陶瓷表面貼裝器件鍵合可靠性提升方案

趙興江

摘 要：陶瓷表面貼裝器件絕大部分均采用金作為表面涂覆層，而芯片表面絕大部分均采用鋁材料作電極，因此無論采用金絲或鋁絲進(jìn)行鍵合均不可避免的存在金鋁鍵合現(xiàn)象。為提升產(chǎn)品焊接可靠性，我們通過工藝技術(shù)攻關(guān)成功采用過渡電極片的方案解決了這一難題。

關(guān)鍵詞：金鋁鍵合；可靠性；失效原理；過渡電極片；DPA試驗(yàn)

引言

由于金材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能和抗氧化能力，因此陶瓷表面貼裝器件的內(nèi)涂覆和外涂覆均主要采用金作為涂覆層，而內(nèi)引線均采用鋁絲焊接，因此在內(nèi)引線焊接過程中不可避免的存在金鋁鍵合的問題，而金鋁鍵合固有的柯肯德爾效應(yīng)（白斑效應(yīng)、紫斑效應(yīng)）始終是影響產(chǎn)品可靠性的一大隱患。

1 金鋁鍵合失效原理

金鋁兩種金屬在鍵合初期會(huì)形成少量的IMC（IMC廣義上說是指某些金屬相互緊密接觸的界面間會(huì)產(chǎn)生一種原子遷移互動(dòng)的行為，組成一層類似合金的化合物。這里特指金鋁鍵合面存在的金鋁化合物）。少量的IMC對(duì)界面鍵合強(qiáng)度起一定的強(qiáng)化作用。然而，隨著使用時(shí)間的增加和溫度的升高，IMC會(huì)不斷增加和轉(zhuǎn)化。當(dāng)IMC過多時(shí)，其鍵合強(qiáng)度會(huì)顯著降低、變脆并引起焊點(diǎn)接觸電阻變大。同時(shí)脆性的IMC會(huì)使鍵合點(diǎn)在受周期性應(yīng)力作用時(shí)引發(fā)疲勞或淺變破壞，最終可導(dǎo)致器件的電性能退化甚至失效。

相關(guān)研究表明，隨著鋁膜厚度的不同，Au/AI系統(tǒng)金鋁問化合物形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制將略有不同，但普遍認(rèn)為：Au/AI系統(tǒng)鍵合及老化后，可形成AuAl、Au5A12（俗稱白斑）、Au4A1、AuAl2（俗稱紫斑）、Au2AI、Au2Al3和Au3A12等多種IMC。其中Au5A12隨著老化時(shí)間的增加，會(huì)向Au2A1轉(zhuǎn)化并伴有Au4Al中間相，IMC厚度不斷增加，最后形成Au2Al。Au2Al上面為蜂窩狀存在的Au3A12，其中也存在很薄的Au4AI相。

2 鍵合可靠性提升方案及優(yōu)劣對(duì)比分析

為徹底解決陶瓷表面貼裝器件的金鋁鍵合隱患，我們擬定了三套提升方案并進(jìn)行了優(yōu)劣對(duì)比：

（1）選用局部鍍鎳零件，直接形成鋁鎳鍵合。

優(yōu)點(diǎn)：廠家使用方便，只需在壓焊工序進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整。

缺點(diǎn)：零件供應(yīng)商在工藝處理上存在一定難度，供應(yīng)商不愿意進(jìn)行特殊生產(chǎn)。

（2）選用內(nèi)部鍍金層厚度小于0.3μm的薄金零件，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)引線與薄金層下的鎳層熔合形成鋁鎳鍵合。

優(yōu)點(diǎn)：零件供應(yīng)商適當(dāng)調(diào)整鍍金工藝，控制鍍金層厚度即可，生產(chǎn)廠家也可直接使用該類零件。

缺點(diǎn)：零件供應(yīng)商對(duì)金層厚度的控制不準(zhǔn)確，生產(chǎn)廠家工藝控制難度也比較大，無法保證產(chǎn)品鍵合時(shí)100%玻璃表面金層而與底面鎳層牢固鍵合。

（3）設(shè)計(jì)并制作合適的鍍鎳過渡電極片，然后燒制在零件內(nèi)部的焊接區(qū)域，直接形成鋁鎳鍵合。

優(yōu)點(diǎn)：過渡電極片制作簡單可實(shí)現(xiàn)自制，不僅制作進(jìn)度和鍍層質(zhì)量可控，同時(shí)可根據(jù)生產(chǎn)需要臨時(shí)制作所需的過渡電極片并及時(shí)使用，可有效降低前處理和工藝調(diào)整的難度。

缺點(diǎn)：生產(chǎn)廠家將增加過渡電極片的燒制過程，生產(chǎn)效率會(huì)降低。

根據(jù)上述三種方案的對(duì)比情況，同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，最終選擇自制過渡電極片進(jìn)行燒制的第三套方案。

3 工藝試驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證采用自制過渡電極片進(jìn)行燒制的第三套方案的可行性，應(yīng)進(jìn)行下列試驗(yàn)：

（1）設(shè)計(jì)并自制過渡電極片且要求過渡電極片鎳層厚度≥2.0μm（根據(jù)以往鍍鎳零件的使用經(jīng)驗(yàn)確定）。

（2）各種外形產(chǎn)品均挑選10只零件并選取代表型號(hào)產(chǎn)品進(jìn)行燒焊工藝確認(rèn)試驗(yàn)、壓焊工藝確認(rèn)試驗(yàn)、開帽拉力確認(rèn)試驗(yàn)，結(jié)果如表1：

4 DPA試驗(yàn)及結(jié)果

為了確認(rèn)該工藝的可靠性，我們選取上述5種封裝外形5個(gè)代表型號(hào)產(chǎn)品進(jìn)行了批量生產(chǎn)和正常的篩選試驗(yàn)并提交品質(zhì)保障部進(jìn)行鑒定試驗(yàn)。為了驗(yàn)證該試驗(yàn)方案的可靠性，部在正常的鑒定試驗(yàn)完成后又根據(jù)該工藝的特點(diǎn)，增加了必要的DPA試驗(yàn)項(xiàng)目，試驗(yàn)結(jié)果如表2：

5 結(jié)束語

不同封裝外形、不同代表型號(hào)產(chǎn)品的工藝試驗(yàn)、鑒定試驗(yàn)以及DPA試驗(yàn)的結(jié)果表明：采用燒制過渡電極片的方式可以達(dá)到徹底避免金鋁鍵合的目的，產(chǎn)品的焊接可靠性明顯提高而且更加自主可控，達(dá)到了預(yù)期目的。