提高金絲球焊合格率的工藝研究

吳竹楠 張艷輝 賈少雄 李俊

(中國電子科技集團公司第二研究所）

摘要

金絲鍵合是微組裝制造工藝的關(guān)鍵工序，為解決電子產(chǎn)品金絲球焊合格率低的問題，根據(jù)金絲球焊的鍵合原理和工作過程，選取了鍵合壓力、超聲功率、超聲時間、加熱臺溫度等關(guān)鍵因素進行分析，得出金絲球焊是多種因素作用實現(xiàn)的，確定了設(shè)備的最優(yōu)參數(shù)，并提出了改善金絲球焊工藝的方法。

引言

在微組裝工藝中，常見的鍵合方式有兩種，分別是：楔形鍵合(wedge bonding)和球形鍵合(ball bonding)，其中球焊經(jīng)常采用陶瓷劈刀，球焊具有任意方向拱弧、可靠性高、一致性好的特點，因而廣泛應用于微電子產(chǎn)品當中。然而在實際生產(chǎn)中，由于金絲球焊工藝復雜、影響因素多導致成品合格率較低。本文詳細分析了金絲球焊的鍵合過程、質(zhì)量評估標準和失效模式，研究了影響球焊可靠性的主要因素和工藝改進方法，對于實際科研生產(chǎn)提高成品合格率具有一定的指導意義。

1、金絲球焊的鍵合過程

金絲球焊屬于典型的熱壓超聲焊接，于1968年由美國貝爾實驗室的JE Clank提出，通過施加壓力，超聲功率轉(zhuǎn)化成劈刀的機械振動從而使金絲與鍵合區(qū)域產(chǎn)生分子間作用力形成鍵合力，金絲球焊形成的焊點如圖1所示。金絲球焊的鍵合過程如下：

（1）燒球：金絲從劈刀孔中伸出，打火桿靠近放電與金絲端頭形成電弧，金絲端頭由Q=I2Rt(式中：Q-燒球所需熱量；I-燒球電流；R-金絲的電阻；t-放電時間)熔化成金球；

（2）第一點鍵合：劈刀通過壓球并釋放超聲形成圓餅狀的焊點；

（3）拉絲：氣夾打開拉出金絲拱?。?/p>

（4）成?。涸诘诙c通過壓絲釋放超聲形成魚尾狀焊點；

（5）斷絲：劈刀上升的同時氣夾關(guān)閉金絲切斷，此后金絲再從劈刀孔中伸出開始下一個循環(huán)。金絲球焊過程如圖2所示。

(a) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ( b)

圖?1?金絲球焊形成的焊點

(a)燒球 ? ? ? ? ? ?(b)第一點鍵合 ? ? ? ? ?(c)拉絲

(d)成弧 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(e)斷絲

圖?2?金絲球焊的過程

2、金絲球焊的質(zhì)量評估

判斷金絲球焊質(zhì)量好壞的主要標準有：拉力測試、焊球高度、焊球剪切力測試。拉力測試用到的設(shè)備例如美國DAGE公司生產(chǎn)的TPXY-4000?型拉力剪切力測試儀，可進行破壞性和非破壞性試驗，將鉤針置于金絲弧度的最高處，非破壞性試驗緩慢增加鉤針拉力直至設(shè)定值，若金絲及焊點未拉脫，則符合質(zhì)量要求；破壞性試驗緩慢增加鉤針拉力直至金絲斷裂或焊點脫落，此時得到的拉力值即為鍵合拉力，可自動計算出最大值和最小值、平均值、CPK等重要技術(shù)指標。拉力測試如圖3所示。

圖?3?拉力測試

焊球的高度可通過如英國 CYBER SKAN激光測厚儀測量。將待測金球置于測試平臺，激光頭通過矩陣掃描的方式可測出焊球的高度。剪切力測試也可用到TPXY-4000測試儀，更換測試模塊成推刀，將推刀設(shè)定在離焊球底部 3-5um的高處，若焊球被全部推掉無殘留則表明金球與鍵合區(qū)域未發(fā)生分子間擴散，易產(chǎn)生虛焊，焊球剪切力不合格；若焊球殘留20%-50%，則表明分子間擴散充分，焊球剪切力合格。金球剪切力測試如圖 4所示。

圖?4剪切力測試

3、金絲球焊的失效模式

金絲球焊的主要失效模式包括：A 第一鍵合點(起點)脫落；B 第一鍵合點(起點)根部斷裂；C 引線斷裂；D 第二鍵合點(斷點)根部斷裂；E 第二鍵合點(斷點)脫落，如圖5所示，當失效模式為 A 或 E 時，視為不合格；另外， C為金絲鍵合最可靠的情形。

圖5 金絲球焊的失效模式

4、影響球焊可靠性的因素

1）影響球焊可靠性的主要因素

由前面的球焊過程可知，金絲球焊超聲焊接摩擦所需要的能量W 為：

W= A∫ uPfdt (1)

式(1)中：A-劈刀的振幅；u-摩擦系數(shù)；P-鍵合壓力；f-超聲功率；t-超聲時間

在實際生產(chǎn)過程中，摩擦系數(shù)由鍵合區(qū)域材料、表面的狀態(tài)所決定；焊接壓力由焊接區(qū)域表面硬度決定，可通過調(diào)節(jié)設(shè)備自身參數(shù)；劈刀的振幅由換能器變幅桿的設(shè)計所決定；超聲功率和時間可通過設(shè)備本身參數(shù)確定。經(jīng)過大量的實驗表明，在鍵合區(qū)域材料一定的情況下，鍵合力的形成主要與鍵合壓力P、超聲功率f、超聲時間t和加熱臺溫度有關(guān)。采用美國WESTBOND 7KE多功能鍵合機、CYBER SKAN激光測厚儀和TPXY-4000拉力剪切力測試儀分析25um金絲基于某型號LTCC基板的影響因素。

(1)鍵合壓力鍵合壓力使金球與鍵合區(qū)域接觸緊密接觸，為劈刀能量傳遞提供基礎(chǔ)，鍵合壓力直接影響焊接質(zhì)量：如果鍵合壓力過大，一方面會導致劈刀頭在鍵合區(qū)進深過大，影響劈刀震動，阻礙能量傳遞；另一方面會導致金球形變過大，造成金球與鍵合區(qū)域的有效接觸面積減小，影響鍵合力。而鍵合壓力過小，則會導致焊點不牢造成虛焊，影響電氣性能。對鍵合壓力進行單因素分析，設(shè)置鍵合壓力為 1-88N，每次增加 3N，超聲功率設(shè)定為205，超聲時間設(shè)定為 83ms，熱臺溫度 120℃，其余變量保持不變，測試 30根金絲球焊拉力實驗結(jié)果如圖 6所示。

圖 6 鍵合壓力對金絲球焊的影響

由圖 6結(jié)果可知，當鍵合壓力小于 15N時，拉力減小明顯甚至出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，鍵合壓力過大拉力一方面焊點外觀不合格另外鍵合力也會隨之減??；焊球高度隨鍵合壓力的增大逐漸減小；當壓力大于 25N時，焊球剪切力變化不明顯；所以當鍵合壓力應設(shè)置在 23-25N的區(qū)間之內(nèi)較為合適。

(2)超聲功率

超聲功率使劈刀產(chǎn)生機械振動以破壞鍵合區(qū)域表面的氧化層發(fā)生塑性形變，使金球與鍵合區(qū)域金屬可靠連接，形成鍵合力。如果超聲功率過大，則可能造成金球形變過大，造成絲徑處根部斷裂；如果超聲功率過小，則容易造成金球形變量不夠，無法與鍵合區(qū)形成合金，鍵合力不合格。對超聲功率進行單因素分析，設(shè)置超聲功率為 100-300，每次增加 10，鍵合壓力設(shè)定為 30N，超聲時間設(shè)定為 83ms，熱臺溫度 120℃，其余變量保持不變，測試 30根金絲球焊結(jié)果如圖 7所示。由圖 7結(jié)果可知，當超聲功率小于 40時，拉力不滿足要求；當功率大于 220時，剪切力急劇減小，因此功率設(shè)置在 130-220之間比較合適。

圖 7 超聲功率對拉力的影響

(3)超聲時間

超聲時間作用的時間越長，則金球吸收的能量越多，金球的形變量越大，與鍵合區(qū)域擴散越多附著力越好，但是過高的超聲時間容易導致金球絲徑處斷裂影響鍵合力，超聲時間過小則無法形成有效形變，鍵合力不合格。對超聲時間進行單因素分析，設(shè)置超聲時間為5-150ms，每次增加 5ms，超聲功率設(shè)定為 205，鍵合壓力設(shè)定為 30N，熱臺溫度 120℃，其余變量保持不變，測試 30根金絲球焊結(jié)果如圖 8所示。

圖?8?超聲時間對拉力的影響

由圖 8結(jié)果可知，當超聲時間小于30ms 時拉力減小，當超聲時間大于 30ms后變化不明顯，然而超聲時間大于100ms時集聚的能量過多，導致金球外觀發(fā)生了變化，超聲時間設(shè)置在 50-100ms比較合適。

(4)加熱臺溫度

一般來說，加熱臺溫度越高，焊接元器件表面的分子活動越劇烈，越容易與金球之間形成分子間擴散，鍵合的質(zhì)量也就越好。但是過高的溫度容易導致焊料的融化，所以鍵合熱臺溫度一般選定在 80-120℃之間。一般來說，金絲直徑越粗，所需的熱臺溫度也就越高。對加熱臺溫度進行單因素分析，設(shè)置加熱臺溫度為 5-150℃，每次增加 5℃，超聲功率設(shè)定為 205，超聲時間設(shè)定為83ms，鍵合壓力設(shè)定為 30N，其余變量保持不變，測試30根金絲球焊結(jié)果如圖 9所示。

圖?9加熱臺溫度對拉力的影響

由圖 9結(jié)果可知，當熱臺溫度過低，鍵合力較小，通常溫度設(shè)置在 80-120℃比較合適。

2)影響球焊可靠性的其他因素

(1)劈刀

劈刀是鍵合工序的關(guān)鍵工具，是一種耗材。金絲球焊通常使用陶瓷劈刀，當使用次數(shù)超過一定限制，陶瓷刀表面會出現(xiàn)磨損導致金球變形，焊接質(zhì)量明顯下降。通常球焊使用美國GAISER或日本 ADAMANT NAMIKI生產(chǎn)的陶瓷刀，使用壽命大約在 4-5萬個焊點。

(2)焊接區(qū)域表面

當焊接區(qū)域表面凹凸不平或者有多余物時，容易導致虛焊甚至無法焊接，也同樣會影響焊接質(zhì)量。

(3)金絲

金絲質(zhì)量的好壞直接影響鍵合質(zhì)量，一般選擇科寧公司生產(chǎn)的純度為 99.99%的金絲作為焊接材料，金絲的制作工藝、所含的微量元素不同導致延展率不同，一般來說， 1%-2.5%的金絲適用于楔形鍵合， 2%-6%的金絲適用于球形鍵合，金絲的表面要求光滑、無污染、無雜質(zhì)，否則會導致鍵合力和外觀不合格。

5、提高金絲球焊工藝的方法

（1）優(yōu)化設(shè)備參數(shù)

經(jīng)過大量生產(chǎn)實驗以及實際生產(chǎn)實踐，得出：設(shè)置鍵合壓力設(shè)定為 30N，超聲功率設(shè)定為 205，超聲時間為 83ms，熱臺溫度 120℃時，鍵合效果最好，可靠性較高。

（2）加焊安全球

之前提到，金絲球焊在第二點通過壓絲釋放超聲形成魚尾狀焊點，而這個魚尾狀的焊點僅是通過劈刀的邊緣壓絲形成的，在實際生產(chǎn)中，一般在這個魚尾狀焊點處加上一個安全球作為保障，以提高鍵合力。如圖 10所示。

圖?10加焊安全球

（3）鍵合前進行芯片等離子清洗

在焊接前可先用等離子清洗機清洗芯片和器件表面，去除多余物和沾污，以防止影響焊接，提高鍵合力和可靠性。

（4）檢驗

保證每日首件必檢，確認設(shè)備參數(shù)；生產(chǎn)過程中加大抽檢力度，采用破壞性與非破壞性試驗相結(jié)合的方法，也可引入加電測試和X光焊點檢測，及時調(diào)整生產(chǎn)狀態(tài)，保證球焊工藝。

6、結(jié)論

通過以上分析，在實際生產(chǎn)中優(yōu)化了工藝方法，使某型號成品合格率顯著提升，如表 1所示。

表?1工藝優(yōu)化前后的合格率對比

金絲球焊由多種因素共同影響作用而形成的，在實際研究生產(chǎn)中，經(jīng)過大量試驗，最終確定設(shè)備鍵合壓力設(shè)定為 30N，超聲功率設(shè)定為 205，超聲時間為 83ms，熱臺溫度 120℃時，鍵合效果最好，另外，還需考慮焊接區(qū)域表面、劈刀、金絲等多方面因素，經(jīng)過反復試驗驗證，才能提高金絲球焊鍵合質(zhì)量，提高可靠性和成品合格率。

　　審核編輯：湯梓紅