共讀好書

王子伊 付明浩 張曉宇 王晶 王代興 孫浩洋 何欽江

摘要：

金絲鍵合技術(shù)是微電子領(lǐng)域的封裝技術(shù)，一般采用金線，利用熱、壓、超聲共同作用，完成微電子器件中電路內(nèi)部連接，即芯片和電路或者引線框架之間的互連。本文在深入了解鍵合機(jī)理后，選用 25μm 金絲，基于正交試驗(yàn)方法，研究鍵合壓力、超聲功率、鍵合時(shí)間等參數(shù)對楔焊鍵合及球焊鍵合后金絲拉力及焊點(diǎn)形貌的影響，根據(jù)鍵合強(qiáng)度拉力值確定鍵合的最佳工藝參數(shù)范圍。

1 引言

金絲鍵合作為集成電路封裝過程中的關(guān)鍵工序，用于完成集成電路封裝中芯片與基板、基板與殼體間的電氣互連。引線鍵合技術(shù)根據(jù)鍵合方法可分為楔形鍵合和球型鍵合。球焊鍵合方向靈活、可靠性高，楔焊鍵合可實(shí)現(xiàn)最小拱弧且單個(gè)焊點(diǎn)占用面積小，在集成電路封裝過程中均有應(yīng)用。一個(gè)模塊中有大量金絲，一根金絲失效都會(huì)影響模塊甚至整機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)作，因此，控制并提高鍵合金絲質(zhì)量尤為重要。金絲鍵合失效主要包括：金絲線弧過長引起的金絲塌陷短路、金絲過緊引起的頸縮點(diǎn)斷裂、鍵合參數(shù)過大引起的金絲焊點(diǎn)變形量從而引發(fā)的斷裂、鍵合參數(shù)過小引起的金絲焊點(diǎn)壓焊不牢。在實(shí)際生產(chǎn)中，鍵合參數(shù)對金絲質(zhì)量的影響較大，因此，本文在深入了解鍵合機(jī)理后，選用 25μm 金絲，研究超聲功率、鍵合壓力、超聲時(shí)間對金絲拉力及焊點(diǎn)形貌的影響，確定最佳的工藝參數(shù)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料的設(shè)計(jì)和選擇

本文選取純度為 99.99%的 25μm 的金絲作為鍵合引線材料進(jìn)行金絲鍵合，如圖 1 所示。

本文選擇芯片焊盤尺寸為 100μm×160μm 的鋁焊盤，鋁膜厚為 600nm；鍍金 2μm 的介質(zhì)基板為鍵合板材，研究不同工藝參數(shù)對金絲鍵合質(zhì)量及一次鍵合成功率的影響，引線鍵合示意圖如圖 2 所示。

2.2 試驗(yàn)方案

本文采用正交試驗(yàn)方法研究工藝參數(shù)對鍵合金絲質(zhì)量的影響。選取鍵合壓力、鍵合時(shí)間、超聲功率三個(gè)工藝參數(shù)作為試驗(yàn)對象，每個(gè)參數(shù)選取 3 個(gè)變量，一共九組試驗(yàn)。楔焊鍵合超聲功率選取 16～18W，鍵合壓力選取 14～16g，鍵合時(shí)間選取 60～100ms；球焊鍵合超聲功率選取 30～35μIn，鍵合時(shí)間選取 30～35ms，鍵合壓力選取 25～33g。鍵合金絲后對金絲焊點(diǎn)形態(tài)、金絲強(qiáng)度進(jìn)行分析。應(yīng)保證實(shí)驗(yàn)前、高溫、低溫以及高低溫沖擊后，金絲抗拉強(qiáng)度均大于 5g。鍵合拉力測試示意圖如圖 3 所示，A 點(diǎn)為第一鍵合點(diǎn)脫落，B 點(diǎn)為第一頸縮點(diǎn)斷裂，C 點(diǎn)為金絲斷裂，D 點(diǎn)為第二頸縮點(diǎn)斷裂，E 點(diǎn)為第二鍵合點(diǎn)脫落，應(yīng)當(dāng)根據(jù)金絲斷裂位置進(jìn)行相應(yīng)的工藝參數(shù)調(diào)整。

3 金絲鍵合工藝參數(shù)研究

3.1 楔焊鍵合關(guān)鍵工藝參數(shù)研究

影響自動(dòng)金絲鍵合質(zhì)量的關(guān)鍵因素為：形變量，焊接過程中的超聲功率和鍵合時(shí)間。為了得到最佳鍵合工藝參數(shù)，本項(xiàng)目采用正交實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了三因素、三水平設(shè)計(jì)，鍵合金絲第一焊點(diǎn)參數(shù)具體設(shè)計(jì)方案如表 1 所示。

設(shè)置不同鍵合工藝參數(shù)，制備 9 組鍵合金絲樣品，并將 9 組樣品送去進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試。每個(gè)樣品對 5根金絲進(jìn)行測試，金絲抗拉強(qiáng)度及斷裂位置如表 2 所示。

9 種不同樣品測試結(jié)果表明，所測試的金絲抗拉強(qiáng)度最低為 8.85gf，最高為 10.41gf，強(qiáng)度均滿足GJB548B—2005 剪切試驗(yàn)要求（大于 3gf），金絲鍵合質(zhì)量良好。

金絲斷裂位置均發(fā)生在頸縮點(diǎn)處，未出現(xiàn)在第一、第二焊點(diǎn)斷裂的情況，說明金絲與芯片、基板形成了良好的冶金結(jié)合，鍵合質(zhì)量良好。設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)如表 3 所示。

通過對比各水平條件下極差數(shù)據(jù)可知：因素 B 形變量的極差 R 大于因素 C 超聲功率，大于因素 A 鍵合壓力，這說明在自動(dòng)金絲鍵合過程中，對金絲鍵合第一焊點(diǎn)影響最大的工藝參數(shù)是形變量，其次是超聲功率，最后是鍵合時(shí)間。最佳的鍵合工藝參數(shù) A1B3C1，即鍵合時(shí)間為 60ms，形變量 40%，鍵合壓力為 20g。

鍵合金絲第二焊點(diǎn)參數(shù)具體設(shè)計(jì)方案如表4所示。

設(shè)置不同鍵合工藝參數(shù)，制備 9 組鍵合金絲樣品，并將 9 組樣品送去進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試。每個(gè)樣品對 5根金絲進(jìn)行測試，金絲抗拉強(qiáng)度及斷裂位置如表 5 所示。9 種不同樣品測試結(jié)果表明，所測試的金絲抗拉強(qiáng)度最 低為 7.98gf ， 最 高 為 9.79gf ， 強(qiáng) 度 均 滿 足GJB548B—2005 剪切試驗(yàn)要求（大于 3gf），金絲鍵合質(zhì)量良好。

金絲斷裂位置均發(fā)生在第二焊點(diǎn)頸縮點(diǎn)處，未出現(xiàn)在第一、第二焊點(diǎn)斷裂的情況，說明金絲與芯片、基板形成了良好的冶金結(jié)合，鍵合質(zhì)量良好。

設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)如表 6 所示。通過對比各水平條件下極差數(shù)據(jù)可知：因素 B 形變量的極差 R 大于因素C 超聲功率，大于因素 A 鍵合壓力，這說明在自動(dòng)金絲鍵合過程中，對金絲鍵合第一焊點(diǎn)影響最大的工藝參數(shù)是形變量，其次是超聲功率，最后是鍵合時(shí)間。最佳的鍵合工藝參數(shù) A3B3C3，即鍵合時(shí)間為 120ms，形變量 40%，鍵合壓力為 22g。

自動(dòng)金絲楔焊鍵合對金絲抗拉強(qiáng)度影響最大的工藝參數(shù)為形變量，當(dāng)鍵合金絲形變量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，繼續(xù)增大鍵合時(shí)間和超聲功率不會(huì)增加金絲與芯片或基板的接觸面積，即不再影響金絲的抗拉強(qiáng)度。綜上，自動(dòng)金絲楔焊鍵合的最佳工藝參數(shù)如表 7 所示，采用最佳工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)金絲鍵合，一次鍵合成功率達(dá)到 100%，鍵合金絲形貌如圖 4 所示。

3.2 球焊鍵合關(guān)鍵工藝參數(shù)研究

金絲球焊鍵合操作方便、靈活，壓點(diǎn)面積大、焊接可靠性高，且無方向性，因此深入探討超聲功率、鍵合時(shí)間、鍵合壓力等參數(shù)對金絲球焊鍵合質(zhì)量的影響十分必要。本試驗(yàn)同樣采用三因素三水平 L 9 (3 3 )的正交試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)。球焊鍵合金絲第一焊點(diǎn)參數(shù)具體設(shè)計(jì)方案如表 8 所示。

設(shè)置不同鍵合工藝參數(shù)，制備 9 組球焊鍵合金絲樣品，并將 9 組樣品送去進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試。每個(gè)樣品對 5 根金絲進(jìn)行測試，金絲抗拉強(qiáng)度及斷裂位置如表 9 所示。

9 種不同樣品測試結(jié)果表明，所測試的金絲抗拉強(qiáng)度 最低 為 5.47gf ， 最 高 為 6.81gf ，強(qiáng) 度均 滿足GJB548B—2005 剪切試驗(yàn)要求（大于 3gf），金絲鍵合質(zhì)量良好。金絲斷裂位置發(fā)生在第二焊點(diǎn)頸縮點(diǎn)，部分金絲第二焊點(diǎn)發(fā)生脫焊，這說明雖然金絲與芯片、基板形成了良好的冶金結(jié)合，但是第二焊點(diǎn)為薄弱環(huán)節(jié)，鍵合強(qiáng)度偏低。

設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)如表 10 所示。

通過對比各水平條件下極差數(shù)據(jù)可知：因素 B 鍵合壓力的極差 R 大于因素 A 超聲功率，大于因素 C 鍵合時(shí)間，這說明在自動(dòng)金絲球焊鍵合過程中，對金絲鍵合第一焊點(diǎn)影響最大的工藝參數(shù)是鍵合壓力，其次是超聲功率，最后是鍵合時(shí)間。最佳的鍵合工藝參數(shù)A1B1C3，即超聲功率為 31μIn，鍵合壓力為 32g，鍵合時(shí)間為 39ms。

從表 9 可以看出，金絲鍵合抗拉強(qiáng)度雖然滿足GJB548B—2005 剪切試驗(yàn)要求，但是整體抗拉水平偏低，且第二焊點(diǎn)存在脫焊現(xiàn)象，說明第二焊點(diǎn)為薄弱環(huán)節(jié)，故需要對第二焊點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)球加固，提高鍵合金絲可靠性。

球焊鍵合金絲補(bǔ)球參數(shù)具體設(shè)計(jì)方案如表 11 所示。

9 組球焊加固后鍵合金絲抗拉強(qiáng)度。每個(gè)樣品對 5根金絲進(jìn)行測試，金絲抗拉強(qiáng)度及斷裂位置如表 12 所示。

9 種不同樣品測試結(jié)果表明，所測試的金絲抗拉強(qiáng)度最低為 11.11gf，最高為 12.28gf，強(qiáng)度均滿足GJB548B—2005 剪切試驗(yàn)要求（大于 3gf），金絲鍵合質(zhì)量較高。

金絲斷裂位置發(fā)生在第一焊點(diǎn)頸縮點(diǎn)、第二焊點(diǎn)頸縮點(diǎn)，未發(fā)生第一焊點(diǎn)脫焊以及補(bǔ)球脫焊等情況，這說明補(bǔ)金球參數(shù)適當(dāng)，可將金絲第二頸縮點(diǎn)覆蓋住，起到了補(bǔ)球加固的效果。

設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)如表 13 所示。

通過對比各水平條件下極差數(shù)據(jù)可知：因素 C 鍵合時(shí)間的極差 R 大于因素 A 超聲功率，大于因素 B 鍵合壓力，這說明在自動(dòng)金絲球焊鍵合過程中，對金絲鍵合補(bǔ)球影響最大的工藝參數(shù)是鍵合時(shí)間，其次是超聲功率，最后是鍵合壓力。最佳的鍵合工藝參數(shù)A1B1C1，即超聲功率為 34μIn，鍵合壓力為 38g，鍵合時(shí)間為 29ms。

在補(bǔ)球過程中，鍵合時(shí)間過長、超聲功率過大、鍵合壓力過大均會(huì)導(dǎo)致金絲第二焊點(diǎn)頸縮點(diǎn)受到損傷，反而影響補(bǔ)球加固的效果。綜上，自動(dòng)金絲球焊鍵合的最佳工藝參數(shù)如表 14 所示，采用最佳工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)金絲鍵合，一次鍵合成功率達(dá)到 100%，鍵合金絲形貌如圖 5 所示。

為確保最優(yōu)的鍵合工藝參數(shù)能夠滿足產(chǎn)品的批生產(chǎn)要求，在產(chǎn)品裝配合格后隨機(jī)抽取 10 根金絲進(jìn)行抗拉強(qiáng)度檢測，金絲抗拉強(qiáng)度值范圍為 9.07～12.21gf。批產(chǎn)試驗(yàn)產(chǎn)品最優(yōu)鍵合工藝參數(shù)可以滿足批產(chǎn)質(zhì)量要求。

4 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，以抗拉強(qiáng)度與斷裂位置作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究了金絲楔焊鍵合及金絲球焊鍵合不同工藝參數(shù)對于金絲抗拉強(qiáng)度的影響，從而確定最優(yōu)工藝參數(shù)。在楔焊鍵合中，形變量對鍵合強(qiáng)度影響大于超聲功率大于鍵合時(shí)間，最佳工藝參數(shù)為鍵合時(shí)間為60ms，形變量 40%，鍵合壓力為 20g，最佳工藝參數(shù)為鍵合時(shí)間為 120ms，形變量 40%，鍵合壓力為 22g；在球焊鍵合中，第一焊點(diǎn)鍵合壓力對鍵合強(qiáng)度的影響大于超聲功率大于鍵合時(shí)間，最佳工藝參數(shù)為超聲功率為 31μIn，鍵合壓力為 32g，鍵合時(shí)間為 39ms，補(bǔ)球過程中鍵合時(shí)間對鍵合強(qiáng)度的影響大于超聲功率大于鍵合壓力，最佳工藝參數(shù)為超聲功率為 34μIn，鍵合壓力為 38g，鍵合時(shí)間為 29ms。

審核編輯 黃宇