郭 月,王建青,李 蔚,王玉琢,郭 偉,劉振宇,劉代鑫

(西安航天精密機(jī)電研究所,陜西 西安 710100)

引線鍵合技術(shù)是美國(guó)貝爾試驗(yàn)室在1957年發(fā)明的,是歷史最悠久且目前應(yīng)用最為廣泛的芯片內(nèi)部連接技術(shù)[1]。在半導(dǎo)體芯片行業(yè),引線鍵合具有工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低廉、適用多種封裝形式等優(yōu)點(diǎn),目前超過(guò)90%的連接采用引線鍵合技術(shù)[2]。引線鍵合經(jīng)歷了熱壓、超聲、熱壓超聲引線鍵合3個(gè)發(fā)展階段[3]。引線鍵合材料目前主要包括鋁絲、銅絲、金絲[4]。在微電子行業(yè)應(yīng)用較多的為金絲、銀絲鍵合方式,鍵合基體材料如鎢層、陶瓷板[5]。本文研究的石英擺式加速度計(jì)石英鍍膜擺片金絲鍵合,其中鍵合基體材料為石英鍍金膜玻璃材料,在石英鍍膜玻璃上鍵合金絲,實(shí)現(xiàn)電氣導(dǎo)通及可焊接性。

目前,國(guó)外對(duì)引線鍵合工藝已有較為系統(tǒng)和深入的研究[6],但由于國(guó)外對(duì)工藝技術(shù)封鎖,對(duì)加速度計(jì)焊接關(guān)鍵技術(shù)掌握不足,同時(shí)缺乏成熟工藝的數(shù)據(jù)積累。國(guó)內(nèi)加速度計(jì)行業(yè)尤其是石英撓性擺式加速度計(jì)多采用手工錫鉛焊接工藝方法,該方法存在助焊劑難清理導(dǎo)致不絕緣、多余物、焊點(diǎn)虛焊等風(fēng)險(xiǎn),已經(jīng)有相當(dāng)一部分企業(yè)在加速度計(jì)行業(yè)使用金絲鍵合工藝方法,如硅-玻璃扭擺式加速度計(jì)、微機(jī)電系統(tǒng)MEMS加速度計(jì)等[7-10],但對(duì)石英擺式加速度計(jì)石英鍍膜擺片金絲鍵合焊接方法研究較少,有必要深入研究。本文通過(guò)對(duì)石英鍍膜擺片金絲鍵合單因素引線鍵合工藝參數(shù)摸索,確定單因素工藝參數(shù)最優(yōu)取值范圍,并通過(guò)取值范圍,采用正交試驗(yàn)法對(duì)影響金絲鍵合的鍵合壓力、鍵合時(shí)間和超聲功率等3個(gè)因素開(kāi)展實(shí)驗(yàn)影響分析,快速、高效地確認(rèn)金絲鍵合的工藝參數(shù),并采用最優(yōu)工藝鍵合參數(shù),裝配石英擺式加速度計(jì),對(duì)合格產(chǎn)品開(kāi)展環(huán)境溫度試驗(yàn)、力學(xué)試驗(yàn)等,以驗(yàn)證工藝方法的可行性。

1 鍵合點(diǎn)拉力檢測(cè)及失效模式

依據(jù)GJB 548B—2005《微電子器件實(shí)驗(yàn)方法和程序》中2011A破壞性鍵合拉力試驗(yàn),25 μm金絲最小鍵合強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)不小于3 gf。

1)第一鍵合點(diǎn)引線拉力檢測(cè)。

通過(guò)單因素、單點(diǎn)引線拉力進(jìn)行測(cè)試,鍵合力不小于5 gf。測(cè)試方法如圖1所示。

圖1 單點(diǎn)鍵合力測(cè)試

2)雙鍵合點(diǎn)引線拉力檢測(cè)。

通過(guò)正交試驗(yàn)法對(duì)多因素雙鍵合點(diǎn)引線拉力進(jìn)行測(cè)試,鍵合力不小于5 gf(行業(yè)通用)。測(cè)試方法如圖2所示。

圖2 雙鍵合力測(cè)試

3)環(huán)境試驗(yàn)后鍵合點(diǎn)拉力等性能測(cè)試。

通過(guò)雙鍵合點(diǎn)拉力測(cè)試最優(yōu)參數(shù)結(jié)果,進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn),試驗(yàn)后雙鍵合點(diǎn)引線拉力進(jìn)行測(cè)試,鍵合力不小于3 gf。

4)鍵合力失效模式。

鍵合點(diǎn)失效位置如圖3所示。圖3中,A是第一鍵合點(diǎn),A處裂紋、變形、脫鍵;B是第一鍵合點(diǎn)根部,B處斷裂;C是弧形引線,C處引線斷裂;D是第二鍵合點(diǎn)根部,D處斷裂;E是第二鍵合點(diǎn),E處脫落、引線翹起未焊接上;D到E是魚(yú)尾狀引線,該引線斷開(kāi)。

圖3 失效位置

2 單因素鍵合工藝參數(shù)試驗(yàn)

金絲鍵合被焊接基體為石英鍍膜玻璃擺片,材料為石英玻璃及其上的鍍金膜,焊接過(guò)程將焊點(diǎn)焊接在金膜上,實(shí)現(xiàn)有效焊接。

2.1 工藝參數(shù)鑒定范圍及裕度

根據(jù)金絲鍵合機(jī)理的分析和微電子行業(yè)焊接經(jīng)驗(yàn)參數(shù),初步確定了6個(gè)工藝參數(shù)經(jīng)驗(yàn)基準(zhǔn)值,一焊和二焊工藝參數(shù)(鍵合壓力、超聲功率和鍵合時(shí)間)分別見(jiàn)表1和表2。

表1 一焊引線鍵合參數(shù)基準(zhǔn)值

表2 二焊引線鍵合參數(shù)基準(zhǔn)值

二焊工藝參數(shù)方法為楔形焊接,焊接完成后在焊接點(diǎn)再焊接,故二焊工藝參數(shù)僅參考基準(zhǔn)值,試驗(yàn)僅對(duì)一焊參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 單因素鍵合工藝參數(shù)試驗(yàn)

根據(jù)金絲鍵合參數(shù)基準(zhǔn)值及鍵合后外觀失效模式分析,焊接參數(shù)過(guò)大引起鍵合球變形,試驗(yàn)初始參數(shù)以經(jīng)驗(yàn)基準(zhǔn)參數(shù)為基準(zhǔn),上下調(diào)整進(jìn)行驗(yàn)證。單因素鍵合工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 單因素鍵合工藝參數(shù)

2.2.1 不同鍵合壓力下鍵合力檢測(cè)試驗(yàn)

設(shè)置鍵合壓力值在15～40 cN范圍,每個(gè)鍵合壓力下進(jìn)行10組參數(shù)測(cè)試,取其平均值(見(jiàn)表4)。隨著鍵合壓力增加,鍵合不斷加深,金球與鍵合界面的接觸面積不斷增大,提高了鍵合強(qiáng)度,但當(dāng)鍵合壓力超過(guò)臨界點(diǎn)繼續(xù)增大時(shí),鍵合壓力所帶來(lái)的引線振動(dòng)會(huì)使鍵合強(qiáng)度降低,如鍵合點(diǎn)球形變形、斷裂等,容易造成提前斷線,同時(shí)過(guò)大的接觸應(yīng)力,也可能造成零件損傷。鍵合壓力變化單點(diǎn)拉力值趨勢(shì)如圖4所示。

表4 不同鍵合壓力下單點(diǎn)鍵合拉力值

圖4 鍵合壓力變化單點(diǎn)拉力值趨勢(shì)

小結(jié):由圖4可知,通過(guò)對(duì)拉力值、鍵合點(diǎn)外觀進(jìn)行比較,選取鍵合壓力設(shè)置范圍為20～25 cN。

2.2.2 不同超聲功率下鍵合力檢測(cè)試驗(yàn)

設(shè)置鍵合超聲功率范圍為150～180 W,每個(gè)超聲功率下進(jìn)行10組參數(shù)測(cè)試,取其平均值(見(jiàn)表5)。超聲功率為焊接提供能量,能量過(guò)低導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度過(guò)小,在鍵合過(guò)程中金絲向上抬起形成弧度時(shí)一般會(huì)被剝離導(dǎo)致無(wú)法連接成功,隨著超聲功率增加,超聲釋放能量使得焊接界面溫度升高去除表面氧化物,同時(shí)超聲振動(dòng)產(chǎn)生往復(fù)式切向力,使得金球與焊盤(pán)直接發(fā)生摩擦,加大了接觸面積,提高了鍵合強(qiáng)度。當(dāng)超聲功率超過(guò)臨界點(diǎn)增大時(shí),鍵合強(qiáng)度會(huì)降低,這是因?yàn)槌暪β试龃?鍵合區(qū)域摩擦磨損嚴(yán)重,導(dǎo)致鍵合失效。超聲功率變化單點(diǎn)拉力值趨勢(shì)如圖5所示。

小結(jié):由圖5可知,通過(guò)對(duì)拉力值、鍵合點(diǎn)外觀進(jìn)行比較,選取鍵合超聲功率設(shè)置范圍為150～165 W。

圖5 超聲功率變化單點(diǎn)拉力值趨勢(shì)

2.2.3 不同鍵合時(shí)間下鍵合力檢測(cè)試驗(yàn)

設(shè)置鍵合時(shí)間范圍為190～260 ms,每個(gè)鍵合時(shí)間下進(jìn)行10組參數(shù)測(cè)試,取其平均值(見(jiàn)表6)。隨著鍵合時(shí)間增加,吸收能量越多,焊點(diǎn)與焊盤(pán)之間的連接更可靠,鍵合強(qiáng)度增加,當(dāng)鍵合強(qiáng)度達(dá)到臨界值后,鍵合時(shí)間增加會(huì)導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度下降。鍵合時(shí)間變化單點(diǎn)拉力值趨勢(shì)如圖6所示。

表6 不同鍵合時(shí)間下單點(diǎn)鍵合拉力值

圖6 鍵合時(shí)間變化單點(diǎn)拉力值趨勢(shì)

小結(jié):由圖6可知,通過(guò)對(duì)拉力值、鍵合點(diǎn)外觀進(jìn)行比較,選取鍵合時(shí)間設(shè)置范圍為200～230 ms。

3 正交試驗(yàn)法多因素鍵合工藝試驗(yàn)

雙點(diǎn)鍵合試驗(yàn)方法采用同一水平面鍵合力試驗(yàn),兩端鍵合點(diǎn)引線夾角θ為30°,測(cè)試方法如圖2所示,對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)。

正交試驗(yàn)因素水平表設(shè)計(jì):鍵合壓力、超聲功率和鍵合時(shí)間這3個(gè)因素,采用三因素四水平L16(43)正交表安排試驗(yàn)(見(jiàn)表7),結(jié)果及分析見(jiàn)表8和表9。表8中有16種試驗(yàn)方案,每種方案10組數(shù)據(jù),共有160組測(cè)試數(shù)據(jù)。

根據(jù)極差大小判斷因素主次影響順序。R值越大,表示該因素的水平變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響最大,因素越重要,可見(jiàn)拉力值影響力大小為鍵合壓力>鍵合時(shí)間>超聲功率。較優(yōu)的工藝參數(shù)為A2B2C1,即鍵合壓力為23 cN,超聲功率為155 W,鍵合時(shí)間為200 ms。

表7 正交試驗(yàn)方案

表8 正交試驗(yàn)結(jié)果

表9 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

(續(xù)表)

4 環(huán)境試驗(yàn)鍵合拉力及推力影響

按照最優(yōu)工藝參數(shù)A2B2C1,鍵合壓力為23 cN,超聲功率為155 W,鍵合時(shí)間為200 ms,開(kāi)展鍵合拉力、推力環(huán)境試驗(yàn)。選擇使用上述參數(shù)焊接試件,分別進(jìn)行加速度計(jì)表頭高低溫、整表高低溫、高溫老煉試驗(yàn),分別進(jìn)行不同環(huán)境下的鍵合拉力試驗(yàn)。環(huán)境試驗(yàn)雙點(diǎn)鍵合拉力結(jié)果曲線如圖7所示,環(huán)境試驗(yàn)鍵合點(diǎn)推力結(jié)果如圖8所示。

圖7 環(huán)境試驗(yàn)雙點(diǎn)鍵合拉力結(jié)果曲線

圖8 環(huán)境試驗(yàn)鍵合點(diǎn)推力結(jié)果

小結(jié):由上述試驗(yàn)結(jié)果可知,不同溫度環(huán)境試驗(yàn)鍵合點(diǎn)拉力值均分在8～14 gf之間,符合GJB 548B—2005《微電子器件實(shí)驗(yàn)方法和程序》中2011A破壞性鍵合拉力試驗(yàn),25 μm金絲最小鍵合強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)不小于3 gf的要求,滿足行業(yè)內(nèi)不小于5 gf的要求。不同溫度環(huán)境試驗(yàn)鍵合點(diǎn)推力值在38～70 gf之間,外觀符合200倍以上顯微鏡下擺片膜層上有金膜損傷,膜層上殘留金殘留20%～25%的要求。

5 加速度計(jì)環(huán)境溫度及力學(xué)影響

按照最優(yōu)工藝參數(shù)A2B2C1,鍵合壓力為23 cN,超聲功率為155 W,鍵合時(shí)間為200 ms,裝配合格6塊加速度計(jì),6塊加速度計(jì)進(jìn)行裝配環(huán)境試驗(yàn)、例行試驗(yàn)、可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn),加速度計(jì)經(jīng)過(guò)15項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證,測(cè)試結(jié)果加速度計(jì)輸出功能正常。隨機(jī)抽取1塊完成上述試驗(yàn)的加速度計(jì),檢查輸出K1過(guò)程數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖9)。由試驗(yàn)結(jié)果可知,試驗(yàn)后加速度計(jì)輸出K1過(guò)程數(shù)據(jù)符合技術(shù)指標(biāo)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)鍵合點(diǎn)拉力及推力后失效模式識(shí)別及分析,對(duì)石英鍍膜擺片金絲鍵合單因素引線鍵合工藝參數(shù)進(jìn)行摸索,確定單因素工藝參數(shù)最優(yōu)取值范圍,

圖9 1#加速度計(jì)K1變化情況

并根據(jù)取值范圍,采用正交試驗(yàn)法對(duì)影響金絲鍵合的鍵合壓力、超聲功率、鍵合時(shí)間等3個(gè)因素開(kāi)展試驗(yàn)影響分析,快速、高效地確認(rèn)石英鍍膜擺片金絲鍵合的工藝參數(shù),并對(duì)最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行裝配驗(yàn)證。對(duì)裝配合格產(chǎn)品開(kāi)展環(huán)境溫度試驗(yàn)、力學(xué)試驗(yàn)、長(zhǎng)時(shí)間可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)等,最終驗(yàn)證了金絲鍵合工藝方法的可行性。