm左右，燒成后的LTCC基板如圖3所示。

圖2 LTCC工藝流程圖

圖3 LTCC基板

3.2 試驗過程

根據(jù)鍵合工藝的參數(shù)設(shè)置選擇超聲時間、超聲功率和鍵合力作為影響鍵合強(qiáng)度的影響因素，采用七因素兩水平安排實驗，形成L8（27）因素水平表（見表1），最后一列作為誤差估計。每一水平鍵合兩根金絲，用WEST BOND 70PTE拉力測試機(jī)進(jìn)行鍵合強(qiáng)度測試，將測試值分別填入表格中。

各因素水平變化對試驗指標(biāo)影響的大小，可用該因素各水平間的極差R表示。這是由于正交表具有搭配均勻的特性，如表2所示。A列上的拉力Kj1和Kj2的差異可認(rèn)為主要由A列上的不同水平引起的；同樣B列、C列、D列、E列、F列上的拉力間差異也可認(rèn)為主要是由B列、C列、D列、E列、F列上的不同水平引起的。

表1 正交試驗L8（27）因素水平表

表2 正交試驗方法與結(jié)果

4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)正交試驗分析方法，分別從極差和方差角度對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 極差分析

從正交試驗的計算結(jié)果來看，第一點的超聲功率和第二點超聲時間對鍵合強(qiáng)度影響最大，其次是第一點鍵合力。理論上講，兩個鍵合點的參數(shù)應(yīng)當(dāng)比較接近，第二鍵合點因為兼顧到斷絲，一般參數(shù)上比第一點大一些就可以了。實際上，鍵合時除了設(shè)定第一點和第二點鍵合參數(shù)，還會利用操縱桿完成引線的成弧，線弧一般不會是相對于兩點對稱的圓弧形，從第一鍵合點到達(dá)拱弧最高點的斜率會大一點，根據(jù)力的合成與分解原理[5]，從拱弧最高點測定鍵合強(qiáng)度時第一點的貢獻(xiàn)會更大。因此，第一鍵合點的參數(shù)設(shè)置尤為關(guān)鍵，它對提高鍵合拉力測試值作用明顯。

4.2 方差分析

應(yīng)用方差計算公式，查F臨界值，判斷各因素對鍵合拉力測試值的影響，所得結(jié)果與極差計算一致。表中B、C、D三因素所得F值均比F0.05（1，9）大，說明其對鍵合拉力測試值的影響顯著。

4.3 驗證試驗

利用試驗得出的參數(shù)組合A1B1C1D1E1F2進(jìn)行鍵合試驗，所得鍵合拉力測試值均在6.0g以上，滿足軍標(biāo)要求。

表3 方差計算

5 總結(jié)

本文給出了正交試驗優(yōu)化LTCC基板上金絲楔焊的實現(xiàn)過程，利用較少的試驗次數(shù)獲得了較滿意的試驗結(jié)果。

LTCC基板上金絲楔焊拉力測試值受第一點的超聲功率和第二點超聲時間對鍵合強(qiáng)度影響最大，其次是第一點鍵合力；優(yōu)化后的參數(shù)組合是A1B1C1D1E1F2。

[1] 李孝軒，丁友石，嚴(yán)偉. 統(tǒng)計過程控制用于金絲鍵合質(zhì)量控制研究[J]. 電子工藝技術(shù)，2009，30（6）： 346-348.

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