臧成東
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第55研究所,南京 210038)
鍵合是一種以金屬細(xì)線作為介質(zhì),利用熱能、壓力或者超聲能量進(jìn)行工作的一種電氣互連技術(shù)。鍵合是一個(gè)固態(tài)壓焊過程,在這個(gè)過程中,兩種金屬材料(金屬細(xì)線和焊盤表面)會(huì)形成一種緊密接觸,在接觸表面發(fā)生電子共享或者離子擴(kuò)散現(xiàn)象,進(jìn)而形成焊點(diǎn)。目前,鍵合仍然是實(shí)現(xiàn)芯片與封裝外殼多種電連接,并傳遞芯片電信號(hào)、散發(fā)芯片內(nèi)產(chǎn)生熱量的一種重要方式。
根據(jù)鍵合過程中焊接使用的不同能量,可以把鍵合過程分為三類,如表1所示。
表1 鍵合工藝的分類
6400主要使用超聲作為焊接能量,將超聲發(fā)生器產(chǎn)生的高頻超聲波轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,借助劈刀鍵合完成鋁絲(直徑17μm~75μm)的壓焊。與其他同類產(chǎn)品相比,6400的壓焊頭除了能夠在X/Y/Z軸移動(dòng)外,還可借助P軸馬達(dá)的帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)任意角度,能夠滿足重復(fù)壓焊過程中球形幾何面內(nèi)任意角度和寬度范圍的要求;在單個(gè)程序中,可以保存多于1 000根絲和500個(gè)器件的信息;生產(chǎn)過程可以通過實(shí)時(shí)的鍵合過程監(jiān)視進(jìn)行優(yōu)化。
圖1 F&K6400外觀圖
6400采用劈刀作為鍵合工具。劈刀背后靠近底部位置有一個(gè)小孔,鋁線由穿絲管穿出后從這個(gè)小孔穿出,鋁線與工件表面成30°~60°角,角度越小送絲動(dòng)作越容易控制,也能夠得到一致性更好的尾絲。只有當(dāng)工件管壁較高或附近有較高器件時(shí)才會(huì)使用較大的送絲角度。在這種情況下,由于送絲角度變化以及對(duì)應(yīng)送絲軌跡的變化會(huì)降低焊點(diǎn)上尾絲的一致性。劈刀底部形狀有兩種,一種是平面,一種帶凹槽,鋁線的自動(dòng)鍵合大部分采用帶凹槽的劈刀以減少鋁絲的定位錯(cuò)誤。
圖2 bond head外觀圖
圖3 底部為平面的劈刀
劈刀的材料依賴于被鍵合的材料。鋁絲的鍵合一般使用碳化鎢或者陶瓷材質(zhì)的劈刀,陶瓷是劈刀采用的一種較新的材料,與碳化鎢相比,陶瓷材質(zhì)的劈刀鍵合質(zhì)量更好,壽命更長(zhǎng),但價(jià)格較高。
圖4 底部帶凹槽的劈刀
劈刀鍵合的過程如圖5所示,通過降低劈刀到工件表面焊點(diǎn)上,鋁絲與工件表面接觸后,進(jìn)行超聲焊接,然后劈刀抬起,按照預(yù)設(shè)的循環(huán)(loop)形狀執(zhí)行動(dòng)作。在第二個(gè)焊接位置,劈刀下降,進(jìn)行第二點(diǎn)焊接。在循環(huán)(loop)過程中,劈刀送絲孔軸線的移動(dòng)必須和第一個(gè)焊點(diǎn)的中心線對(duì)齊,以保證送絲順暢。
圖5 鍵合的基本過程
斷絲有幾種方式,對(duì)于細(xì)線(直徑小于75μm),主要有兩種方式:線夾斷絲(clamp tear)和劈刀斷絲(table tear)。在線夾斷絲方式中,鍵合壓力維持在第二焊點(diǎn)上,利用線夾動(dòng)作斷絲;在劈刀斷絲方式中,線夾不動(dòng),利用劈刀抬起的動(dòng)作斷絲。與劈刀斷絲相比,線夾斷絲在斷絲動(dòng)作過程中,鍵合壓力維持在第二個(gè)焊點(diǎn)上,能夠提供更高的產(chǎn)能和可靠性。也因?yàn)榫€夾斷絲中,不需要像劈刀斷絲那樣做太多移動(dòng),所以在速度上優(yōu)于劈刀斷絲。但是,在劈刀斷絲中,借助于送絲角度更大的劈刀和維持不動(dòng)的線夾,能夠?yàn)楹附犹峁└蟮娜莶睿热?,?dāng)工件管壁較高或附近有較高器件時(shí)。
6400主要針對(duì)鋁線焊接,在生產(chǎn)過程中,在焊接表面主要會(huì)形成兩種不同的金屬學(xué)系統(tǒng):Al-Au系統(tǒng)和Al-Al系統(tǒng)。
Al-Au這個(gè)組合是鍵合過程中最常采用的。但Au-Al金屬學(xué)系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中也存在一些局限,容易產(chǎn)生有害的金屬間化合物,比如Au5Al2、Au4Al、Au2Al、AuAl、AuAl2,這些金屬間化合物晶格常數(shù)不同,機(jī)械性能和熱性能也不同,反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生物質(zhì)遷移,從而在交接層形成可見的柯肯德爾空洞(Kirkendall Void),使鍵合處產(chǎn)生空腔,電阻急劇增大,致使導(dǎo)電性嚴(yán)重下降,容易產(chǎn)生裂縫,引起器件焊點(diǎn)脫開而失效。
在使用期限內(nèi),這種柯肯德爾空洞會(huì)隨著時(shí)間和溫度不斷增多。此外,金絲的價(jià)格較高,會(huì)造成封裝成本的增加。
Al-Al這種組合是非??煽康?,因?yàn)樗粫?huì)形成腐蝕和金屬間化合物。采用這種組合時(shí)最好采用超聲壓焊,雖然熱壓方式會(huì)得到更高的形變。
由于純鋁太軟,生產(chǎn)中采用的鋁絲通常在鋁中按照重量比例加入1%的Si或者1%的Mg,以增加鋁線的機(jī)械性能。
在室溫條件下,鋁線中1%的Si超過了Si在鋁中的溶解率50%,會(huì)造成Si在鋁中的沉淀。Si沉淀的大小和數(shù)量依賴于焊接過程中溫度由高到低的時(shí)間,制冷率的降低會(huì)導(dǎo)致更多的沉淀和更不均勻的Si結(jié)核。更快的制冷率能夠讓Si的沉淀變成均勻分布的小結(jié)節(jié)。Si的晶粒大小會(huì)影響鋁線的延展性,形成一個(gè)潛在的結(jié)核點(diǎn),影響焊點(diǎn)質(zhì)量,導(dǎo)致疲勞裂縫(fatigue crack)。
鋁中加入1%的Mg可以制成性能更好的鋁線,強(qiáng)度和加Si的鋁線相似,但可以得到效果更好的焊點(diǎn)。將它暴露于逐漸升高的溫度中,它抵抗疲勞裂縫(fatigue failure)和終極強(qiáng)度退化(degradation of ultimate strength)的能力都優(yōu)于加1% Si的鋁線。其原因在于Mg在Al中更高的固態(tài)溶解性(按重量比例為2%),因此在Al中Mg的濃度維持在0.5%~1%的情況下,焊點(diǎn)質(zhì)量好于加入等量Si的鋁線。
圖6 通過鍵合測(cè)試得到優(yōu)化的鍵合條件
鍵合壓力、鍵合時(shí)間和超聲功率直接決定了焊接產(chǎn)品的質(zhì)量。對(duì)于一種具體的產(chǎn)品,可以通過更改鍵合參數(shù)進(jìn)行鍵合測(cè)試以得到優(yōu)化的鍵合條件,通常通過焊點(diǎn)的拉力強(qiáng)度測(cè)試來達(dá)到這個(gè)目的。在測(cè)試中,通過更改一個(gè)變量而維持另外兩個(gè)條件不變,可以得到三組曲線:焊點(diǎn)的拉力強(qiáng)度-時(shí)間,焊點(diǎn)的拉力強(qiáng)度-功率,焊點(diǎn)的拉力強(qiáng)度-鍵合壓力。每一條曲線都和焊點(diǎn)的拉力強(qiáng)度-焊線變形寬度的曲線類似。隨著每一個(gè)參數(shù)的增加,焊點(diǎn)的抗拔起的能量增加了,但同時(shí),由于焊線變形的影響,焊線成為焊點(diǎn)后的強(qiáng)度變?nèi)趿恕JJ剑╢ailure mode)也由拔起焊點(diǎn)變成了拉斷焊線。
如圖6所示,最大的拉力強(qiáng)度在兩種失效模式(拔起焊點(diǎn)和拉斷焊線)的交叉點(diǎn)。最低的重復(fù)生產(chǎn)能力在拔起焊點(diǎn)區(qū)域和變形寬度超過線直徑兩倍后的拉斷區(qū)域內(nèi),最大的重復(fù)生產(chǎn)能力在圖示畫斜線處,稍稍小于最大拉力強(qiáng)度的點(diǎn)。這是鍵合的優(yōu)化區(qū)域,雖然沒有最大的拉力強(qiáng)度,但卻在保持高焊點(diǎn)強(qiáng)度的條件下保證了最大的重復(fù)生產(chǎn)一致性。
在6400中有兩種bond方式可以采用,TD鍵合和piezo鍵合。
Touchdown(TD)鍵合(如圖7),在TD鍵合中,當(dāng)劈刀向基片運(yùn)動(dòng)過程中到達(dá)設(shè)定高度(TD ramp)時(shí)降低速度,一旦設(shè)備確認(rèn)劈刀與基片接觸,鍵合頭(沿Z軸)降低到程序設(shè)定的高度(TD step),鍵合開始。在生產(chǎn)中進(jìn)行測(cè)高時(shí),高度的搜索范圍就是以設(shè)定高度和過沖距離(TD Overdrive)的參數(shù)作為參考。
圖7 Touchdown鍵合
Piezo鍵合(如圖8),在這個(gè)焊接方式中,當(dāng)鍵合頭移動(dòng)到設(shè)定的高度(bond height)時(shí),劈刀向上揚(yáng)起一個(gè)角度,但速度不變。當(dāng)鍵合頭到達(dá)過沖高度(TD Overdrive)時(shí),劈刀支點(diǎn)下降,焊接開始。
圖8 Piezo鍵合
Piezo鍵合比TD鍵合的速度明顯要快,但piezo鍵合的鍵合高度僅僅能夠在150μm的相對(duì)小的范圍內(nèi)變化,所以采用piezo鍵合時(shí),工件的公差必須非常接近。
在6400中有三種鋁線形變控制模式:不使用形變控制、使用形變控制和使用鍵合過程控制進(jìn)行形變控制。三種方式中,以第三種方式形變控制效果最好。
鍵合過程控制是F&K 6400的特有功能,是通過調(diào)整超聲功率來控制鋁線形變的一個(gè)工具。在工作過程中測(cè)量鋁線形變,并與預(yù)先設(shè)定的曲線范圍作比較,當(dāng)形變超過設(shè)定值時(shí),超聲功率減到最小。在選定設(shè)定值時(shí),可以先在不采用形變控制的情況下進(jìn)行若干鍵合并更改鍵合參數(shù),得到對(duì)應(yīng)曲線,通過拉力及剪切力測(cè)試得到一條效果最好的形變曲線,最后根據(jù)曲線設(shè)置參數(shù)。
6400的產(chǎn)品除了通過顯微鏡進(jìn)行直觀檢查外,主要采用拉力強(qiáng)度測(cè)試的方法。拉力強(qiáng)度測(cè)試的目的是檢驗(yàn)焊接強(qiáng)度,校驗(yàn)焊接機(jī)械參數(shù)。測(cè)試的結(jié)果是評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量和可靠性的重要依據(jù),同時(shí)也便于了解焊接不良的機(jī)械原理。如圖9所示,用拉力計(jì)勾住鋁線直至拉斷,力F1、F2是力F在焊點(diǎn)1、焊點(diǎn)2上的分量,圖示角度根據(jù)勾子實(shí)際位置和高度很容易得到。在測(cè)試中可能出現(xiàn)五種情況:(1)第一個(gè)焊點(diǎn)被拔起;(2)鋁線在第一個(gè)焊點(diǎn)處斷;(3)鋁線在中間斷;(4)鋁線在第二個(gè)焊點(diǎn)處斷;(5)第二個(gè)焊點(diǎn)被拔起。
圖9 拉力強(qiáng)度測(cè)試示意圖
在正確的拉力測(cè)試中,斷點(diǎn)應(yīng)該在(2)或(4)中出現(xiàn),通過比較此時(shí)拉力計(jì)讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)判定焊接質(zhì)量。如果出現(xiàn)其他三種情況,應(yīng)該檢查焊接參數(shù)及焊接工具等。
在工作過程中,鍵合頭旋轉(zhuǎn)時(shí)在某些特定角度實(shí)際壓絲位置與程序設(shè)定位置之間出現(xiàn)偏差。
原因:電機(jī)借助皮帶帶動(dòng)bond head旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)在任意方向上的壓絲動(dòng)作。隨著時(shí)間及使用頻率的增加,皮帶逐漸磨損,當(dāng)皮帶某些位置上的齒磨損嚴(yán)重時(shí),鍵合頭旋轉(zhuǎn)到該位置時(shí)就會(huì)出現(xiàn)偏移現(xiàn)象。新推出的F&K鍵合機(jī)已淘汰了皮帶,改用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。
原因:(1)送絲馬達(dá)home位置檢測(cè)傳感器故障,傳感器本身損壞或者是線性機(jī)架箱提供的電壓錯(cuò)誤。傳感器信號(hào)由一根線纜傳輸,當(dāng)該線纜表皮磨損嚴(yán)重時(shí),也會(huì)導(dǎo)致此類故障;(2)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)板通過一根線纜傳輸信號(hào)到送絲馬達(dá),驅(qū)動(dòng)馬達(dá)動(dòng)作。該線隨鍵合頭旋轉(zhuǎn),當(dāng)該線外皮磨損嚴(yán)重時(shí),可能會(huì)造成馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片輸出短路,燒毀芯片,導(dǎo)致此類故障發(fā)生。
原因:鋁線與工件表面夾角過大;線夾壓力過大,夾持鋁線時(shí)鋁線變形,導(dǎo)致出絲不暢;鋁線穿線管,劈刀穿絲孔,線夾夾持面不在同一平面內(nèi)的同一條直線上,導(dǎo)致出絲不暢。
[1] F&K Corp. F&K wire bonding instruction manual[R].