微波电路引线键合质量的影响因素分析_胡蓉

微波电路引线键合质量的影响因素分析_胡蓉 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 微波电路引线键合质量的影响因素分析_胡蓉 DOI:10.14176/j.issn.1001-3474.2009.02.011 92 电子工艺技术第30卷第2期 ElectronicsProcessTechnology2009年3月 微波电路引线键合质量的影响因素分析 胡蓉,徐榕青,李悦 (西南电子设备研究所,四川 成都 610036) 摘 要:在一级封装的三种实现电气连接的互连方法中,内引线键合是一种传统的最成熟的技 术。其工艺主要分为球焊与楔焊,其中后者由于焊点较小,适用于微波混合电路的组装。从工艺的角度出发,明确了除引线键合参数(超声频率和功率、温度、压力、时间)的设置以外,键合表面与界面的问题对引线键合的质量影响极大,并分别从键合材料的选用、键合表面的状态、键合工具的选型等三方面进行论述。同时结合实际工作,对常见的键合问题与原因分析以及引线键合质量评估的方法进行了说明。 关键词:引线键合;楔;键合参数;表面与界面;拉力测试 中图分类号:TN454 文献标识码:A 文章编号:1001-3474(2009)02-0092-04 EffectFactorsAnalysisofWireBonding —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ QualityonMicrowaveCircuit HURong,XURong-qing,LIYue (South-westInstituteofElectronicEquipment,Chengdu 610036,China) Abstract:Wirebondingisatraditionalmethodandthemostmaturetechnologyofthethreeintercon- nectionmethodsinthemicroelectronicassemblies.Itstwotypesofmainweldingtechnologyareballbondandwedgebond,andthelatterforhybridmicrowavecircuitassemblyduetothesmallerspot.Fromthetechnologypointofviewissuitable,thebondingsurfaceandinterfaceproblemsforwirebondingarebe-lievedthathavegreatlyinfluenceonthequality,exceptthesettingsofbondingparameters(ultrasonicfrequencyandpower,temperature,pressure,timeandsoon).Thechoiceofbondingmaterials,thesur-facesofthebonding,theselectionofbondingtoolsandsoonarediscussed.Thenthereasonforthecom-monbondingproblemsareanalysedintheactualworkandtheassessmentmethodsforthequalityofwirebondingarepresented. Keywords:Wirebonding;Wedges;Bondingparameters;SurfaceandInterface;Pulltest DocumentCode:A —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ArticleID:1001-3474(2009)02-0092-04 几乎所有的电子元器件和集成电路,都只有通 过互连(欧姆接触型互连),才能正常地发挥其作用 与功能。目前元器件的失效在很大程度上(1/4, 1/3)是由于互连不好所引起的,故芯片互连质量对 器件的长期使用可靠性影响较大。 在一级封装中,有三种实现电气连接的键合方 法(内引线WB、自动载带TAB、倒装FC),内引线键合(以下简称引线键合)技术虽然传统,但是其工艺、设备成熟,适用性强,且芯片较易获得,故仍然应用广泛。所谓引线键合,就是将已安装好的裸芯片与电路板上相应的金属化电极区,在专用设备提供的热、压力和/或超声能量的共同作用下,用金属细丝(引线)连接(压焊)起来的一种电子互连技术,是一个作者简介:胡蓉(1976-),女,毕业于合肥工业大学,工程师,主要从事微组装工艺研究工作。 2009年3月 胡蓉等:微波电路引线键合质量的影响因素分析93 金属原子“扩散”、“嵌合”的过程。 它有两种基本形式:球焊与楔焊,见表1。其中,由于球焊的键合工具不需旋转,键合速度快,被广泛应用于自动化生产中,但因其焊点面积较大(引线直径变形60%,80%),相应间距也略大(100μm),在微波电路上很少使用;而楔焊具有键合微小引线间距(50μm)的能力,焊点处引线直径变形仅为25%,30%,寄生效应相对较小,适用于微波电路的—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 互连。结合实际应用,本文主要讨论引线(楔)键合。 表1 两种引线键合形式 键合形式球焊楔焊 键合工艺 键合工具 引线Au 焊盘Al,Au 速度v/ -1 (线?s104 除了考虑成本以外,引线材料(Au丝或Al丝) 的选择主要还是根据引线与电极金属化层之间的金属学系统来确定。从原理上讲,当然同种金属间键合的可靠性最好。因为许多双金属界面处都会形成Kirkendall扩散,使界面发生移动,并且在界面附近产生附加应力和疏孔。而疏孔吸附了水汽、工业污染气体SOO2、C2等之后,易在界面处构成原电池,致使两种金属的交界面处被腐蚀,这种界面对附着力、噪声、接触电阻等也有很大影响。 Au具有良好的导电性,能抗蚀抗氧化,所以在微电路制造过程中一般作为导电带的表面薄膜;而微波电路又多使用砷化镓芯片,其电极表面也是Au,故Au丝是最理想的互连材料。因为是同种金属键合(Au-Au系统),具有键合相容性,没有界面腐蚀、金属间化合物形成等问题,其可靠性非常好。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 对于少数电极表面是Al的硅芯片,若采用Au丝,芯片上必然会出现异种金属间的键合(Au-Al系统)。如前所述,这一系统将不可避免地导致Kirkendall扩散,生成Au-Al金属间化合物(共存在5种,主要是AuAlul,在有水膜和酸根2和A5A2)存在的情况下组成Au-Al原电池,腐蚀Al电极,减弱键合机械强度,最终造成互连失效。 由于Kirkendall空洞随着温度和时间的增加而加速生长,因此在应用这一系统时,要特别注意不能在高温下长时间键合和使用,同一电路上应最后键合Al电极上的Au丝,而且后期还需要气密性封装等,否则会带来可靠性问题。此外,Au丝的某些特定掺杂也会减缓Au-Al金属间化合物的生长。1.2 键合表面的质量 键合表面的质量主要包括物理状态和清洁程度。如果质量欠佳,势必会影响可焊性、附着力、接触电阻、噪声、老化性能等。 1.2.1 物理状态 微波电路板主要有薄膜、厚膜、LTCC以及微波印制(杜洛埃)等四类,其表面Au层厚度、纯度、均匀性、附着力、表面凹凸以及颗粒形状等都会对引线键合产生影响。因此,要提高键合强度,必须对电路制造工序提出相应的要求。如Au层不能太薄;杜洛埃电路的Au层与Cu层之间要加过渡层,以防止Cu扩散到Au表面;在LTCC电路引线键合部位,还要尽量避免设置“埋孔”,以保持键合电极表面平滑等。 Au丝的物理状态主要与选型有关,通常根据实:由于Au延展率”T/C,TT/S,U楔 Au,AlAl,Au —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 1 键合质量影响因素 引线键合失效主要表现为引线过长过松导致的塌陷短路;引线过紧导致的热机械应力拉断;参数过 大导致的引线过分变形而断裂,或键合强度减小;参数过小,或键合表面“太脏”导致的虚焊等。其中,有些问题可在产品设计阶段提前考虑而避免,如引线跨距应小于100D(引线直径)、选用引线的熔断电流必须满足要求等。本文重点在键合工艺。 根据引线键合的工作原理可知,键合参数(超声频率和功率、温度、压力、时间)直接控制键合的质量和可靠性,如前所述,其过大或过小都会影响键合质量。而在实际生产中,键合参数要根据不同的键合表面与界面(包括电极金属化层、引线、劈刀等)来设置,并常常利用检测手段和统计工具来不断优化。因此要获得良好的键合,必须首先重视有关键合表面与界面的问题—键合材料的选用、键合表面的状态、键合工具的选型等。 下面就分别从以上三方面来分别阐述。1.1 键合材料的选用 键合材料包括引线和电极金属化层,它们之间所发生的随时间和温度变化的化学反应是影响键合可靠性的最主要因素,必须谨慎选择和应用。 楔键合主要选用Au丝或Al丝,见表1,前者的键合强度和熔断电流略大于后者。它们都具备以下特性满足互连的基本要求:能与半导体材料形成低电阻的欧姆接触;化学性能稳定,不会形成有害的金属间化合物;与半导体材料的结合力强;电导率高,导电能力强;可塑性好,易—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 于键合,并能保持一定的 94 电子工艺技术 第30卷第2期 会影响超声能量的传递,因此应按照厂家的推荐值来选用和调整等。1.2.2 清洁程度 除了材料本身的问题,键合表面上的杂质污染同样会使互连金属接触不好,促使附着力明显减小,接触电阻增大,抗蚀性能变差等。如工艺过程污染或残留在键合位置上的Cl或Br会导致形成氯化物或溴化物,腐蚀键合点,是引线键合可焊性和可靠性下降的一个主要原因;另外,采用环氧树脂粘接电路片或芯片,在方法不当时,其流出物附着在键合表面,会降低引线键合的机械强度,严重时导致虚焊。 由于净化间的净化程度只是对微粒数量和大小的控制,是相对的,所以生产过程必须严格工艺纪律,尽可能减少对于键合表面(包括电路板、引线、劈刀)的人体污染和环境污染,湿度也不宜过大。除了前道的化学试剂清洗外,在引线键合之前也可采用等离子清洗技术,用来清洁电路板键合表面以改善结合强度及成品率。1.3 键合工具的选型 楔键合时使用楔子形状的键合工具(劈刀)进行键合,引线以30?,60?的角度穿过劈刀后部的通孔进行传送。在实际工作中,因为劈刀选择不当而带来的可靠性问题也比较常见。1.3.1 键合工具几何参数 楔形工具的几何参数,如图1所示。对键合质量有很大影响,必须—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 视情况正确选择 。 丝的一致性,大角度则使用在高的封装外壳或临近 区域有其它高器件的情况下,但由于送丝角度的陡峭,尾丝控制不容易一致,所以在选用时要进行综合考虑。1.3.2 焊脚形状 不同的电路基材和引线材料对劈刀的焊脚形状要求也不同,如图2所示。 例如,Au丝比AlSi丝需要更多摩擦作用来形成与Al焊盘的金属间化合接触,而焊脚凹槽形在Au丝上能提供积极的摩擦来传输超声能量,同时也提高了劈刀与Au丝之间的紧密配合,且特别适合在厚膜电路和LTCC上的焊接。 图2 楔形工具的焊脚形状 此外,平面形的可用于键合极小的点和细丝;凹面形的可减少自动焊Al丝的定位错误和根部裂纹等。 2 常见键合问题与原因分析 上述键合质量的影响因素,常导致种种键合问题,使生产不能正常进行,其应用举例如下。2.1 键合无效 可能原因:工件被污损;劈刀有缺陷、磨损或污染;工件没有夹紧;工件表面有坡度,仅劈刀接触工件;参数不当—压力太小、时间太短、超声功率太小或太高、温度过高或过低;工件表面质量不好;劈刀型号不适合工件;回丝距离不足以在第二点之后断丝,造成第二点在劈刀向上移动时被拉断等。2.2 劈刀不送尾丝 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 可能原因:第二键合点过焊(压力太大、时间太长、超声功率太高、引线拉伸太多等造成);劈刀被 图1 楔形工具头的剖面放大图 对于第一个键合点而言,后半径影响其拉脱强度(过于尖锐可能形成键合点的根部裂纹和断裂);孔尺寸影响键合位置;送丝角度、孔形状和表面质量等影响尾丝长度;而影响弧度的主要参数是孔的尺寸和形状,以及送丝角度。 对于第二个键合点而言,拉脱强度取决于前半径和键合长度;而尾丝一致性与背半径有关。 污染;工件表面有坡度,仅引线接触工件,同时压力过大;工件松动;尾丝长度调节不正确等。2.3 键合后不断丝 可能原因:尾丝长度调节不正确,夹子没有关闭;夹子的力调节不正确,夹子关闭,但是引线仍可通过夹子滑动;夹子表面污损;由于夹子装配时被损坏,造成其表面不平行等。2.4 第二点被拉起 ;;; 2009年3月 胡蓉等:微波电路引线键合质量的影响因素分析95 超声功率太小。2.5 尾丝不一致 这是楔键合时最容易发生的问题,而且也是最难克服的。尾丝太短意味着作用在第一个键合点上的力分布在一个很小的面积上,这将导致过量变形;而尾丝太长则可能导致短路。 其可能的产生原因如下:引线表面污染;引线传送角度不对;楔通—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 孔中有部分阻塞;夹子表面污损;夹子间隙调节不正确;夹子的力调节不正确;引线拉伸错误等。 3 引线键合质量评估 除了加强工艺过程控制以外,引线键合的质量还可以用目视方法和机械测试来进行评估。3.1 目检 目视方式通过光学显微镜来观察焊点位置、形变、电极金属化层有无损伤来发现有无拒绝接受的焊点。必要时,也可利用扫描电镜(SEM)等仪器进行更深入的分析。3.2 拉力测试 机械测试方法—即拉力测试,用来评估键合力量。 3.2.1 破坏性拉力测试 破坏性拉力测试,即焊点拉脱强度测试,是通过钩子拉断焊好的引线来评估焊点强度的主要方法。测试目的是检查焊点强度和验证焊机参数的正确设置,该结果和温度循环中的失效机理一样是检验键合质量和可靠性的重要证据。 拉力与拉力测试的几何结构密切相关,如图3所示。对于拉伸力的绝对值,拉力测试是正确的。每一根引线的拉力可用拉钩上的力(F)表示为: Fcos(θφ)2-F1sin(θ1+θ2)Fcos(θφ)1+ F2sin(θ1+θ2) 式中:F—拉钩上的力; F1—键合点1沿引线上的分力; F2—键合点2沿引线上的分力;θ1—F1的水平夹角;θ2—F2的水—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 平夹角;φ—F的垂直夹角。 如果焊点在同一平面上,施加的拉力又正好在中间,则θθθ,以上式(1)、式(2)可简化为1=2= F1=F22sinθ (3)(1)(2) 而当θ为30?时,拉力值与分力值相等。键合 连接发生破坏的模式有5种,判别详见美军标883E。 图3 拉力测试示意图 3.2.2 非破坏性拉力测试 该测试是破坏性拉力测试的一种变化,其应用的拉力数值被事先预定,其大小是根据引线的直径和材料而定。它通常用来发现可疑的引线互连,同时又避免损伤其它的引线。4 结论 综上所述,除了键合参数(压力、超声、热、时间等)以外,影响其设置的键合表面与界面(包括电极金属化层、引线、劈刀等)往往是微波混合电路引线(楔)键合质量的主要影响因素,应加强控制;同时通过引线质量评估反过来再对参数进行进一步优化,从而有效保证产品的质量和可靠性。参考文献: [1] 恽正中,王恩信,完利祥等.表面与界面物理[M].成 都:电子科技大学出版社,1993. [2] 田民波.电子封装工程[M].北京:清华大学出版社, 2003. [3] 周良知.微电子器件封装—封装材料与封装技术 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ [M].北京:化学工业出版社,2006. 收稿日期:2008-11-25 (上接)参考文献: [1] 陈正浩.装联工艺设计与实践[J].电子工艺技术, 2006,27(5):302-305. [2] 欣奇SW.表面安装技术手册[M].北京:科学出版 社,1993. [3] 路佳.装联工艺设计与实践[J].电子工艺技术,2001, 22(6):256-259. [4] 陆敏暖.微波控制电路中PIN管的引线互连技术[J]. 电子工艺技术,2008,29(6):334-337. [5] 晁宇晴,杨兆建,乔海灵.引线键合技术[J].电子工艺 技术,2007,28(4):205-210. 收稿日期:2009-01-15 ——————————————————————————————————————