金絲鍵合主要工藝參數(shù)技術(shù)研究

劉文

摘 要：介紹了金絲鍵合技術(shù)，闡述了影響金絲鍵合強度的主要工藝參數(shù)，采用超聲熱壓技術(shù)和楔形鍵合方式對25μm的金絲進行鍵合正交試驗。通過對測試結(jié)果進行極差分析，獲得了超聲功率、超聲時間和熱臺溫度的最佳匹配組合關(guān)系及影響鍵合強度的主次因素順序關(guān)系。

關(guān)鍵詞：金絲鍵合 工藝參數(shù) 正交試驗

1引言

微組裝技術(shù)因成本低廉、實現(xiàn)簡單、熱膨脹系數(shù)小、適用電路封裝形式多樣化等優(yōu)點[1]，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。金絲鍵合是微組裝技術(shù)中的關(guān)鍵工藝，其鍵合質(zhì)量好壞直接影響產(chǎn)品可靠性和電性能穩(wěn)定性。衡量金絲鍵合質(zhì)量好壞的主要指標為鍵合強度，而鍵合強度的期望值不能通過單獨改變某個工藝參數(shù)即可實現(xiàn)，需對某些主要工藝參數(shù)進行調(diào)節(jié)，才能達到最佳效果。

2金絲鍵合定義

金絲鍵合是多芯片微波組件中常用的工藝，它是指將延展性和導(dǎo)電性很好的極細金絲壓焊在基板-基板、基板-芯片或芯片-芯片表面上，實現(xiàn)電氣特征相互關(guān)聯(lián)的一種技術(shù)。

根據(jù)鍵合能量的不同，金絲鍵合分為熱壓鍵合、超聲鍵合和超聲熱壓鍵合[2][3]。

根據(jù)鍵合方式和劈刀外形、材料的不同，金絲鍵合又分為球形鍵合和楔形鍵合[3]。

3 鍵合強度影響因素

影響金絲鍵合強度的工藝參數(shù)有很多，從設(shè)備方面考慮，它與超聲功率、超聲時間、熱臺溫度、鍵合壓力、劈刀溫度和劈刀安裝長度等因素有關(guān)；從被鍵合表面上考慮，它與被鍵合面的材料特性、厚度、平整度、清潔度和處理工藝等因素有關(guān)[1]。根據(jù)以往經(jīng)驗，影響鍵合強度最主要工藝參數(shù)為：超聲功率、超聲時間和熱臺溫度。

3.1超聲功率

超聲是指振動頻率大于1200Hz的振動波。適當(dāng)?shù)某暪β适墙鸾z鍵合具有可靠性的前提，能夠產(chǎn)生足夠強度的、穩(wěn)定的鍵合。過小的超聲功率會導(dǎo)致金絲翹起，無法焊接或只微焊接于焊點上，而過大的功率會導(dǎo)致焊點發(fā)生形變，甚至金絲斷裂或焊盤破裂[3]。

3.2超聲時間

超聲時間是指在劈刀上施加超聲功率和鍵合壓力的作用時間，目的是控制超聲能量。恰當(dāng)?shù)某晻r間有助于清除金絲表面的氧化物層，增強鍵合效果。過短的超聲時間導(dǎo)致鍵合點狹窄、金絲剝離，而過長的超聲時間不會增大鍵合點面積，相反會導(dǎo)致根部切斷[3]。

3.3熱臺溫度

熱臺溫度在一定程度上決定了鍵合成功率。適當(dāng)?shù)臒崤_溫度能夠幫助清潔鍵合表面的污染物層，激發(fā)金屬原子的活躍性，促進原子之間的接合。過低的熱臺溫度會降低鍵合強度，導(dǎo)致金絲脫離。然而，過高的熱臺溫度，則會破壞某些鍵合面的物理特性和化學(xué)特性，降低鍵合質(zhì)量，甚至損壞電子器件[1]。

4試驗條件及方法

本文采用超聲熱壓技術(shù)及楔形鍵合方式對影響金絲鍵合強度的主要工藝參數(shù)進行試驗。采用的金絲鍵合設(shè)備為Shimadzu Institute公司的Model 7476E，如圖1所示。基板材料為Rogers 4350B，厚度為0.254mm，表面鍍金厚度為35μm，金絲直徑為25μm。

試驗過程中選擇超聲功率、超聲時間和熱臺溫度三個主要工藝參數(shù)作為研究對象，并對每個工藝參數(shù)設(shè)置三個水平，每組工藝參數(shù)設(shè)置完成后進行金絲鍵合。

5試驗結(jié)果及分析

為了有效分析每組工藝參數(shù)對鍵合強度的影響，選擇正交試驗法進行研究。同時，為了從正交試驗結(jié)果中得到金絲鍵合最佳匹配工藝參數(shù)水平組合關(guān)系，采用L9（33）正交表作為分析方法。每組工藝參數(shù)設(shè)置及其鍵合拉力測試平均值見表1所示，其中鍵合拉力測試值為每組工藝參數(shù)條件下的20根金絲鍵合破壞性拉力測試總值的算術(shù)平均值，單位為g。

從表1可以看出，在每組工藝參數(shù)條件下，其拉力測試平均值最小為7.825g，最大為10.375g，可見能夠很好地滿足電氣互連可靠性。同時，從表1還可以看出，金絲鍵合最佳匹配工藝參數(shù)水平組合關(guān)系為：第一鍵合點超聲功率為180，超聲時間為20ms，第二鍵合點超聲功率為230，超聲時間為30ms，熱臺溫度為95℃。

為了進一步確定每個因素對鍵合強度的主次影響關(guān)系，采用正交試驗法中的極差法對表1結(jié)果進行數(shù)理統(tǒng)計分析。極差大說明該因素影響程度大，極差小說明該因素影響程度小。

超聲功率、超聲時間和熱臺溫度極差分析結(jié)果如表2所示。

從表2計算結(jié)果可見，極差值R大小順序依次為超聲功率、熱臺溫度、超聲時間，即影響金絲鍵合強度的以上因素中，超聲功率影響程度最大，其次為熱臺溫度，最后為超聲時間。

6結(jié)論

本文是在前期金絲鍵合工藝經(jīng)驗基礎(chǔ)上，針對影響鍵合強度的主要工藝參數(shù)進行的探索性試驗，目的是找出最佳匹配工藝參數(shù)水平組合和影響因素主次順序，為后續(xù)公司型號產(chǎn)品小型化、低成本設(shè)計提供微組裝工藝技術(shù)支持。

參考文獻：

[1] 宋云乾.基于正交試驗的金絲鍵合工藝參數(shù)優(yōu)化[1].無錫：電子工藝技術(shù)，2014，35（2），74-77.

[2] 曠仁雄，謝飛. 25μmAu絲引線鍵合正交試驗研究[J].成都：半導(dǎo)體技術(shù)，2010，35（4），369-372

[3] 孫瑞婷.微組裝技術(shù)中的金絲鍵合工藝研究[J].揚州：艦船電子對抗，2013，36（4），116-120.