金錫熔封對引線鍵合強度影響研究

王明浩，康 敏，丁紅園，趙鶴然

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引 言

可靠性是電子封裝最關心的核心話題。各個組裝環節之間環環相扣，后道工序往往對前道工序產生不同程度的影響，直接影響電路的可靠性[1-3]。

引線鍵合工藝是最為成熟的互聯技術，現階段仍然是最為廣泛使用的一級封裝互聯工藝。隨著原材料制造的發展，鍵合絲從傳統的金絲、鋁絲逐步向銅絲、銀絲和帶有鍍層的多種合金絲發展。表征引線鍵合能力和可靠性的方法很多，包括鍵合拉力測量、焊點剪切強度測量等[4-5]。

國內外大量學者研究引線鍵合可靠性的問題，主要集中在引線鍵合區，尤其是金屬互聯時可能產生的金屬間化合物[6]。一般來講，金屬間化合物有利于焊接材料之間形成牢固的結合，但應盡可能避免形成脆性金屬間化合物[7]。例如：Au-Al 金屬化系統鍵合的器件在長期使用或遇高溫后，在鍵合處會出現壓焊強度降低、變脆以及接觸電阻變大等情況，最終甚至可導致器件開路或電性能退化[8-10]。

在此研究金錫熔封工藝過程中燒結爐溫度曲線對不同引線鍵合絲鍵合強度的影響。以25μm 金絲、32μm 鋁硅絲和250μm 粗鋁絲為研究對象，在峰值溫度310℃的高溫環境下處理25min 后，對比鍵合強度的前后變化情況，并觀察斷口形貌，以得到金錫熔封工藝對三種鍵合絲強度衰減的影響。

2 試驗方法及條件

金錫熔封是高可靠性集成電路封裝行業的主流密封技術，具有焊接強度高、耐腐蝕性強、氣密性良好等特點，廣泛使用在航空、航天、導彈、船舶等高可靠元器件上。

圖1 給出了金錫熔封的典型工藝曲線[11]。其峰值溫度310℃，預熱溫度240℃。在試驗中對熔封工藝曲線做了簡化，峰值溫度310℃，持續時間25min。

圖1 金錫熔封典型工藝曲線

樣本選用25μm 金絲、32μm 鋁硅絲和250μm粗鋁絲三種規格鍵合絲，各材料的詳細情況見表1。

表1 鍵合絲規格

對鍵合強度的測試采用DAGE4000 型鍵合強度/剪切強度測試儀來完成，并隨后使用顯微鏡觀察拉斷位置，判斷其是否存在脫鍵現象，最終使用SEM 觀察鍵合絲斷口微觀形貌。

3 試驗結果及分析

3.1 25μm 金絲鍵合強度變化對比分析

對25μm 金絲進行熔封前后的鍵合強度對比，實驗結果如表2 所示。其中，在熔封之前，30 根鍵合絲鍵合拉力的最大值是10.8g，最小值是7.6g，平均值為8.5g；熔封之后，30 根鍵合絲鍵合拉力的最大值是10.8g，最小值是7.7g，平均值為8.4g。

從鍵合拉力測試結果來看，熔封前后，金絲鍵合拉力沒有明顯變化。這主要是因為金的熔點較高，為1064.18℃，而熔封溫度為310℃，尚未達到其熔點的三分之一，兩者相差較大。對于金絲本身來說，該熔封溫度條件屬于低溫環境，不足以明顯影響到自身的物理性質。

表2 25μm 金絲熔封前后鍵合強度變化

從斷裂位置來看，主要是鍵合第一點焊球的上方位置有斷裂發生。分析其原因：一方面是金絲燒球產生的熱影響區，加上劈刀在成弧過程中的移動動作，使第一點根部熱影響區造成彎折，降低了強度；另一方面，金絲球鍵合采用的引線弧形為安全成球模式，即在第二點鍵合完成后又補球加強鍵合強度。

3.2 32μm 鋁硅絲鍵合強度變化對比分析

對比32μm 鋁硅絲在熔封前后的鍵合強度，詳細對比結果如表3 所示。可見，在熔封之前，30 根鍵合絲鍵合拉力的最大值是11.3g，最小值是8.2g，平均值為9.3g；熔封之后，30 根鍵合絲鍵合拉力的最大值是6.2g，最小值是3.4g，平均值為5.1g。

表3 32μm 鋁硅絲熔封前后鍵合強度變化

從鍵合拉力測試的結果來看，熔封后，鋁硅絲鍵合拉力從均值9.3g 驟降到5.1g，發生了較大程度的衰減。這主要是因為鋁的熔點為660℃，而熔封溫度為310℃，接近其熔點的二分之一，對于鋁硅絲屬于高溫載荷（約比溫度≈0.47）。溫度對金屬材料的物理性質有很大的影響，長時間處于高溫載荷下會明顯影響到材料的力學性能；而短時高溫載荷也會使金屬的塑性增加。

在熔封前，斷裂位置主要集中在第一點根部及第二點根部；而熔封后主要在靠近第一點、第二點上方的一小段區域發生斷裂。這主要是因為，在鋁絲鍵合的過程中，鍵合點的形成主要依靠劈刀的壓力及振動，劈刀的前后緣對鍵合點根部起到一種加工硬化的作用，導致其塑性下降。熔封過程則相當于在基礎上做了一次退火處理，改善了根部的力學性能。

3.3 250μm 粗鋁絲鍵合強度變化對比分析

對250μm 粗鋁絲進行熔封前后的鍵合強度對比試驗，結果如表4 所示。可見，在熔封之前，30 根鍵合絲鍵合拉力的最大值是529.4g，最小值是483.1g，平均值為510g；熔封之后，30 根鍵合絲鍵合拉力的最大值是497.6g，最小值是366.8g，平均值為446.3g。

表4 250μm 粗鋁絲熔封前后鍵合強度變化

從鍵合拉力測試結果來看，熔封后的鍵合強度相比于熔封之前降低了10%，仍然處在較高的鍵合強度水平。一方面，這是因為鋁絲的力學性能在熔封后發生了變化導致鍵合強度降低；另一方面，相對于鋁硅絲，粗鋁絲直徑較大，其引線線徑與長度比值相比于鋁硅絲大得多，在抗拉斷方面表現較為良好。

熔封前后，斷裂位置都主要集中在引線上，沒有明顯變化。

4 結 束 語

經過研究可知，金錫熔封對25μm 金絲鍵合強度幾乎沒有影響，但對其斷裂位置影響較大。熔封前斷裂主要是集中在第一點根部及第二點根部；而熔封后主要在靠近第一點、第二點上方的一小段區域發生斷裂。對于32μm 鋁硅絲，金錫熔封使其鍵合拉力發生了較大程度的衰減，主要是約比溫度在0.5左右，使鍵合絲力學性能發生了較大變化。金錫熔封對粗鋁絲鍵合強度的影響較小。