厚膜基板金導體燒結(jié)次數(shù)對鍵合可靠性的影響

吳海峰　彭理娟　蘇鑫　董立菲

摘? 要： 鍵合工藝的窗口逐漸變小，導致鍵合界面材料結(jié)構(gòu)、成分的改變對鍵合工藝的影響越來越明顯。本文主要研究了厚膜基板的燒結(jié)次數(shù)對鍵 合工藝的影響。通過對燒結(jié)10遍的金導體樣品1和燒結(jié)28遍的金導體樣品2的對比分析，發(fā)現(xiàn)隨著燒結(jié)次數(shù)的增加，導體表層的單粒金消失、金粒呈團簇 狀凝結(jié)、小氣孔匯聚。通過在兩種樣品上的金絲球鍵合試驗發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)次數(shù)多的導體表面硬度低、金球變形大、外形不標準、鍵合拉力小、鍵合性差， 進而改正前期鍵合時遇到軟導帶就減小鍵合參數(shù)的調(diào)試方法，管控有鍵合點的布線層設(shè)計和印燒次序，從根本上提高鍵合可靠性。

關(guān)鍵詞： 厚膜基板;燒結(jié)次數(shù);鍵合試驗;印燒次序

厚膜混合集成電路因其工藝結(jié)構(gòu)靈活、元件參數(shù)范圍寬、精度高、在 極端環(huán)境下出色的高可靠性等特點而廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域。 作為所有元件的載體，厚膜基板的質(zhì)量在很大程度上決定了最終的產(chǎn)品質(zhì) 量，也影響和制約著其他厚膜混合集成電路生產(chǎn)工藝的發(fā)展。厚膜基板通 過絲網(wǎng)印刷的方式將導體漿料、介質(zhì)漿料、電阻漿料、玻璃漿料等印制在 氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹?shù)忍沾苫迳希偻ê娓伞Y(jié)工藝使得漿料里 的有機載體、揮發(fā)，功能項和粘接項附著在基板上。理想的金導體漿料印 燒后，富金層在上層，富玻璃層在下層，但實際生產(chǎn)中印燒的金導體表層會析出不同程度的玻璃，金屬成分也會下沉到導體底部。隨著集成電路向 著小型化、多功能方向的發(fā)展，芯片鍵合區(qū)越來越小，且越來越多的產(chǎn)品 要求將鋁絲鍵合在金導體上，導致鍵合界面材料結(jié)構(gòu)、成分的改變對鍵合 工藝的影響越來越明顯。本文主要研究了不同燒結(jié)次數(shù)的金導體微觀區(qū)別 和對鍵合可靠性的影響。

1 增加燒結(jié)次數(shù)后導體表面的變化

1.1? 厚膜基板制作工藝

通用厚膜基板的制作流程如下圖1。

金導體作為厚膜電路里的主要導電帶，其上設(shè)置了大量的鍵合點，一 塊普通的厚膜基板印制完畢至少需要10次的印刷和燒結(jié)工步，隨著制版、 印燒工藝的不斷進步和漿料本征特性的不斷改良，在厚膜基板上印制的層 數(shù)越來越多，多層基板往往需要25次以上的印燒才能完成。按設(shè)計人員的 布線習慣和車間生產(chǎn)流程，會將設(shè)有大量金絲球鍵合點的主要布線帶金導 帶作為第一層導體印燒。

1.2? 不同燒結(jié)次數(shù)厚膜基板的微觀區(qū)別

導體表面區(qū)別：用相同的網(wǎng)版、我司使用的某款金漿料、設(shè)備在同 一批陶瓷基板上印刷4片金導體基板，將印好的基板分成2份，樣品1燒 結(jié)10遍，樣品2燒結(jié)28遍，燒結(jié)工藝參數(shù)為：周期：?? 60 ±10min ，峰值溫 度：??? ℃，恒溫時間：?? 10 ±3min ，升溫速率：?? 50～ 80℃/min，降溫速率 （ 650～300℃）：? 30～80℃/min。下圖2是500倍顯微鏡下樣品1表面和樣 品2表面，圖4是1000倍顯微鏡下樣品1表面和樣品2表面。對比圖3 （a）、 （ b） 發(fā)現(xiàn)，? 燒結(jié)次數(shù)增加后，? 導體表面析出的玻璃面積明顯增大，? 氣孔 變少。燒結(jié)10遍的導體表面有較大的金粒，而且排布較均勻，氣孔較多。? 燒結(jié)28遍以后，晶界發(fā)生了明顯的變化，金呈團簇狀凝結(jié)，單粒金消失，? 小氣孔匯聚。

2 不同燒結(jié)次數(shù)對鍵合工藝的影響

2.1? 鍵合試驗

用同一臺金絲球鍵合機、同一通用參數(shù)、φ25um金絲鍵合兩種樣 品，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)10遍的鍵合球鍵合過程無異常，燒結(jié)28遍的發(fā)現(xiàn)金球存在塌邊、斜坡球問題，燒結(jié)10遍的硬度大于燒結(jié)28遍的硬度，且燒結(jié)28遍的的 鍵合球直徑比燒結(jié)10遍的的鍵合球直徑大5um左右。兩種樣品上鍵合絲的 破壞性拉力見下表1 ，燒結(jié)28遍的鍵合拉力平均值比燒結(jié)10遍的拉力值小1.13gf。燒結(jié)次數(shù)越多，鍵合過程越不穩(wěn)定，鍵合可靠性越低。

2.2? 試驗結(jié)果分析

燒結(jié)過程中玻璃析出伸入金膜，造成金粒團簇狀堆積，因其具有一定 的厚度且排布不均勻，而析出的玻璃高度低于團簇狀金，導致鍵合點底部 不平整，金球出現(xiàn)塌邊、斜坡。由于在第一次燒結(jié)完后，固化在基板上的 只有玻璃項和金項，玻璃的析出，必然會導致一部分金粒下沉，導體表面 的致密性變低，金球變形變大，劈刀在同樣的振幅下，對鍵合點根部的損 傷程度也變大，鍵合拉力隨之小。

3 厚膜基板燒結(jié)次數(shù)控制

在鍵合過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)厚導帶硬，薄導帶軟，因為厚導帶金含量大 于薄導帶，正常燒結(jié)后富金層在上，導致厚導帶界面金的致密度大于薄導 帶，所以前期分析原因時經(jīng)常將問題定位在導帶厚度上，不太考慮燒結(jié)次 數(shù)對導體界面的影響。從本次試驗中發(fā)現(xiàn)，增加燒結(jié)次數(shù)后，直觀的反饋 給鍵合的現(xiàn)象是導帶變軟，從鍵合工藝的角度出發(fā)，對于軟導體必須要減 小工藝參數(shù)鍵合，但因為燒結(jié)次數(shù)增加造成的軟導帶界面并不平整，且金 排布不均勻、含量低，如果減小工藝參數(shù)，勢必會減小鍵合點與導體的結(jié) 合力。為了鍵合工藝的穩(wěn)定性和可靠性，必須控制燒結(jié)次數(shù)，建議產(chǎn)品設(shè) 計之初，將有鍵合點的布線層放在最后燒結(jié)。

參考文獻：

[1]馮愛軍，王磊，董永平，等.基于成組技術(shù)的厚膜混合集成電路（HIC）基板生產(chǎn) 研究[J].物流科技，2018（6）：46-49.

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