金絲鍵合的主要過程和關(guān)鍵參數(shù)

文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：趙先生

本文介紹了金絲鍵合的主要過程和關(guān)鍵參數(shù)。

工藝步驟

1. 主要過程

金絲鍵合主要依靠熱超聲鍵合技術(shù)來達(dá)成。熱超聲鍵合融合了熱壓鍵合與超聲鍵合兩者的長處。通常情況下，熱壓鍵合所需溫度在300℃以上，而在引入超聲作用后，熱超聲鍵合所需溫度可降至200℃以下。如此一來，金絲鍵合工藝便能與其他耐受溫度在300℃以下的微組裝工藝相互適配，在高可靠集成電路封裝領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。

在整個鍵合流程里，超聲發(fā)揮著舉足輕重的作用。由于劈刀會對鍵合絲施加一定壓力，當(dāng)超聲功率開啟時，劈刀會帶動鍵合絲在電極表面進(jìn)行來回摩擦。在負(fù)載的影響下，鍵合絲吸收超聲能量，促使鍵合絲與焊盤表面產(chǎn)生塑性形變。與此同時，超聲能夠破除表面的氧化膜，使?jié)崈舻谋砻娴靡燥@露，讓兩個純粹的金屬面緊密貼合，借助原子間的引力實(shí)現(xiàn)鍵合。

金絲鍵合主要涵蓋燒球、第一點(diǎn)鍵合、拉弧、第二點(diǎn)鍵合以及拉斷尾線這五個流程，圖1展示了金絲鍵合的主要參數(shù)與鍵合絲之間的對應(yīng)關(guān)系。圖中，BITS（Bond Integrity Test System）指的是鍵合完整性測試系統(tǒng)。

圖 1 ：金絲鍵合的主要參數(shù)與鍵合絲之間的對應(yīng)關(guān)系

2. 第一點(diǎn)鍵合

在進(jìn)行第一點(diǎn)鍵合之前，首先要完成自由空氣球（Free Air Ball，F(xiàn)AB）的燒制。如今的金絲鍵合機(jī)，大多借助電子打火（Electrical Flame-Of，EFO）系統(tǒng)將金絲末端熔化為一個金球。放電距離以及放電參數(shù)會決定金球的大小與形狀。燒球完成后，金球在劈刀的帶動下向下移動，與此同時，線夾打開，使金球緊緊貼近劈刀孔內(nèi)的斜面，為開啟第一點(diǎn)鍵合做好準(zhǔn)備。

圖2呈現(xiàn)的是金絲鍵合的第一點(diǎn)鍵合工藝過程。第一點(diǎn)鍵合啟動時，劈刀帶動金球不斷下降，直至金球與焊盤相接觸。劈刀下降的這一過程可分為兩個階段：起初是高速運(yùn)動，當(dāng)達(dá)到快要與焊盤接觸的高度（一般稱作搜索高度，屬于預(yù)設(shè)參數(shù)）時，速度會變?yōu)橐粋€極慢的常數(shù)（10^-2^m/s級）；隨后，劈刀將金球按壓在焊盤上。在劈刀下降沖擊以及壓力的雙重作用下，實(shí)際的FAB直徑也會發(fā)生改變。當(dāng)FAB與焊盤接觸時，第一鍵合點(diǎn)開始逐步形成，劈刀運(yùn)用一定的鍵合力以及持續(xù)一定時間的超聲能量，將FAB壓在焊盤上，金球被壓扁，從而形成變形球（Mashed Ball，MB），第一鍵合點(diǎn)就此成型。

圖2：金絲鍵合的第一點(diǎn)鍵合工藝過程

依據(jù)鍵合原理，第一點(diǎn)鍵合過程可細(xì)分為3個階段，如圖3所示。在第一階段，初始的FAB發(fā)生變形，并且其表面被清理干凈。到了第二階段，變形與清理仍在持續(xù)，F(xiàn)AB在鍵合界面上產(chǎn)生滑動，一些微觀焊接區(qū)域開始形成。在最后階段，微觀焊接區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒂^焊點(diǎn)，F(xiàn)AB/焊點(diǎn)被穩(wěn)固地固定在鍵合界面上。鍵合超聲與壓力加速了原子擴(kuò)散，使FAB軟化并塑形，最終形成焊點(diǎn)。實(shí)際上，這三個過程的起始與結(jié)束很難做到精確區(qū)分，尤其是第二和第三個階段，從滑移到粘連的轉(zhuǎn)變較為模糊。有研究文獻(xiàn)指出，可將劈刀下降沖擊階段視作第一階段，焊球與焊盤接觸為第二階段，超聲鍵合則是第三階段。

圖3：第一鍵合點(diǎn)形成的三個階段

第一點(diǎn)鍵合完成后，劈刀向上抬起，緊接著向第二點(diǎn)鍵合位置移動，形成線弧，進(jìn)而為第二點(diǎn)鍵合做好準(zhǔn)備。

3. 第二點(diǎn)鍵合

圖4展示了金絲鍵合的第二點(diǎn)鍵合及后續(xù)工藝過程。當(dāng)劈刀移動至第二鍵合點(diǎn)焊盤上方時，第二點(diǎn)鍵合便正式啟動。劈刀開始下降，來自劈刀的引線突出部分率先與焊盤表面接觸，隨后超聲振動通過劈刀施加，以此完成第二點(diǎn)鍵合。由于第二鍵合點(diǎn)的形狀特征，它也被稱作月牙鍵、魚尾鍵或者魚尾楔焊等。完成第二點(diǎn)鍵合后，當(dāng)劈刀抬起至預(yù)先設(shè)定的尾線長度時，線夾隨即關(guān)閉，接著劈刀和線夾繼續(xù)向上運(yùn)動，將線拉斷。

圖4：金絲鍵合的第二點(diǎn)鍵合及后續(xù)工藝過程

在第二點(diǎn)鍵合結(jié)束后，劈刀繼續(xù)上升，同時將金絲高度大幅降低，以便打火桿能夠制造另一個自由空氣球（FAB），至此鍵合機(jī)便準(zhǔn)備好進(jìn)入新一輪的鍵合循環(huán)。

4. 劈刀運(yùn)動

在金絲鍵合的循環(huán)進(jìn)程中，劈刀的位置高度和運(yùn)動速度處于不斷變化的狀態(tài)，具體如圖5所示。

圖5：鍵合循環(huán)中劈刀高度位置和運(yùn)動速度圖

過程?既是循環(huán)的起始，也是循環(huán)的終結(jié)，此為FAB的形成階段。在此階段，劈刀的高度和速度保持恒定，由打火桿負(fù)責(zé)完成金絲尾線的燒球操作。

過程①-③屬于第一點(diǎn)鍵合階段，劈刀完成從第一鍵合點(diǎn)上方下降，并與焊盤沖擊接觸的過程。劈刀從燒球高度下降至搜索高度，最后在接近焊盤的過程中，接近速度逐漸減慢，直至變形球（MB）與焊盤實(shí)現(xiàn)良好接觸，完成第一點(diǎn)超聲鍵合。

過程④-⑥是劈刀牽引金絲完成拉弧線的過程。劈刀首先垂直抬起，使劈刀頭的內(nèi)、外切面與焊球分離。隨后，為形成有效的線弧高度，先朝著與第二鍵合點(diǎn)相反的方向水平拉線，再垂直抬升至設(shè)定線弧參數(shù)的最高點(diǎn)，達(dá)到最高點(diǎn)后，朝著第二鍵合點(diǎn)移動，直至其上方區(qū)域。

過程⑦-⑨階段，劈刀搜索第二鍵合點(diǎn)焊盤并下降，待金絲與焊盤實(shí)現(xiàn)良好接觸后，完成第二點(diǎn)超聲鍵合。

過程⑩-?為拉斷尾線階段，劈刀與線夾協(xié)同配合，拉斷尾線，形成魚尾狀的第二鍵合點(diǎn)，隨后劈刀帶著尾線上升，準(zhǔn)備開啟新一輪的鍵合循環(huán)。

關(guān)鍵參數(shù)

影響金絲鍵合質(zhì)量的因素繁雜多樣，外部因素主要涵蓋焊盤基板材質(zhì)、鍍層厚度、鍍層質(zhì)量以及劈刀狀態(tài)等，而關(guān)鍵工藝參數(shù)則包括超聲功率、鍵合壓力、鍵合時間、鍵合溫度等。

1.超聲功率

超聲功率在鍵合焊點(diǎn)變形以及與焊盤的結(jié)合過程中起著主導(dǎo)性作用，對鍵合外觀和質(zhì)量的影響最為顯著。若功率過小，會致使鍵合點(diǎn)變形不充分，無法形成牢固的鍵合；而功率過大，則會造成鍵合點(diǎn)變形過度、根部變薄，容易引發(fā)斷裂，甚至出現(xiàn)鍵合塌陷或焊盤破裂等問題。

有研究人員以直徑25μm的金絲作為試驗(yàn)對象，深入分析了超聲功率與鍵合強(qiáng)度之間的關(guān)聯(lián)，具體如圖6所示。研究表明，一般在陶瓷基板上，直徑25μm金絲鍵合時，相對超聲功率通?？刂圃?%-20%的區(qū)間范圍內(nèi)，如此便能獲得較為理想的鍵合強(qiáng)度數(shù)值。

需要留意的是，通常全自動鍵合機(jī)能夠直接設(shè)定所需的超聲電流或者超聲電壓，而大部分手動鍵合機(jī)和半自動鍵合機(jī)則是通過設(shè)定輸出功率占最大輸出功率的百分比來調(diào)控鍵合功率。

圖6：超聲功率與鍵合強(qiáng)度關(guān)系

2. 鍵合壓力

壓力是超聲鍵合不可或缺的條件，其作用在于促使金絲與焊盤緊密接觸。壓力對鍵合點(diǎn)的形貌（主要體現(xiàn)為寬度）有著重要影響。倘若壓力過大，金絲變形程度加劇，可能會切斷金絲，或者破壞焊盤金屬化層，進(jìn)而導(dǎo)致焊接不可靠；而壓力過小，劈刀就無法穩(wěn)固地壓住金絲，超聲功率也就無法有效地傳遞至金絲與電極金屬化層的交界面，致使金絲與焊盤之間無法產(chǎn)生相對摩擦。

同時，壓力與功率雖是兩個相互獨(dú)立的參數(shù)，但彼此之間存在相互影響。具體而言，劈刀、鍵合絲、焊盤三者之間的界面運(yùn)動可分為兩個階段：首先，劈刀帶動鍵合絲在焊盤表面摩擦，逐步構(gòu)建起鍵合絲與焊盤之間的界面連接，并最終趨于穩(wěn)定；隨后，鍵合絲與劈刀開始出現(xiàn)相對運(yùn)動，焊點(diǎn)上端的形貌得以形成。當(dāng)壓力增大時，鍵合絲與焊盤界面的摩擦力隨之增加，這相當(dāng)于增大了超聲運(yùn)動的阻力，也就等同于減小了超聲功率。

通過對直徑25μm金絲的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力極小時，無法實(shí)現(xiàn)鍵合；當(dāng)壓力達(dá)到一定程度后，鍵合絲和焊點(diǎn)的形貌均能滿足要求，同時鍵合強(qiáng)度會隨著壓力的增加而顯著提升；當(dāng)鍵合強(qiáng)度達(dá)到最大值后，若繼續(xù)增大壓力，鍵合強(qiáng)度則趨于平穩(wěn)，如圖7所示。

圖7：壓力與鍵合強(qiáng)度關(guān)系

3. 鍵合時間

鍵合時間與超聲功率作用于焊盤上的總能量密切相關(guān)，通常以毫秒為單位計量。一般情況下，鍵合時間越長，金絲的變形就越嚴(yán)重，鍵合點(diǎn)的結(jié)合面積越大，界面強(qiáng)度會增強(qiáng)，但頸縮部位的強(qiáng)度會降低；若鍵合時間過短，超聲能量施加不足，焊盤表面的氧化層難以被破除，潔凈的金屬表面不易露出，從而導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度過低。

研究人員繼續(xù)采用相對超聲功率設(shè)定為20%、鍵合壓力設(shè)定為0.18N的參數(shù)，使用直徑25μm金絲開展超聲時間與鍵合強(qiáng)度關(guān)系的試驗(yàn)。結(jié)果顯示，當(dāng)鍵合時間極小時，鍵合難以達(dá)成。隨著鍵合時間的增加，鍵合強(qiáng)度大幅上升。當(dāng)鍵合強(qiáng)度達(dá)到最大值時，觀察鍵合絲和焊點(diǎn)的形貌，均符合要求。隨著鍵合時間進(jìn)一步增加，鍵合強(qiáng)度趨于平緩，如圖8所示。

圖8：超聲時間與鍵合強(qiáng)度關(guān)系

4. 鍵合溫度

有資料表明，對于鍵合焊點(diǎn)的形成，鍵合溫度的影響比超聲能量更為顯著。加熱能夠?yàn)殒I合位置提供額外的能量，所以，鍵合溫度越高，形成鍵合所需的超聲能量就越低，這使得引線鍵合擁有了更為寬泛的工藝窗口，如圖9所示。正確的加熱方式能夠增強(qiáng)焊點(diǎn)處金屬原子的活性，有利于微觀塑性變形，進(jìn)而提高焊點(diǎn)的鍵合強(qiáng)度。同時，提高鍵合溫度，鍵合反應(yīng)速率會加快，完成鍵合所需的時間也就越短。

圖9：金絲在鋁金屬層上熱超聲鍵合工藝窗口