芯片電極的金屬鍍層焊接工藝及其影響

本文介紹了金絲球焊技術(shù)的基本原理和判別焊接質(zhì)量的方法，分析了超聲波的功率、焊接壓力、作用時(shí)間、焊接溫度等參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響，找出設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)試方法。

1 引言

金絲球焊是目前半導(dǎo)體器件芯片封裝焊接工藝中更具代表性的焊接技術(shù)，焊接過程通過熱、超聲、壓力的共同作用形成，工藝參數(shù)調(diào)試得當(dāng)與否直接影響到封裝器件的質(zhì)量和可靠性。本文將通過工藝實(shí)驗(yàn)對(duì)球焊工藝的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行研究，找出關(guān)鍵工藝參數(shù)的調(diào)試方法。

2 金絲球焊工藝

（1）金絲球焊工藝過程

本 文 研 究 球 焊 工 藝 所 用 設(shè) 備 為目前半導(dǎo)體器件封裝生產(chǎn)線主流設(shè)備K & S4524金絲球焊機(jī)。球焊機(jī)主要由超聲電源、換能器、送線機(jī)構(gòu)、劈刀、溫度可控的夾具組成，焊接過程如下：焊接時(shí)金絲通過中空的劈刀到達(dá)劈刀尖，留出可控制長(zhǎng)度的尾絲，打火桿動(dòng)作，由EFO 系統(tǒng)產(chǎn)生高壓對(duì)尾絲放電產(chǎn)生電火花，高溫瞬間熔化金線的尾絲端部，由于表面張力的作用，熔化的尾絲端部迅速凝固形成金球，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工藝推薦和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，金球的直徑一般控制為2～3倍金線直徑；在超聲焊接時(shí)，Z軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)將控制劈刀下降至芯片上方，根據(jù)事先設(shè)定的壓力將金球壓在鍍金的引腳和芯片焊盤上，同時(shí)啟動(dòng)超聲電源，電功率通過換能器轉(zhuǎn)換成縱向或橫向的機(jī)械震動(dòng)能量，這種高頻的機(jī)械震動(dòng)促使金球或金絲與芯片電極的鍍層金屬之間發(fā)生形變和金屬原子的相互擴(kuò)散，在預(yù)設(shè)的焊接時(shí)間結(jié)束即完成第一焊點(diǎn)的焊接，焊頭可運(yùn)動(dòng)到第二焊點(diǎn)位置，由于二焊沒有金球，進(jìn)行的是楔形焊接，通過劈刀尖的圓弧倒角對(duì)金線施加壓力，以楔形焊接的方式完成第二焊點(diǎn)，之后劈刀升起，尾絲控制系統(tǒng)將控制線夾完成扯絲，金絲將在二焊焊點(diǎn)被扯斷，劈刀回到初始位置，金絲將被準(zhǔn)確預(yù)留到預(yù)設(shè)的尾絲長(zhǎng)度，系統(tǒng)啟動(dòng)EFO 系統(tǒng)對(duì)金線尾絲打火成球，等待下一個(gè)焊接循環(huán)過程。

（2）金絲球焊工藝質(zhì)量評(píng)估

判斷球焊質(zhì)量的重要指標(biāo)包含：焊球的高度、焊球的尺寸、拉力測(cè)試、一焊剪切力測(cè)試。

所謂的焊球高度，是指壓扁在焊盤上的金球高度；而焊球尺寸為焊接時(shí)打在焊墊上的金球所占焊墊的面積大小，一般要求球的尺寸為3~3.5倍線徑。這些焊點(diǎn)形貌參數(shù)主要通過顯微鏡目測(cè)來完成。通過顯微鏡目測(cè)，還可以發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)各種缺陷而確定焊接質(zhì)量是否滿足要求。

拉力測(cè)試主要采用拉力測(cè)試設(shè)備，如美國(guó)D A G E公司的4000PX Y 型拉力測(cè)試儀，該類設(shè)備具備更大值、最小值、平均值、去高低平均值、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、總體標(biāo)準(zhǔn)差、Cpk值等多種統(tǒng)計(jì)功能，該測(cè)試是一種破壞性的測(cè)試，是考核焊線工藝質(zhì)量重要的測(cè)試項(xiàng)目，也是目前封裝焊線工藝普遍采用的評(píng)估項(xiàng)目。測(cè)試從線弧的更高點(diǎn)垂直、勻速向上鉤金絲，測(cè)試金絲斷掉時(shí)所用的更大拉力。

一焊剪切力測(cè)試同樣采用DAGE4000，將拉鉤換成推刀，設(shè)定推刀距離焊點(diǎn)底部3μm ~5μm ，水平方向勻速推動(dòng)焊球，完全推掉焊球所需的力將被設(shè)備記錄，作為判斷焊點(diǎn)著附的能力的重要依據(jù)，在推掉的芯片電極上，焊球的金殘留物的多少被同時(shí)要求關(guān)注，如果推刀通過以后，電極表面無(wú)任何金屬殘留，這就意味著此次焊接沒有形成原子擴(kuò)散，焊接質(zhì)量不能保證，必須微調(diào)相應(yīng)參數(shù)來加以改善，根據(jù)推刀距離焊點(diǎn)底部的距離，金屬殘留物要求在20% ~25%以內(nèi)，被判定推力測(cè)試數(shù)據(jù)有效，焊點(diǎn)合格。

3 影響金絲球焊工藝的因素及分析

在焊接過程中，由于參數(shù)調(diào)試不當(dāng)，劈刀、溫度等硬件參數(shù)發(fā)生變化，容易出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題，而影響器件的封裝及器件性能。在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出影響焊線工藝的因素如下：

（1）影響第一焊點(diǎn)因素

金絲球焊機(jī)一焊是在金線有球的情況下對(duì)準(zhǔn)焊墊進(jìn)行焊接，該過程工藝控制較為容易，對(duì)第一焊點(diǎn)的工藝要求有：金球成型好，尺寸比例合理；與電極的結(jié)合力到達(dá)更大；金球尺寸與電極大小配套；金球頸部條件完好。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，對(duì)上述工藝要求產(chǎn)生影響的主要因素有：金絲球焊機(jī)預(yù)設(shè)的超聲功率、焊接壓力、作用時(shí)間和熱臺(tái)溫度；所焊芯片的金屬鍍層平整度、致密度、表面清潔度；劈刀的選型，一定直徑的金絲要有相應(yīng)的劈刀與之匹配。

（2）影響第二焊點(diǎn)因素

對(duì)第二焊點(diǎn)的工藝要求有：契型形狀完整，對(duì)稱；與焊墊的結(jié)合力到達(dá)更大；焊界面有合理的材料厚度；焊面和線體之間的過渡區(qū)成型良好。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，對(duì)上述工藝要求產(chǎn)生影響的主要因素有：金絲球焊機(jī)預(yù)設(shè)的超聲功率、焊接壓力、作用時(shí)間和熱臺(tái)溫度；所焊芯片的金屬鍍層平整度、致密度、表面清潔度；劈刀的選型，一定直徑的金絲要有相應(yīng)的劈刀與之匹配。

（3）影響金線打球的因素

對(duì)打球工藝要求有：燒出球的尺寸、形狀（太小的球容易堵塞劈刀，太大的球容易造成燒球過程中金線和打火桿之間短路）。影響金絲打球的因素主要有：金線尾絲長(zhǎng)度；打火桿與尾絲的距離；金球球徑的設(shè)置；EFO 工作的穩(wěn)定性，金線的質(zhì)量。

4 關(guān)鍵因素對(duì)焊接工藝的影響

（一）工藝參數(shù)

焊接壓力、超聲功率、超聲作用時(shí)間對(duì)球焊工藝影響十分大，通過改變工藝參數(shù)，研究焊點(diǎn)合格率，找出合適的工藝參數(shù)范圍。

1 焊接壓力

通過壓力的作用將焊線與焊接位置緊密接觸；控制球或線在固定的位置準(zhǔn)備進(jìn)行能量的傳遞；破壞焊接表面的污染。壓力設(shè)置不當(dāng)會(huì)造成以下幾種不合格焊接的情況：設(shè)置的壓力參數(shù)過小或者焊墊表面質(zhì)量問題，在焊接的過程中致使焊點(diǎn)不牢，易脫落。設(shè)置的壓力參數(shù)過大，在焊線的時(shí)候可能對(duì)金線有損傷，進(jìn)行下一個(gè)焊點(diǎn)焊接的時(shí)候引線被拉斷；過大焊接壓力的會(huì)造成焊點(diǎn)印跡較深，也會(huì)阻礙劈刀的超聲震動(dòng)，造成超聲能量不良傳導(dǎo)，過度損耗而影響焊接焊接質(zhì)量。