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        金錫熔封對引線鍵合強(qiáng)度影響研究

        2020-10-20 09:13:00王明浩丁紅園趙鶴然
        微處理機(jī) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:鍵合金絲拉力

        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,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℃。在試驗中對熔封工藝曲線做了簡化,峰值溫度310℃,持續(xù)時間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,實驗結(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。這主要是因為金的熔點較高,為1064.18℃,而熔封溫度為310℃,尚未達(dá)到其熔點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動作,使第一點根部熱影響區(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。這主要是因為鋁的熔點為660℃,而熔封溫度為310℃,接近其熔點的二分之一,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,長時間處于高溫載荷下會明顯影響到材料的力學(xué)性能;而短時高溫載荷也會使金屬的塑性增加。

        在熔封前,斷裂位置主要集中在第一點根部及第二點根部;而熔封后主要在靠近第一點、第二點上方的一小段區(qū)域發(fā)生斷裂。這主要是因為,在鋁絲鍵合的過程中,鍵合點的形成主要依靠劈刀的壓力及振動,劈刀的前后緣對鍵合點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,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,這是因為鋁絲的力學(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根部及第二點根部;而熔封后主要在靠近第一點、第二點上方的一小段區(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。

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