厚膜基板金導體燒結次數對鍵合可靠性的影響

吳海峰　彭理娟　蘇鑫　董立菲

摘? 要： 鍵合工藝的窗口逐漸變小，導致鍵合界面材料結構、成分的改變對鍵合工藝的影響越來越明顯。本文主要研究了厚膜基板的燒結次數對鍵 合工藝的影響。通過對燒結10遍的金導體樣品1和燒結28遍的金導體樣品2的對比分析，發現隨著燒結次數的增加，導體表層的單粒金消失、金粒呈團簇 狀凝結、小氣孔匯聚。通過在兩種樣品上的金絲球鍵合試驗發現，燒結次數多的導體表面硬度低、金球變形大、外形不標準、鍵合拉力小、鍵合性差， 進而改正前期鍵合時遇到軟導帶就減小鍵合參數的調試方法，管控有鍵合點的布線層設計和印燒次序，從根本上提高鍵合可靠性。

關鍵詞： 厚膜基板;燒結次數;鍵合試驗;印燒次序

厚膜混合集成電路因其工藝結構靈活、元件參數范圍寬、精度高、在 極端環境下出色的高可靠性等特點而廣泛應用于航空航天、醫療等領域。 作為所有元件的載體，厚膜基板的質量在很大程度上決定了最終的產品質 量，也影響和制約著其他厚膜混合集成電路生產工藝的發展。厚膜基板通 過絲網印刷的方式將導體漿料、介質漿料、電阻漿料、玻璃漿料等印制在 氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹等陶瓷基板上，再通烘干、燒結工藝使得漿料里 的有機載體、揮發，功能項和粘接項附著在基板上。理想的金導體漿料印 燒后，富金層在上層，富玻璃層在下層，但實際生產中印燒的金導體表層會析出不同程度的玻璃，金屬成分也會下沉到導體底部。隨著集成電路向 著小型化、多功能方向的發展，芯片鍵合區越來越小，且越來越多的產品 要求將鋁絲鍵合在金導體上，導致鍵合界面材料結構、成分的改變對鍵合 工藝的影響越來越明顯。本文主要研究了不同燒結次數的金導體微觀區別 和對鍵合可靠性的影響。

1 增加燒結次數后導體表面的變化

1.1? 厚膜基板制作工藝

通用厚膜基板的制作流程如下圖1。

金導體作為厚膜電路里的主要導電帶，其上設置了大量的鍵合點，一 塊普通的厚膜基板印制完畢至少需要10次的印刷和燒結工步，隨著制版、 印燒工藝的不斷進步和漿料本征特性的不斷改良，在厚膜基板上印制的層 數越來越多，多層基板往往需要25次以上的印燒才能完成。按設計人員的 布線習慣和車間生產流程，會將設有大量金絲球鍵合點的主要布線帶金導 帶作為第一層導體印燒。

1.2? 不同燒結次數厚膜基板的微觀區別

導體表面區別：用相同的網版、我司使用的某款金漿料、設備在同 一批陶瓷基板上印刷4片金導體基板，將印好的基板分成2份，樣品1燒 結10遍，樣品2燒結28遍，燒結工藝參數為：周期：?? 60 ±10min ，峰值溫 度：??? ℃，恒溫時間：?? 10 ±3min ，升溫速率：?? 50～ 80℃/min，降溫速率 （ 650～300℃）：? 30～80℃/min。下圖2是500倍顯微鏡下樣品1表面和樣 品2表面，圖4是1000倍顯微鏡下樣品1表面和樣品2表面。對比圖3 （a）、 （ b） 發現，? 燒結次數增加后，? 導體表面析出的玻璃面積明顯增大，? 氣孔 變少。燒結10遍的導體表面有較大的金粒，而且排布較均勻，氣孔較多。? 燒結28遍以后，晶界發生了明顯的變化，金呈團簇狀凝結，單粒金消失，? 小氣孔匯聚。

2 不同燒結次數對鍵合工藝的影響

2.1? 鍵合試驗

用同一臺金絲球鍵合機、同一通用參數、φ25um金絲鍵合兩種樣 品，發現燒結10遍的鍵合球鍵合過程無異常，燒結28遍的發現金球存在塌邊、斜坡球問題，燒結10遍的硬度大于燒結28遍的硬度，且燒結28遍的的 鍵合球直徑比燒結10遍的的鍵合球直徑大5um左右。兩種樣品上鍵合絲的 破壞性拉力見下表1 ，燒結28遍的鍵合拉力平均值比燒結10遍的拉力值小1.13gf。燒結次數越多，鍵合過程越不穩定，鍵合可靠性越低。

2.2? 試驗結果分析

燒結過程中玻璃析出伸入金膜，造成金粒團簇狀堆積，因其具有一定 的厚度且排布不均勻，而析出的玻璃高度低于團簇狀金，導致鍵合點底部 不平整，金球出現塌邊、斜坡。由于在第一次燒結完后，固化在基板上的 只有玻璃項和金項，玻璃的析出，必然會導致一部分金粒下沉，導體表面 的致密性變低，金球變形變大，劈刀在同樣的振幅下，對鍵合點根部的損 傷程度也變大，鍵合拉力隨之小。

3 厚膜基板燒結次數控制

在鍵合過程中經常發現厚導帶硬，薄導帶軟，因為厚導帶金含量大 于薄導帶，正常燒結后富金層在上，導致厚導帶界面金的致密度大于薄導 帶，所以前期分析原因時經常將問題定位在導帶厚度上，不太考慮燒結次 數對導體界面的影響。從本次試驗中發現，增加燒結次數后，直觀的反饋 給鍵合的現象是導帶變軟，從鍵合工藝的角度出發，對于軟導體必須要減 小工藝參數鍵合，但因為燒結次數增加造成的軟導帶界面并不平整，且金 排布不均勻、含量低，如果減小工藝參數，勢必會減小鍵合點與導體的結 合力。為了鍵合工藝的穩定性和可靠性，必須控制燒結次數，建議產品設 計之初，將有鍵合點的布線層放在最后燒結。

參考文獻：

[1]馮愛軍，王磊，董永平，等.基于成組技術的厚膜混合集成電路（HIC）基板生產 研究[J].物流科技，2018（6）：46-49.

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