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

厚膜電路是通過厚膜漿料的絲網印刷和燒結技術，在陶瓷基板或其它高導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(SMT)和鍵合技術，組裝半導體芯片和其它片式元件，構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。裸芯片一般采用導電膠進行粘接，實現(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現(xiàn)與厚膜電路上金導電帶的互聯(lián)。由于金絲球焊鍵合具有焊接速度快的優(yōu)勢，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。

引線鍵合是很關鍵的工藝，鍵合質量好壞直接關系到整個功率器件的性能和可靠性。影響引線鍵合質量的因素眾多，與鍵合表面溫度、清潔度、材料性質、處理工藝等有關，超聲引線鍵合涉及到材料、熱學、力學、物理、化學、摩擦學等多學科領域，且鍵合點的面積往往很小、鍵合過程時間短而難以觀測。對于鍵合參數(shù)對金絲球焊鍵合工藝的連接強度的影響，已有研究從單一參數(shù)方面研究對鍵合強度的影響[3-6]。但是對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，而各個參數(shù)之間對鍵合強度的影響程度的深入研究更是未見報道。

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，對熱超聲金絲球形鍵合中的壓力、超聲功率、超聲時間等主要工藝參數(shù)開展研究，進行多因素工藝參數(shù)試驗、利用正交試驗法，探求了各個參數(shù)對焊點連接強度的影響力大小，并分析參數(shù)之間的內在聯(lián)系，同時探索了不同鍵合能量下對焊接形貌的影響，這將對實際金絲球焊鍵合中參數(shù)的優(yōu)化選擇以及焊點的形貌特征控制有重要指導意義。

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，絲線尾端就會形成一個球。劈刀在超聲功率及壓力的作用下，金球受壓后產生一定的塑性變形，而在施加壓力的同時，在被焊件之間產生超聲頻率的彈性振動摩擦，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，兩種金屬原子產生相互擴散，使兩固態(tài)金屬牢固鍵合，即實現(xiàn)了所謂金屬“鍵合”過程[7-8]。

圖1 超聲熱壓金絲球焊模型圖

3 參數(shù)對焊接點強度影響分析

本文試驗是以WESTBOND公司的7700E金絲球焊機設備、Φ25μm的金絲、裸芯片以及厚膜電路板進行鍵合試驗，如圖2所示。

圖2 厚膜電路鍵合圖

3.1 試驗過程

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間、超聲功率、壓力、溫度。針對多因素的影響研究，采用正交試驗方法。通過上述分析，采用L16(44)正交表安排試驗。試驗中各因素的水平見表1所示。

表1 L16(44)正交試驗因素水平表

3.2 試驗結果

正交試驗數(shù)據(jù)，以每組采用10組數(shù)據(jù)作為樣本以消除隨機誤差，然后取平均值作為試驗結果。具體的試驗結果如表2所示。在金絲球焊中，為了增強第二焊點的抗拉能力，第二焊點采用相同的工藝參數(shù)進行二焊加固工藝。

表2 正交試驗結果

3.3 試驗結果分析

根據(jù)表2中的正交試驗結果，采用極差法進行分析，分析結果見表3。

表3 各因數(shù)與鍵合強度測試值分析表

表3中，Ti(i=1,2,3,4)表示該因素取水平i時的結果之和。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。因此可以得出結論，超聲功率、鍵合壓力對鍵合強度的影響最顯著，四個工藝參數(shù)對結果的影響程度顯著性的順序是B>A>C>D。四個影響因素的效應曲線圖如圖3。

圖3 因素的效應曲線圖

由以上分析可知，溫度因素對鍵合強度的影響最小。為了深入分析鍵合強度與壓力、超聲功率、超聲時間的關系，分別繪制了不同超聲時間下，鍵合強度與壓力、超聲功率對應三維曲線圖，如圖4所示。

圖4 超聲功率、壓力與鍵合強度的關系曲線圖

從圖4中可以得出：

1)隨著超聲時間逐步的增加，鍵合強度呈現(xiàn)上升的趨勢，在超聲時間達到80ms時，整個鍵合強度的波動性最小，且整體的強度最大，此時鍵合強度在飽和點。

2)隨著超聲時間上升接近到95ms時，鍵合強度隨之下降且呈現(xiàn)不規(guī)則的震蕩趨勢。這種情況下，一般破壞性拉力測試，引線斷裂點在頸部斷裂。超聲功率與時間的增加，鍵合強度也隨之增加，達到鍵合強度的飽和點后，鍵合強度出現(xiàn)下降趨勢是因為過大的超聲能量，影響了鍵合點一焊頸部的強度，造成頸部損傷，進一步造成鍵合強度下降。

3)超聲能量達到一定飽和時，隨著鍵合壓力超過0.7N后，鍵合強度隨之下降，是因為過大壓力的增加阻礙超聲的左右擺動，進一步造成焊點的鍵合強度下降。

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

4 參數(shù)對焊點形貌影響分析

4.1 鍵合能量過小

超聲熱壓球焊工藝，在評價焊點的質量時，不僅需評價鍵合強度，同時也需兼顧鍵合點的外觀形變量。下圖5為不同鍵合能量下焊點的外形。在鍵合能量過小的情況下，整體焊點形變量雖滿足GJB548B中要求，外觀焊點的變形量能夠在金絲直徑的2倍以上，但經鍵合拉力測試或金球剪切強度測試可出現(xiàn)鍵合焊點拉脫(圖6a)現(xiàn)象或剪切強度明顯下降的趨勢。

(a)能量過小 (b)能量適中 (c)能量過大

從圖6焊點脫離界面可以明顯看出，整個焊點的融合面積小，融合處出現(xiàn)明顯的凹凸現(xiàn)象。對金球與鋁焊盤分別進行SEM分析，從圖6中的頻譜測試成分得出下表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，因鍵合能量過小，造成焊接點金屬融合面降低，進一步造成焊點的鍵合強度下降。

4.2 鍵合能力適中

鍵合點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，對鍵合點進行剝離，觀察鍵合點的金鋁狀況對工藝分析非常重要。對焊盤剝離點進行SEM分析，從分析圖7中的頻譜測試成分得出，鍵合能量適中的鍵合焊點下方的金鋁合金融合點明顯比圖6中增加。

4.3 鍵合能力過大

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度，同時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度，且不損傷到芯片的內部結構?；瘜W腐蝕是一項很重要的分析手段，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，化學腐蝕可以采用低濃度的酸、堿性溶液。該項試驗可評估鍵合參數(shù)對芯片是否有損傷。圖8所示是鍵合點采用化學腐蝕后，在100倍的光學檢測儀下觀察到的2種典型的界面情況，即為鍵合能量過大下，出現(xiàn)的焊盤出坑現(xiàn)象。

圖7 金球(上)和鋁焊盤(下)SEM圖

(a)鍵合點下方出現(xiàn)硅 (b)鋁焊盤出現(xiàn)缺損

5 結束語

鍵合參數(shù)對熱超聲金絲鍵合工藝的連接強度以及焊點的形貌有著重要的影響，通過試驗分析表明，在金絲鍵合參數(shù)中超聲功率對鍵合強度的影響最大。同時,通過鍵合參數(shù)對焊點的形貌研究，焊點內部應形成足量的合金；從焊點下部的芯片來看，芯片應無機械損傷。這將對金絲鍵合工藝的可靠性提供一定的參考依據(jù)。