羅 玨 ，康 敏 ，趙鶴然 ，丁紅園 ，曹麗華

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng)110016）

1 引言

金絲是集成電路元器件封裝中關(guān)鍵原材料之一，主要作用是實(shí)現(xiàn)器件的芯片PAD點(diǎn)和外殼引腳之間的電氣互聯(lián)[1-2]。從基礎(chǔ)材料上劃分，目前市場(chǎng)上使用比較普及的鍵合絲產(chǎn)品主要有金絲、銅絲、銀絲和鋁絲[3-4]。雖然在制造成本上沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，但金絲因其金屬化學(xué)穩(wěn)定性和極高的作業(yè)效率等優(yōu)勢(shì)，仍然占據(jù)著高可靠集成電路產(chǎn)品市場(chǎng)[5-6]。

金絲鍵合通常由金絲球超聲鍵合完成。金絲球鍵合首先在每個(gè)焊接周期形成自由空氣球，然后把空氣球通過(guò)劈刀的超聲振動(dòng)與第一點(diǎn)焊盤(pán)形成牢固的機(jī)械連接。金絲球鍵合的第二點(diǎn)同樣由超聲完成，第二鍵合點(diǎn)的形貌呈現(xiàn)魚(yú)尾狀[7－8]。

針對(duì)第二點(diǎn)鍵合短尾問(wèn)題，研究金絲球鍵合第二點(diǎn)鍵合過(guò)程，分析了第二點(diǎn)鍵合形貌與鍵合劈刀的位置關(guān)系和形成過(guò)程，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)分析了造成第二點(diǎn)鍵合金絲短尾的主要因素和機(jī)理，并提出了優(yōu)化改進(jìn)措施，可以解決第二點(diǎn)鍵合短尾問(wèn)題。

2 金絲第二點(diǎn)鍵合過(guò)程

金絲第二點(diǎn)鍵合過(guò)程，可以分為四個(gè)步驟。首先是劈刀下落，將金絲按壓在第二點(diǎn)焊盤(pán)上，施加超聲和壓力，如圖1(a)所示，此時(shí)，劈刀在第二鍵合點(diǎn)形成壓痕，且焊點(diǎn)的魚(yú)尾狀結(jié)構(gòu)初步形成。緊接著，劈刀抬起，此時(shí)線(xiàn)夾處于開(kāi)啟狀態(tài)，尾線(xiàn)仍然與第二點(diǎn)焊盤(pán)保持相連狀態(tài)，如圖1(b)所示。隨后，按照設(shè)定好的程序，線(xiàn)夾關(guān)閉，此時(shí)劈刀及其中的尾線(xiàn)不再產(chǎn)生相對(duì)位移，如圖1(c)所示。最后，在劈刀、線(xiàn)夾的向上牽引力作用下，尾線(xiàn)與魚(yú)尾拉斷，形成最終的第二鍵合點(diǎn)，如圖1(d)所示。

圖1 金絲第二點(diǎn)鍵合過(guò)程

3 金絲第二點(diǎn)鍵合形貌

圖2所示為金絲球鍵合第二點(diǎn)的典型形貌，主要可以分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)域。其中，劈刀外切面將金絲壓成魚(yú)尾狀，并通過(guò)施加和超聲使其與焊盤(pán)形成界面鍵合，形成了區(qū)域D，區(qū)域D最終形成鍵合第二點(diǎn)。另一方面，劈刀內(nèi)切面所構(gòu)成的圓形，在壓力和超聲的作用下，在焊盤(pán)上留下了圓形印記，包括區(qū)域A、B、C。其中，在劈刀孔中的金絲，依靠劈刀內(nèi)斜面的作用，與焊盤(pán)也形成了一個(gè)小的鍵合區(qū)域，即區(qū)域C。區(qū)域B是金絲尾線(xiàn)在焊盤(pán)上留下的壓痕。在區(qū)域A內(nèi)，金絲未與焊盤(pán)發(fā)生作用。

圖2 第二鍵合點(diǎn)形貌

4 影響鍵合短尾的因素

短尾是金絲鍵合打線(xiàn)過(guò)程中常見(jiàn)的一種故障，即鍵合完第二點(diǎn)后，金絲無(wú)法從劈刀孔中伸出用于形成下一點(diǎn)金球的尾線(xiàn)。圖3給出了金絲第二點(diǎn)鍵合后短尾的典型示意圖，對(duì)比圖1(d)，扯斷金絲后，劈刀孔內(nèi)的金絲無(wú)法被拉出劈刀孔，即無(wú)法形成尾線(xiàn)。通常情況，在短尾現(xiàn)象發(fā)生后，金絲尾線(xiàn)往往與劈刀內(nèi)壁粘連，嚴(yán)重情況會(huì)堵塞劈刀。

圖3 第二點(diǎn)鍵合后短尾示意圖

按照短尾現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間，可以將短尾分成兩大類(lèi)：

1)以圖1(c)中線(xiàn)夾關(guān)閉為臨界點(diǎn)，在此之前，金絲可能已經(jīng)被切斷。這時(shí)雖然線(xiàn)夾處于打開(kāi)狀態(tài)，由于尾線(xiàn)與劈刀之間、尾線(xiàn)與劈刀孔內(nèi)壁之間存在粘附力和摩擦力，尾線(xiàn)仍然會(huì)被劈刀帶起，形成了第一類(lèi)短尾；

2)在圖1(c)線(xiàn)夾關(guān)閉之后，在后續(xù)的扯斷尾線(xiàn)過(guò)程中，金絲尾線(xiàn)由于斷裂引起第二類(lèi)短尾。

這兩類(lèi)短尾現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理有所不同。第一類(lèi)短尾形成的原因主要是尾線(xiàn)與劈刀之間的粘附力和摩擦力偏高，或者尾線(xiàn)與焊盤(pán)和金絲魚(yú)尾部分之間的拉脫力偏低。導(dǎo)致即使線(xiàn)夾處于開(kāi)啟狀態(tài)，劈刀向上拉起動(dòng)作仍然可以把尾線(xiàn)從焊盤(pán)上帶起，這樣，就無(wú)法通過(guò)向上拉起劈刀的動(dòng)作，形成圖1(c)中較長(zhǎng)的尾線(xiàn)；第二類(lèi)短尾的形成，發(fā)生在扯線(xiàn)過(guò)程中，通過(guò)劈刀拉起和線(xiàn)夾關(guān)閉的動(dòng)作，尾線(xiàn)已經(jīng)在劈刀外預(yù)留了足夠長(zhǎng)。但可能由于鍵合參數(shù)不當(dāng)，或者金絲損傷，導(dǎo)致扯線(xiàn)過(guò)程中，金絲尾線(xiàn)的斷口未出現(xiàn)在理想的位置，而是在靠近劈刀口或劈刀口內(nèi)。

5 應(yīng)對(duì)措施

應(yīng)對(duì)短尾問(wèn)題，可以從以下三個(gè)方面入手解決：

一、鍵合參數(shù)問(wèn)題

當(dāng)鍵合第二點(diǎn)時(shí)，金絲除了與焊盤(pán)發(fā)生冶金結(jié)合外，還會(huì)與劈刀內(nèi)、外斜面發(fā)生物理粘附。金絲與內(nèi)斜面的粘附力大于劈刀內(nèi)部金絲與焊盤(pán)的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，則造成了短尾。優(yōu)化鍵合參數(shù)可以降低金絲與劈刀內(nèi)斜面的物理粘附從而避免短尾。

當(dāng)超聲功率和壓力施加過(guò)大，金絲形變量也會(huì)很大，尾線(xiàn)與魚(yú)尾之間受損較大所能承受的拉斷力就會(huì)減少，嚴(yán)重時(shí)，甚至在超聲鍵合步驟之后，尾線(xiàn)直接被切斷，這會(huì)引起短尾。通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)可以避免由于工藝參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致的短尾現(xiàn)象。

二、原材料問(wèn)題

當(dāng)材料表面狀態(tài)不好，如受到污染或氧化等，鍵合時(shí)金絲難以接觸到表面下的干凈部分，此時(shí)就需要更大的超聲功率和壓力才能完成鍵合確保金絲與PAD點(diǎn)之間的鍵合拉力，這樣很可能引發(fā)短尾現(xiàn)象。在此情況下，可以采用等離子清洗等方法，去除焊盤(pán)表面的污物和氧化膜。

三、劈刀問(wèn)題

當(dāng)劈刀頭受到沾污或磨損時(shí)，鍵合時(shí)易與金絲發(fā)生粘連，造成金絲無(wú)法被拉出，或劈刀尺寸不合適，都會(huì)引發(fā)短尾現(xiàn)象。

定期檢查劈刀、清洗劈刀和更換劈刀，可以保持劈刀清潔及表面光滑，減輕粘連。

綜上，鍵合參數(shù)是影響鍵合質(zhì)量和鍵合強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，降低超聲功率和壓力，或者通過(guò)優(yōu)化原材料、劈刀，以便使用較低的工藝參數(shù)就可以完成鍵合，是避免短尾現(xiàn)象發(fā)生的有效途徑。

6 結(jié)束語(yǔ)

詳細(xì)分析了金絲球鍵合過(guò)程中第二點(diǎn)鍵合的四個(gè)關(guān)鍵步驟。結(jié)合鍵合第二點(diǎn)形貌圖與劈刀示意圖，分析了鍵合第二點(diǎn)形貌形成的過(guò)程，給出了第二點(diǎn)形貌與劈刀的位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)合第二點(diǎn)鍵合過(guò)程，分析了短尾問(wèn)題的原因，將短尾現(xiàn)象分成兩個(gè)主要的失效模式，分析了失效機(jī)理并提出了解決措施。