隨機(jī)振動(dòng)鍵合絲變形碰觸閥值研究

代 鋒

(空間電子信息技術(shù)研究院，西安 710000)

鍵合絲互聯(lián)技術(shù)具有良好的導(dǎo)電特性、耐腐蝕和抗氧化能力，可以提供靈活、穩(wěn)定和健壯的互連，是當(dāng)今半導(dǎo)體行業(yè)的必要組成部分[1-3]。微電子封裝正朝著小型化、高密度、細(xì)間距的方向發(fā)展，并且隨著MCM(multichip module)和3D封裝在集成電路中的應(yīng)用，大大縮小了芯片尺寸。為適應(yīng)發(fā)展需求，直徑更細(xì)、間距更小的鍵合絲在封裝中的應(yīng)用也越來(lái)越多，這給鍵合絲自身的剛度、強(qiáng)度設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[4-5]。

電子設(shè)備在運(yùn)輸、試驗(yàn)、使用中經(jīng)歷各種振動(dòng)和熱環(huán)境，設(shè)備內(nèi)部的鍵合絲也同樣受到環(huán)境的影響，在鍵合絲上產(chǎn)生應(yīng)力和變形，過(guò)大的應(yīng)力和變形會(huì)引起鍵合絲強(qiáng)度和剛度問(wèn)題。在MIL-STD-833中已給出了多種鍵合絲的力學(xué)試驗(yàn)方法來(lái)評(píng)估其力學(xué)可靠性。包括：鍵合破壞性拉力試驗(yàn)，剪切試驗(yàn)，振動(dòng)試驗(yàn)等。文獻(xiàn)[6-7]從試驗(yàn)的角度，研究在拉力作用下三種類型鍵合絲的機(jī)械力學(xué)特性。文獻(xiàn)[8]對(duì)鍵合絲的抗剪切能力進(jìn)行了試驗(yàn)和有限元仿真研究，表明影響剪切力的最大因素是鋁焊盤和金屬化層的厚度。文獻(xiàn)[9]通過(guò)微結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置，對(duì)不同直徑的銅鍵合絲進(jìn)行對(duì)稱彎曲疲勞性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果具有明顯的尺寸效應(yīng)，疲勞壽命隨著鍵合絲直徑的增加而減小。文獻(xiàn)[10]對(duì)鍵合絲高溫包封擺動(dòng)(wire sweep)問(wèn)題進(jìn)行了研究，表明隨鍵合絲跨度、高度的增加擺動(dòng)變形增大。隨著對(duì)高集成度、小型化設(shè)備需求的增長(zhǎng)，促使芯片內(nèi)部的鍵合絲間的間距也越來(lái)越小，細(xì)間距可能在惡劣的振動(dòng)過(guò)程中發(fā)生鍵合絲間的交叉、碰觸短路等可靠性問(wèn)題。

目前，有關(guān)鍵合絲在振動(dòng)環(huán)境中的變形問(wèn)題研究還很少，是一類隨應(yīng)用環(huán)境要求提升而出現(xiàn)的新問(wèn)題。文章以空間結(jié)構(gòu)中某芯片鍵合絲為研究對(duì)象，首先采用解析方法對(duì)其剛度進(jìn)行了研究；并且建立有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析獲得鍵合絲的固有頻率，同時(shí)對(duì)隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下鍵合絲變形碰觸閥值進(jìn)行了研究，給出了功率譜密度閥值。提出了采用高速攝像技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，捕捉鍵合絲的固有頻率和碰觸閥值，驗(yàn)證了分析的有效性和正確性。

1 鍵合絲基本結(jié)構(gòu)

微電子封裝中通常存在兩種鍵合絲形態(tài)：① 鍵合點(diǎn)在同一平面上;② 鍵合點(diǎn)不在同一平面，如圖1所示。

(a) 鍵合點(diǎn)在同一平面

為了簡(jiǎn)化數(shù)值建模分析，將其表示為鍵合點(diǎn)在同一平面上的橢圓方程，如式(1)所示

(1)

式中:L為鍵合絲的跨距;H為鍵合絲的跨高，形狀如圖2所示。

圖2 橢圓形式的鍵合絲形狀Fig.2 The bonding wire in elliptic shape

某芯片鍵合絲如圖3所示(高倍顯微鏡下芯片的一角)，芯片角上的鍵合絲跨距最大，因此該處的鍵合絲在振動(dòng)中最易變形。文章取芯片四角處相鄰的兩根最長(zhǎng)鍵合絲進(jìn)行研究，鍵合絲跨距L=4 000 μm，跨高H=100 μm，直徑20 μm，兩絲間約成0.5°夾角，最小中心距約80 μm，如圖3芯片角處的鍵合絲。

圖3 高倍顯微鏡的芯片內(nèi)部鍵合絲Fig.3 The internal bonding wires in high power microscope

2 鍵合絲剛度理論分析

首先，對(duì)鍵合絲形狀進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，研究其影響變形和剛度的因素。根據(jù)對(duì)稱關(guān)系取一半進(jìn)行研究，鍵合絲形狀簡(jiǎn)化為圖4形態(tài)，并且把鍵合絲整個(gè)質(zhì)量集中在O點(diǎn)，用集中力F代替。

圖4 理論分析簡(jiǎn)化模型Fig.4 The simplified model for theoretical analysis

根據(jù)材料力學(xué)中梁的彎曲、扭轉(zhuǎn)理論和結(jié)構(gòu)的對(duì)稱特點(diǎn)，經(jīng)推導(dǎo)得在載荷F作用下，O點(diǎn)的變形為

(2)

式中:前兩項(xiàng)為L(zhǎng)段、H段的彎曲引起的，第三項(xiàng)為H段扭轉(zhuǎn)引起的，并且第一項(xiàng)對(duì)變形影響最大，即跨距影響最大，第三項(xiàng)次之，第二項(xiàng)對(duì)變形最小。根據(jù)胡克定律得鍵合絲的剛度K為

(3)

(4)

式中:E，G分別為彈性模量和剪切模量；I，J分別為慣性矩和極慣性矩；f，m分別為固有頻率和質(zhì)量。將鍵合絲簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng)，通過(guò)式(4)可以計(jì)算其固有頻率。

3 鍵合絲數(shù)值分析

3.1 鍵合絲有限元模型

采用Ansys軟件建立鍵合絲的有限元模型，由于鍵合絲跨距遠(yuǎn)大于直徑，因此采用beam188梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。按照式(1)的形式使用坐標(biāo)點(diǎn)建立鍵合絲模型，共1 610個(gè)節(jié)點(diǎn)，804個(gè)單元，兩端固支約束，模型如圖5所示。鍵合絲的材料為金，彈性模量E=77.2 GPa，泊松比v=0.42，密度ρ=19 320 kg/m3。

圖5 鍵合絲有限元模型Fig.5 The finite element model of bonding wires

3.2 模態(tài)分析

對(duì)上述有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，來(lái)了解鍵合絲在哪些頻率容易出現(xiàn)振動(dòng)，在哪些位置容易產(chǎn)生變形，以及主要振動(dòng)頻點(diǎn)的質(zhì)量參與情況，即計(jì)算鍵合絲的頻率、相應(yīng)振型和模態(tài)有效質(zhì)量。由計(jì)算得鍵合絲的固有頻率為1 759 Hz，該頻點(diǎn)的模態(tài)有效質(zhì)量為20%，振動(dòng)形態(tài)如圖6所示。通常電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境頻率在5～2 000 Hz以內(nèi)，鍵合絲的第二階頻率為4 852 Hz，根據(jù)倍頻法則[11]，可不予考慮。

圖6 鍵合絲一階振型Fig.6 The first order mode of bonding wires

根據(jù)鍵合絲頻率計(jì)算式(4)，及FEM所得的模態(tài)有效質(zhì)量20%，可由單自由度頻率計(jì)算公式驗(yàn)證上述FEM計(jì)算的結(jié)果。單根鍵合絲的質(zhì)量為1.560×10-8kg，參與振動(dòng)的有效質(zhì)量計(jì)算固有頻率為1 702 Hz，該值與FEM誤差在3%以內(nèi)，證明了計(jì)算的正確性。

3.3 隨機(jī)振動(dòng)變形碰觸分析

電子設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境的振動(dòng)頻率一般在5～2 000 Hz以內(nèi)，設(shè)隨機(jī)振動(dòng)為平直譜輸入。鍵合絲的固有頻率為1 759 Hz，根據(jù)“倍頻法則”在879.5～2 000 Hz間的輸入對(duì)鍵合絲的變形影響最大。

為了得到鍵合絲振動(dòng)變形碰觸閥值，取800～2 000 Hz，功率譜密度分別取0.01，0.05，0.1，0.2，0.3 g2/Hz的振動(dòng)條件進(jìn)行分析，振動(dòng)方向?yàn)閄向和Z向(X，Z向鍵合絲最易碰觸)。在各輸入條件下，鍵合絲的最大變形的結(jié)果如表1所示。

表1 X、Z向不同功率譜密度鍵合絲變形結(jié)果Tab.1 Deformation results of bonded wires at different power spectral densities

以功率譜密度為橫坐標(biāo)，總變形為縱坐標(biāo)，分別畫出Z向和X向的總變形隨功率譜密度的變化曲線，如圖7所示。

圖7 鍵合絲變形隨功率譜密度變化曲線Fig.7 The curve of bonding wire deformation with power spectral density

分析圖7可得兩個(gè)結(jié)論：① 在同一振動(dòng)量級(jí)下，沿Z向振動(dòng)鍵合絲更容易變形；② 可得鍵合絲振動(dòng)碰觸功率譜密度閥值。本研究中兩鍵合絲間的最小中心距為80 μm，線徑20μm，兩絲最小靜距為60 μm。隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程中，固有頻率一致的兩鍵合絲可能出現(xiàn)兩種變形情況：① 兩絲同時(shí)同方向振動(dòng)；② 兩絲同時(shí)反方向振動(dòng)。鍵合絲變形碰觸閥值按第2種情形考慮。由圖7可知，小于等于60/2=30 μm時(shí)，功率譜密度的閥值為0.095 g2/Hz，如圖7灰色背景區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)，鍵合絲不發(fā)生碰觸。

4 試驗(yàn)研究

4.1 鍵合絲固有頻率獲取試驗(yàn)

由于鍵合絲幾何尺寸非常細(xì)小(跨距僅4 mm)，不能傳統(tǒng)的模態(tài)試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。為了進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了采用高速攝像技術(shù)獲得鍵合絲的固有頻率。圖8為試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，圖9為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景。使用高倍鏡頭獲得放大鍵合絲圖像，高速攝像機(jī)(采樣大于1萬(wàn)幀/秒)用來(lái)獲取振動(dòng)動(dòng)畫，聚光燈用來(lái)照亮目標(biāo)，PC機(jī)連接高速攝像機(jī)存儲(chǔ)動(dòng)畫。由于數(shù)據(jù)量巨大不可使用連續(xù)掃頻的方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)采用定頻掃描方式，振動(dòng)加速度為1g，頻率范圍800～2 000 Hz，步長(zhǎng)為100 Hz，在1 600～2 000 Hz區(qū)間步長(zhǎng)為50 Hz。將動(dòng)畫進(jìn)行慢回放，很容易觀測(cè)到在1 700 Hz時(shí)鍵合絲出現(xiàn)明顯振動(dòng)，到1 800 Hz時(shí)振動(dòng)幅度最大(共振點(diǎn))，過(guò)1 800 Hz振幅慢慢減小至消失。通過(guò)試驗(yàn)可得鍵合絲的固有頻率約為1 800 Hz，驗(yàn)證了FEM的計(jì)算結(jié)果正確性。

圖8 試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.8 The schematic diagram of test system

圖9 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.9 The picture of the test

4.2 鍵合絲變形碰觸試驗(yàn)

采用如圖8所示試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，輸入條件為：800～2 000 Hz，功率譜密度分別取0.01，0.05，0.07，0.08，0.09，0.1，0.11，0.12，0.13，0.15，0.2，0.3 g2/Hz，振動(dòng)方向?yàn)閆向。在各振動(dòng)量級(jí)下進(jìn)行試驗(yàn)，采用高速攝像拍攝動(dòng)畫，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在PC機(jī)上，然后對(duì)各量級(jí)下的動(dòng)畫進(jìn)行慢放，判斷鍵合絲是否碰觸。通過(guò)觀測(cè)可知在0.11 g2/Hz的量級(jí)時(shí)，鍵合絲開始碰觸，如圖10所示。FEM計(jì)算結(jié)果為0.095 g2/Hz與試驗(yàn)值0.11 g2/Hz符合性較好，證明FEM分析結(jié)果的正確性。

圖10 鍵合絲碰觸瞬間Fig.10 The moment of bonding wires touching

5 結(jié) 論

對(duì)鍵合絲的剛度進(jìn)行了簡(jiǎn)化分析，建立了有限元模型，獲得鍵合絲固有頻率；通過(guò)不同功率譜密度下隨機(jī)振動(dòng)分析得出鍵合絲振動(dòng)變形碰觸閥值，提出了采用高速攝像試驗(yàn)技術(shù)驗(yàn)證了FEM分析的正確性。通過(guò)分析和試驗(yàn)可得出以下結(jié)論：鍵合絲跨距對(duì)其抗變形能力影響最大；隨機(jī)振動(dòng)總均方根加速度影響較小，鍵合絲固有頻率及一定頻帶內(nèi)的功率譜密度對(duì)鍵合絲的變形影響最大；獲得了文中所述鍵合絲隨機(jī)振動(dòng)碰觸閥值為0.11 g2/Hz。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用有限元分析方法能夠有效獲得鍵合絲這一類微觀結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，為鍵合絲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，減少芯片開發(fā)周期。