鋁質(zhì)焊盤的鍵合工藝

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姚友誼 吳琪 陽(yáng)微 胡蓉 姚遠(yuǎn)建

（成都西科微波通訊有限公司）

摘要：

從鋁質(zhì)焊盤鍵合后易發(fā)生欠鍵合和過(guò)鍵合的故障現(xiàn)象著手，就鋁焊盤上幾種常見鍵合方式進(jìn)行了探討，得出鍵合的優(yōu)先級(jí)為硅鋁絲超聲楔形鍵合、金絲熱聲球形鍵合、金絲熱壓楔形鍵合。對(duì)層狀結(jié)構(gòu)的焊盤在熱聲和熱壓鍵合的應(yīng)力仿真對(duì)比分析，得出鍵合各因素的重要性排序?yàn)槌暪β?、鍵合壓力、襯底加熱溫度和劈刀溫度。通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，找到鋁焊盤上較為適宜的鍵合方式及參數(shù)范圍，可大幅減小鋁焊盤鍵合后失鋁現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，對(duì)于鍍金小焊盤的鍵合，也可參考本方法來(lái)解決焊盤起層的問(wèn)題。

0 引言

引線鍵合是半導(dǎo)體集成電路封裝中被廣泛應(yīng)用的一種互聯(lián)工藝，引線鍵合的質(zhì)量直接影響電子電路的穩(wěn)定性和可靠性。內(nèi)引線材料主要有金絲、硅鋁絲、銅絲，一般軍品主要采用機(jī)械強(qiáng)度高、結(jié)合性好及物理性能穩(wěn)定的金絲，大功率器件和民品由于成本等原因主要采用摻雜硅的鋁絲 [1-2] 。目前，國(guó)內(nèi)集成電路芯片焊盤金屬化層基本上是鋁金屬層 [3] 。不同用戶在鋁焊盤上的引線互聯(lián)應(yīng)用有三種主要的方式：硅鋁絲楔焊、金絲球焊、金絲楔焊。本文從鋁焊盤上內(nèi)引線鍵合工藝方式出發(fā)，結(jié)合焊盤的結(jié)構(gòu)，對(duì)上述鍵合方式分別進(jìn)行了探討。

1 機(jī)理分析

1.1 鍵合類別

在多芯片組件裝配過(guò)程中，內(nèi)引線鍵合工藝按照工作原理可分為熱壓鍵合、超聲鍵合及熱超聲鍵合，三種鍵合方式的區(qū)別主要在于鍵合能量方式不同，熱振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)，或是兩者結(jié)合 [4] 。

1.2 鋁焊盤結(jié)構(gòu)

通常鋁焊盤的結(jié)構(gòu)依據(jù)芯片生產(chǎn)廠家的制備工藝方式不同略有不同，一種為Al/TiN/Ti/Si內(nèi)部填充W柱的立體結(jié)構(gòu)，另一種為Al/MoSi 2 /BPSG（Borophosphorosilicate Glass，硼硅酸鹽玻璃）/SiO 2 /Si的層狀結(jié)構(gòu)，后者焊盤結(jié)構(gòu)在鍵合時(shí)較為容易產(chǎn)生失鋁的故障 [5-6] 。兩種不同結(jié)構(gòu)的焊盤楔形鍵合后示意圖如圖1所示，焊盤結(jié)構(gòu)如圖2所示，焊盤材料及厚度見表1。

1.3 鍵合方式

1.3.1 硅鋁絲楔焊

硅鋁絲鍵合屬于超聲鍵合類別，即被鍵合件與鍵合引線均不需要加熱，采用超聲和壓力共用作用下完成的一種內(nèi)引線鍵合。由于微波組件內(nèi)使用不同種類的芯片，其焊盤材質(zhì)的特點(diǎn)也不盡相同，當(dāng)芯片的焊盤材質(zhì)為鋁時(shí)，必然會(huì)存在兩種狀態(tài)（鋁-鋁系統(tǒng)和鋁-金系統(tǒng)）。有研究證明：在鍵合金屬系統(tǒng)中，鋁-鋁系統(tǒng)特別可靠，無(wú)金屬件化合物和界面

腐蝕的問(wèn)題。在鋁焊盤芯片的鍵合互連中采用硅鋁絲是具有一定優(yōu)勢(shì)的，尤其是針對(duì)大功率高散熱、特殊使用環(huán)境和高可靠要求的情況。

芯片廠商在制作鋁金屬化層時(shí)，采用的工藝不同，鋁金屬層與其底層的黏附性能就會(huì)有差別，這就出現(xiàn)了有些工藝制作電路的鋁金屬化層在硅鋁絲超聲楔焊時(shí)容易出現(xiàn)失鋁的現(xiàn)象，如圖3所示。

1.3.2 金絲球焊

金絲球焊鍵合的優(yōu)點(diǎn)是鍵合速度快，從球的任意角度可以進(jìn)行鍵合，即第二鍵合點(diǎn)位置可以在第一鍵合點(diǎn)的任意方向。同時(shí)，金絲球焊對(duì)焊盤的沖擊作用較小。對(duì)熱超聲金絲球焊的研究表明 [7-8] ：開始鍵合階段，彈性鍵合金球在瓷嘴的垂直位移作用下與焊盤開始接觸，瓷嘴尖端的金球在壓力下成一個(gè)圓環(huán)分布式應(yīng)力，圓環(huán)中心部分應(yīng)力最大，外圍應(yīng)力最小。隨著鍵合過(guò)程逐步進(jìn)展，瓷嘴垂直向下位移的增加，中心最大壓應(yīng)力區(qū)域慢慢向外擴(kuò)展，圓環(huán)外圍壓應(yīng)力也在逐漸變大，同時(shí)金球與焊盤的接觸面積也漸漸增大。在鍵合的最后階段，金球底部壓應(yīng)力受振動(dòng)的影響幾乎為零，壓應(yīng)力大小隨圓環(huán)半徑的增加而減小。但是，如果鍵合參數(shù)設(shè)置不合理，金絲球焊鍵合過(guò)程也出現(xiàn)失鋁的現(xiàn)象，如圖4所示。

1.3.3 金絲楔焊

金絲楔焊主要分為熱聲鍵合和熱壓鍵合兩種類別，目前熱聲鍵合應(yīng)用較為廣泛 [9] 。微波組件內(nèi)的部分芯片使用金絲熱聲鍵合時(shí)，其產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)上對(duì)鍵合條件比較特殊，具體要求表現(xiàn)為：1）劈刀尖端溫度高達(dá)180 ℃；2）襯底溫度160 ℃。通常情況下，鍵合設(shè)備劈刀刀尖的溫度很難達(dá)到，以WESTBOND MODEL 7476E型設(shè)備為例，劈刀尖端溫度最高溫度為131 ℃。由于微波組件裝配過(guò)程的溫度梯度設(shè)計(jì)，鍵合工序中產(chǎn)品襯底溫度一般為150 ℃。上述條件均難以達(dá)到芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中的鍵合條件的要求。

與此同時(shí)，部分芯片使用手冊(cè)中建議在使用金絲楔形鍵合時(shí)需采用盡可能小的超聲波能量，但并未對(duì)其進(jìn)行大致范圍的量化。這就容易造成在實(shí)際鍵合過(guò)程中，鋁焊盤上易發(fā)生欠鍵合或過(guò)鍵合的故障 [10] 。有研究表明，當(dāng)超聲功率設(shè)置較小和溫度較低時(shí)，鋁焊盤上金絲楔形鍵合強(qiáng)度很小，此時(shí)的鍵合屬于欠鍵合。當(dāng)超聲功率設(shè)置較大和溫度較高時(shí)，鍵合強(qiáng)度下降甚至導(dǎo)致鋁焊盤剝離，此時(shí)的鍵合屬于過(guò)鍵合，典型的鋁焊盤金絲楔形鍵合故障如圖5所示。

1.4 鍵合因素的影響分析

匯總上述三種鍵合工藝的主要特點(diǎn)，見表2。

由表2可知，熱聲鍵合的因素涉及較為全面，可作為研究對(duì)象開展上述各因素重要性的研究。

1.4.1 熱聲楔形鍵合分析

本著簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和減少計(jì)算量的角度出發(fā)，選擇對(duì)鋁焊盤上的金絲熱聲楔形鍵合開展仿真分析，選擇II類焊盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。焊點(diǎn)變形量依據(jù)GJB548B方法2017.1 內(nèi)部目檢（混合電路）3.1.5.2楔形鍵合的外觀要求：鍵合寬度小于引線直徑的1.2倍或大于3.0倍，或者其長(zhǎng)度小于引線直徑的0.5倍，或者沒(méi)有工具壓痕，均不得接受。材料參數(shù)見表3。

以常用的熱聲鍵合參數(shù)進(jìn)行仿真分析，工具及材料等參數(shù)見表4。

熱聲鍵合后焊盤XY方向應(yīng)力如圖6所示，劈刀機(jī)械振動(dòng)方向?yàn)閄方向。

熱聲鍵合過(guò)程中，焊盤表面承受的應(yīng)力并不均勻，呈現(xiàn)四周大于中間的現(xiàn)象，尤其沿劈刀機(jī)械振動(dòng)方向；焊盤受金絲變形的壓力作用產(chǎn)生較大的應(yīng)力，沿著Z軸方向逐漸減??；當(dāng)焊盤受到較大應(yīng)力作用時(shí)，裂紋極易從內(nèi)部鵬硅酸鹽邊緣或外部鋁層的高應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生、擴(kuò)展；當(dāng)焊盤受到極大應(yīng)力作用后，裂紋直接在高應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生，導(dǎo)致整個(gè)焊點(diǎn)失鋁的現(xiàn)象發(fā)生。典型故障現(xiàn)象如圖7所示。

1.4.2 熱壓楔形鍵合分析

取消超聲功率的作用，其余參數(shù)固定不變但逐漸增加壓力參數(shù)直至其原有設(shè)定值的2.5倍，焊點(diǎn)變形量達(dá)圖6，仿真結(jié)果如圖8所示。

對(duì)比圖6和圖8可知：1）熱壓鍵合后焊盤受到的應(yīng)力分布與熱超聲鍵合類似，四周應(yīng)力大于中心部位；2）熱壓鍵合后焊盤受到的應(yīng)力分布僅是熱聲鍵合的10.7%。

基于上述仿真參數(shù)設(shè)置并進(jìn)一步仿真計(jì)算，得出鍵合三個(gè)主要因素（壓力 F 、熱臺(tái)溫度 T s 和劈刀溫度 T w ）。在固定兩因素后，剩余因素帶來(lái)的焊點(diǎn)變形量對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖9所示。

壓力 F 的增加導(dǎo)致金絲變形量巨大且呈線性關(guān)系，曲線斜率較大；熱臺(tái)溫度 T s 的增加會(huì)適當(dāng)增加金絲變形量，但其在170 ℃前變化不明顯，170~200 ℃變化較大，但整體依然不明顯；劈刀溫度 T w 的增加會(huì)適當(dāng)增加金絲變形量，但不明顯。

1.4.3 小結(jié)

綜上所述，鍵合各因素的增加均會(huì)帶來(lái)金絲變形量的增加，其影響大小分別為 P ＞ F

＞ T s ＞ T w 。

2 試驗(yàn)與結(jié)果

2.1 硅鋁絲超聲鍵合

由于鋁金屬層存在不同的厚度（不同的廠家生產(chǎn)），超聲功率和壓力等引線鍵合機(jī)的參數(shù)就必須做出相應(yīng)的調(diào)整，以生產(chǎn)出有相同鍵合強(qiáng)度和焊點(diǎn)尺寸的鍵合引線。以線徑25 μm的硅鋁絲為例，通過(guò)對(duì)焊接參數(shù)的調(diào)整（超聲功率為1.2~1.5 W、壓力為23~45 cN），鍵合后如圖10所示。

2.2 金絲球形熱聲鍵合

以線徑25 μm的金絲為例，通過(guò)對(duì)其主要的鍵合參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，超聲功率控制在1.3~1.6 W、焊接時(shí)間控制在80~150 ms、焊接壓力在20~40 cN，鍵合后如圖11所示。

2.3 金絲楔形熱壓鍵合

去除超聲功率的作用，在襯底加熱溫度設(shè)置為150 ℃、壓力增加約95%的基礎(chǔ)上，鋁焊盤鍵合金絲無(wú)異常，鍵合示意圖如圖12所示。

2.4 應(yīng)用擴(kuò)展

同理，對(duì)于鍍金小焊盤（焊盤直徑≤25 μm）的鍵合，也可采用上述鍵合的方式來(lái)有效解決焊盤起層這一問(wèn)題，鍵合后如圖13所示。

3 結(jié)論

本文從鋁質(zhì)焊盤鍵合后易發(fā)生欠鍵合和過(guò)鍵合的故障現(xiàn)象著手，就鋁焊盤上幾種常見鍵合方式進(jìn)行了探討，得出鍵合的優(yōu)先級(jí)為硅鋁絲超聲楔形鍵合、金絲熱聲球形鍵合、金絲熱壓楔形鍵合。對(duì)層狀結(jié)構(gòu)的焊盤在熱聲和熱壓鍵合的應(yīng)力仿真對(duì)比分析，得出鍵合各因素的重要性排序?yàn)槌暪β?、鍵合壓力、襯底加熱溫度和劈刀溫度。通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，找到鋁焊盤上較為適宜的鍵合方式及參數(shù)范圍，可大幅減小鋁焊盤鍵合后失鋁現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，對(duì)于鍍金小焊盤的鍵合，也可參考本方法來(lái)解決焊盤起層的問(wèn)題。

審核編輯 黃宇