LTCC基板金絲熱超聲楔焊正交試驗分析

2012-07-02 05:44:32金家富

電子與封裝 2012年2期

金家富，胡駿

（中國電子科技集團公司第38研究所，安徽合肥 230088）

1 引言

目前，集成電路先進后封裝過程關鍵技術中，封裝管腳的90%以上采用引線鍵合技術。所謂引線鍵合技術，是指以極細的金屬引線（通常選擇延展性好的金、鋁）兩端分別與芯片和管腳鍵合，形成電氣連接的技術。對于普通半導體封裝，從性能和成本方面考慮，引線鍵合是最優的選擇。相關資料表明，在使用微組裝技術生產微電子產品的過程中，失效類型比例為有源器件31. 3%、線焊23. 2%、沾污21. 4%、基片8. 9%、外殼封裝6. 3%、芯片貼裝1. 8%和其他7. 1%。可見線焊的失效比例排在容易發生質量問題的第二位，金絲在電路模塊中數量很多，并且單根金絲的失效就會危及模塊乃至整機系統的正常工作。因此，控制和提高金絲鍵合質量就顯得十分重要[1～2]。LTCC電路基板在微波多芯片組件中使用廣泛，相對于電鍍純金基板，LTCC電路基板上金焊盤是絲印后燒結的，楔形鍵合強度對于參數設置非常敏感，具體表現為粘附不上、第二鍵合點不完整等，所以必須有一種有效的參數設置方法，為引線鍵合工藝設計提供依據。

2 鍵合原理[3]

絲焊鍵合技術分為三步：一是用外力將焊絲壓倒在焊接區的表面上；二是提供焊接能量，熱壓焊用熱能、超聲焊用超聲能量、熱超聲焊使用超聲能和熱能的組合；三是施加壓力和能量后使金屬表面產生塑性變形與分子擴散，從而使兩種金屬牢固地焊接在一起。絲焊鍵合的方式有球焊和平焊（楔焊）兩種。本文使用楔形劈刀進行楔焊，外形如圖1所示。楔形劈刀一般用陶瓷、碳化鎢或碳化鈦制成。

鍵合力的作用就是使金線與基框的鍵合表面緊密地接觸在一起，是鍵合不可或缺的一部分。在保證超聲輸出功率與溫度等因素不變的條件下，在一定的鍵合力范圍內，鍵合強度與鍵合力的大小成正比，其他范圍則成反比。鍵合力的大小還會影響到鍵合界面是否發生滑移或微滑。

鍵合時間是一次鍵合過程中超聲開始到超聲結束的時間間隔，只有在合理的鍵合時間范圍內才能形成良好的焊接，過短的時間會導致剝離，過長會導致根切現象。其本質就是控制超聲能量的輸入。

超聲功率與鍵合強度的關系大致為：當超聲功率小于某一個值時，增大超聲功率有利于提高鍵合強度；當超聲功率大于某一個值時，增加超聲功率將降低鍵合強度，并增加鍵合強度的離散程度。當超聲功率大到一定程度時，鍵合強度就變得毫無規律，當超聲功率處于上述兩值之間時，能夠產生比較穩定的具有足夠強度的鍵合。

3 試驗過程設計

3.1 試驗設備及材料

試驗設備為West bond 7476E型手動鍵合機。該型手動鍵合機具有操作方便、參數設置簡單的特點，獲得了較為廣泛的應用。

楔形劈刀選用Deweyl公司生產的KNL-V系列CG型劈刀。CG型劈刀的特點是在鍵合平面上有一凹槽，鍵合時可以增大摩擦，減少超聲能量的損失，有助于完成有效的鍵合。

圖1 Deweyl公司的CG型劈刀

基板由Dupont 951生瓷材料經LTCC工藝加工而成，工藝流程如圖2所示[4]。由于微波傳輸的需要，表層導帶通常由金漿料印制燒結，且厚度保持在10μm左右，燒成后的LTCC基板如圖3所示。

圖2 LTCC工藝流程圖

圖3 LTCC基板

3.2 試驗過程

根據鍵合工藝的參數設置選擇超聲時間、超聲功率和鍵合力作為影響鍵合強度的影響因素，采用七因素兩水平安排實驗，形成L8（27）因素水平表（見表1），最后一列作為誤差估計。每一水平鍵合兩根金絲，用WEST BOND 70PTE拉力測試機進行鍵合強度測試，將測試值分別填入表格中。

各因素水平變化對試驗指標影響的大小，可用該因素各水平間的極差R表示。這是由于正交表具有搭配均勻的特性，如表2所示。A列上的拉力Kj1和Kj2的差異可認為主要由A列上的不同水平引起的；同樣B列、C列、D列、E列、F列上的拉力間差異也可認為主要是由B列、C列、D列、E列、F列上的不同水平引起的。

表1 正交試驗L8（27）因素水平表

表2 正交試驗方法與結果

4 數據分析

根據正交試驗分析方法，分別從極差和方差角度對數據結果進行分析。

4.1 極差分析

從正交試驗的計算結果來看，第一點的超聲功率和第二點超聲時間對鍵合強度影響最大，其次是第一點鍵合力。理論上講，兩個鍵合點的參數應當比較接近，第二鍵合點因為兼顧到斷絲，一般參數上比第一點大一些就可以了。實際上，鍵合時除了設定第一點和第二點鍵合參數，還會利用操縱桿完成引線的成弧，線弧一般不會是相對于兩點對稱的圓弧形，從第一鍵合點到達拱弧最高點的斜率會大一點，根據力的合成與分解原理[5]，從拱弧最高點測定鍵合強度時第一點的貢獻會更大。因此，第一鍵合點的參數設置尤為關鍵，它對提高鍵合拉力測試值作用明顯。