研究影響球焊可靠性的主要因素和工藝改進(jìn)方法

作者：吳竹楠，張艷輝，賈少雄，李俊

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(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于微電子產(chǎn)品當(dāng)中。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，由于金絲球焊工藝復(fù)雜、影響因素多導(dǎo)致成品合格率較低。本文詳細(xì)分析了金絲球焊的鍵合過程、質(zhì)量評估標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)方法，對于實(shí)際科研生產(chǎn)提高成品合格率具有一定的指導(dǎo)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(shí)驗(yàn)室的JE Clank提出，通過施加壓力，超聲功率轉(zhuǎn)化成劈刀的機(jī)械振動(dòng)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(diǎn)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(shí)間)熔化成金球；

（2）第一點(diǎn)鍵合：劈刀通過壓球并釋放超聲形成圓餅狀的焊點(diǎn)；

（3）拉絲：氣夾打開拉出金絲拱?。?/p>

（4）成?。涸诘诙c(diǎn)通過壓絲釋放超聲形成魚尾狀焊點(diǎn)；

（5）斷絲：劈刀上升的同時(shí)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(gè)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(diǎn)

(a)燒球(b)第一點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行破壞性和非破壞性試驗(yàn)，將鉤針置于金絲弧度的最高處，非破壞性試驗(yàn)緩慢增加鉤針拉力直至設(shè)定值，若金絲及焊點(diǎn)未拉脫，則符合質(zhì)量要求；破壞性試驗(yàn)緩慢增加鉤針拉力直至金絲斷裂或焊點(diǎn)脫落，此時(shí)得到的拉力值即為鍵合拉力，可自動(dòng)計(jì)算出最大值和最小值、平均值、CPK等重要技術(shù)指標(biāo)。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(kuò)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(kuò)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(diǎn)(起點(diǎn))脫落；B第一鍵合點(diǎn)(起點(diǎn))根部斷裂；C引線斷裂；D第二鍵合點(diǎn)(斷點(diǎn))根部斷裂；E第二鍵合點(diǎn)(斷點(diǎn))脫落，如圖5所示，當(dāng)失效模式為A或E時(shí)，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(shí)間

在實(shí)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(jì)所決定；超聲功率和時(shí)間可通過設(shè)備本身參數(shù)確定。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)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(shí)間t和加熱臺溫度有關(guān)。采用美國WESTBOND 7KE多功能鍵合機(jī)、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(dǎo)致劈刀頭在鍵合區(qū)進(jìn)深過大，影響劈刀震動(dòng)，阻礙能量傳遞；另一方面會導(dǎo)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(dǎo)致焊點(diǎn)不牢造成虛焊，影響電氣性能。對鍵合壓力進(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(dāng)鍵合壓力小于15N時(shí)，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(diǎn)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(dāng)壓力大于25N時(shí)，焊球剪切力變化不明顯；所以當(dāng)鍵合壓力應(yīng)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(jī)械振動(dòng)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(jìn)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(shí)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(dāng)超聲功率小于40時(shí)，拉力不滿足要求；當(dāng)功率大于220時(shí)，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(shí)間

超聲時(shí)間作用的時(shí)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(kuò)散越多附著力越好，但是過高的超聲時(shí)間容易導(dǎo)致金球絲徑處斷裂影響鍵合力，超聲時(shí)間過小則無法形成有效形變，鍵合力不合格。對超聲時(shí)間進(jìn)行單因素分析，設(shè)置超聲時(shí)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(shí)間對拉力的影響

由圖8結(jié)果可知，當(dāng)超聲時(shí)間小于30ms時(shí)拉力減小，當(dāng)超聲時(shí)間大于30ms后變化不明顯，然而超聲時(shí)間大于100ms時(shí)集聚的能量過多，導(dǎo)致金球外觀發(fā)生了變化，超聲時(shí)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(dòng)越劇烈，越容易與金球之間形成分子間擴(kuò)散，鍵合的質(zhì)量也就越好。但是過高的溫度容易導(dǎo)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(jìn)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(shí)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(dāng)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(dāng)使用次數(shù)超過一定限制，陶瓷刀表面會出現(xiàn)磨損導(dǎo)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(gè)焊點(diǎn)。

(2)焊接區(qū)域表面

當(dāng)焊接區(qū)域表面凹凸不平或者有多余物時(shí)，容易導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)以及實(shí)際生產(chǎn)實(shí)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(shí)間為83ms，熱臺溫度120℃時(shí)，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(diǎn)通過壓絲釋放超聲形成魚尾狀焊點(diǎn)，而這個(gè)魚尾狀的焊點(diǎn)僅是通過劈刀的邊緣壓絲形成的，在實(shí)際生產(chǎn)中，一般在這個(gè)魚尾狀焊點(diǎn)處加上一個(gè)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(jìn)行芯片等離子清洗

在焊接前可先用等離子清洗機(jī)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(yàn)

保證每日首件必檢，確認(rèn)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(yàn)相結(jié)合的方法，也可引入加電測試和X光焊點(diǎn)檢測，及時(shí)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(shí)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(shí)際研究生產(chǎn)中，經(jīng)過大量試驗(yàn)，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(shí)間為83ms，熱臺溫度120℃時(shí)，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(fù)試驗(yàn)驗(yàn)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：郭婷