微組裝技術中金絲鍵合工藝研究

蒯永清

摘 要：隨著科學技術的發展，我國的微組裝工藝有了很大進展，在微組裝工藝中，金絲鍵合是一道關鍵工藝。金絲鍵合質量的好壞直接影響微波組件的可靠性以及微波特性。對金絲鍵合工藝的影響因素進行了分析，并通過設計實驗方案對25μm金絲進行鍵合實驗。對鍵合金絲進行拉力測試，測量結果全部符合軍標GJB548B-2005要求。根據測量結果尋求最佳鍵合參數，對實際生產具有一定的指導意義。

關鍵詞：微組裝技術 金絲鍵合 參數提取

引 言

引線鍵合實現了微電子產品優良的電氣互連功能，在微電子領域應用廣泛。自動引線鍵合技術作為一種先進的引線鍵合技術具有絕對優勢。自動鍵合技術是自動鍵合機執行相應的程序，自動完成引線鍵合過程。自動鍵合具有可控化、一致性好和可靠性高等優勢。隨著電子封裝技術的不斷發展，微波組件正在不斷向小型化、高密度、高可靠、高性能和大批量方向發展，對產品的可控化、高一致性、高可靠性和生產的高效率都提出了更高的要求，順應發展趨勢實現自動化生產已成為一種趨勢。所以，對自動化鍵合工藝的研究和優化是非常有必要的。

1金絲鍵合工藝簡介

金絲鍵合指使用金屬絲（金線等），利用熱壓或超聲能源，完成微電子器件中固電路內部互連接線的連接，即芯片與電路或引線框架之間的連接。金絲鍵合按照鍵合方式和焊點的不同分為球鍵合和楔鍵合。

2金絲鍵合質量的影響因素

2.1劈刀

劈刀是金絲鍵合的直接工具，楔焊劈刀用于金絲、金帶、鋁絲、鋁帶等鍵合，主要分為深腔、非深腔、粗鋁、金帶/鋁帶鍵合等幾大類，多為鎢鋼材料，刀頭部分材料為陶瓷。在一個完整的楔形鍵合中，第1鍵合點的鍵合強度主要受到劈刀的后倒角（BR）和鍵長（BL）、劈刀在鍵合第1點后上升過程、拉弧過程所產生的摩擦及拉力、線夾打開的寬度等因素的影響。如果BR太小，則劈刀后倒角區域較鋒利，就會導致第1鍵合點的根部較脆弱，在拉力測試實驗中容易在此位置斷裂。在完成第1鍵合點后，劈刀要經過先上升、再向第2鍵合點方向水平移動，然后下降到第2鍵合點進行鍵合的過程，在該過程中，第1鍵合點的根部會受到拉力彎曲，引線受到送線孔后端的摩擦，都會影響第1鍵合點的根部或者損傷第1鍵合點根部。第2鍵合點的鍵合強度主要受到前倒角（FR）和鍵長的影響，此時BR的作用是保持尾絲的一致性及扯斷引線提供一個應力集中點。因此如果要得到良好的引線鍵合，一定要根據所用引線的直徑選擇合適的劈刀參數。在實際使用中，當劈刀用過一段時間后，前倒角、后倒角等劈刀端面就會產生一定的磨損，這樣導致焊點根部的鍵合強度降低，影響鍵合質量。同時，操作人員使用不當也會縮短劈刀的使用壽命。

2.2超聲時間對鍵合的影響

根據經驗值，將金絲變形度設定為42%，相對超聲功率設定為20%，鍵合壓力設定為0.18N，對超聲時間進行單一變量研究。根據已有經驗，確定試驗范圍，在所選范圍內確定13個數值，每個值對應鍵合5根絲，對其進行試驗和分析。按照以上參數和方案進行自動鍵合，通過鏡檢和拉力測試等方法分析超聲時間對自動鍵合的影響。分別使用60倍和200倍光學顯微鏡對鍵合金絲結果和鍵合點的形貌進行鏡檢，發現超聲時間為2ms（自動鍵合機允許的最低值）時，金絲沒有鍵合上；超聲時間>3ms時，鍵合金絲和鍵合點形貌都正常，且滿足鍵合標準。使用Dag-4000拉力測試儀對鍵合好的金絲進行100%（沒有鍵合上的除外）的拉力測試，每組取其平均值。

2.3鍵合層鍍金質量

同種金屬間的鍵合效果最好，能夠得到最高的可靠性。實驗中使用金絲鍵合，因此鍍層也選用鍍金層。鍍金層的厚度直接影響鍍金層硬度，鍍金的純度直接影響鍍金質量，2個條件對鍵合質量均有很大的影響。另外，鍍金層表面的清潔度對鍵合質量也有較大的影響。等離子清洗具有清洗干凈、不損傷芯片、不降低膜層的附著力等特點，同時它具有常規的液相清洗不可比擬的優勢。等離子清洗過程中高能電子碰撞反應氣體分子，使之離解或電離，利用產生的多種粒子轟擊被清洗表面或與被清洗表面發生化學反應，從而有效清除被清洗表面的有機污染物或改善表面狀態。因此鍵合前對鍍金層表面進行等離子清洗是十分必要的。本文中采用氬單種等離子清洗。

2.4焊盤鍍金層厚度

基板上焊盤的鍍金層厚度大小直接與金線鍵合的強度有關，鍍金層越厚，鍵合的可焊性越好，焊點越牢固，但是鍍金層越厚成本也越高。由于鍍金層厚度和可焊性之間也不是簡單的線性關系，所以需要通過實驗尋找一個最優的值，在保證達到鍵合強度要求的情況下，鍍金層厚度最小。

3實驗及實驗結果

通過以上內容可知，劈刀、鍵合層鍍金質量、金絲等因素一旦選定就無法改變，而鍵合參數可以通過調節不同的參數而得到最優組合。因此實驗中選定鍵合參數作為實驗控制變量，包括壓力、超聲功率、鍵合時間和劈刀溫度。得到測試數據后，剔除相對于平均值過高或過低的數據，對剩余的數據取平均值作為每組鍵合參數的抗拉強度值。影響金絲鍵合質量的因素很多，其中超聲功率和鍵合時間是實際設備操作中最直接接觸、最直觀反應鍵合效果的因素。對于金絲鍵合質量的分析，也不僅僅局限于測量鍵合拉力，還包含焊點寬度的影響、焊點失效性分析、金絲弧度及跨度、鍵合金絲微波特性等各種分析方法，都需要大量實驗以及實際操作驗證。

結 語

綜上所述，本文研究了陶瓷基板上自動鍵合各參數對鍵合形貌、一致性和可靠性的影響，也通過正交試驗給出了優化參數組合。在實際工作中要根據實際情況，綜合其他各種因素，如原材料、劈刀、溫度和前道工序工藝等都會對自動鍵合造成影響。所以，要根據試驗，采取最優化組合，從而提高鍵合的可靠性和一致性。

參考文獻

[1] 孫瑞婷.微組裝技術中的鍵合工藝研究[B].船舶電子對抗，2013（4）：116-120.

[2] 董江，胡蓉.微系統封裝內引線鍵合的可靠性[J].電子工藝技術，2015（5）：260-264.

[3] 宋云乾.基于正交試驗的金絲鍵合工藝參數優化[J].電子工藝技術，2014，35（2）：74-76.

[4] 曾耿華，唐高弟.微波多芯片組件中鍵合線的參數提取和優化[J].信息與電子工程，2007（5）：40-43.