聲表面波器件引線楔形鍵合跟部微損傷控制研究

吳 燕,柳 怡,王 嵐,唐運紅,周琴珍

(中國電子科技集團公司第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

先進封裝技術不斷發展變化以適應各種新工藝和新材料的要求和挑戰,但引線鍵合仍以工藝實現簡單、成本低、適用多種封裝形式而在聲表面波(SAW)器件封裝工藝中占主導地位。引線鍵合將芯片與外殼連接,實現了電信號的連通,使濾波器工作,它是封裝的關鍵工藝。SAW器件芯片表面以鋁為主,硅鋁絲與鋁屬于同質鍵合,材料相容性高,因此,硅鋁絲超聲鍵合是SAW器件引線鍵合的主流工藝。

1 超聲鍵合原理和工藝過程

一根完整的鍵合引線包括至少2個鍵合點和1根鍵合絲。由圖1所示,鍵合一根引線分為6個步驟:

圖1 引線鍵合的工藝過程分解

1) 焊點對位。

2) 焊點鍵合。

3) 劈刀帶動金屬絲向上抬升或同時向兩焊點移動到達最高點。

4) 二焊點對位。

5) 二焊點鍵合。

6) 斷絲。

兩個焊點的鍵合是利用超聲能量磨擦焊接的過程,它既有超聲功率的作用,同時也有壓力和持續時間的影響。線弧是焊頭通過劈刀帶動鍵合絲沿一定路徑運行彎折形成。

硅鋁絲延展性差的材料特性和楔形超聲鍵合工藝特點決定了第一焊點的跟部微損傷是鍵合的主要質量缺陷,也是導致SAW器件開路失效的主要模式。圖2是典型的跟部微損傷圖及跟部斷裂圖。目前對鍵合技術常采用的分析技術和可靠性測試方法包括:傳統的引線拉力測試,對鍵合點形狀和尺寸的光學檢查,引線的結構評價,以及評估鍵合點金屬化程度和區域一致性的“鍵合點剝離”方法[1]。跟部微損傷通常在高倍顯微鏡下才能觀察,實際檢驗和判定難度大。

圖2 典型的跟部微損傷及斷裂

2 跟部微損傷的影響因素

分析超聲鍵合原理和工藝過程發現,可能導致跟部微損傷的因素包括引線材料、劈刀、拉弧軌跡、鍵合參數、引線跨度等。

2.1 引線材料

通常所說的硅鋁絲為1%Si,99%Al。通常較粗、較硬的硅鋁絲需要較大的鍵合參數,但對于金屬膜層較薄的SAW器件,難以同時保證鍵合點的牢固性和控制跟部微損傷。

2.2 劈刀

圖3為劈刀端面與鍵合點的對應關系。由圖可見,劈刀后角對應一焊點跟部,故跟部微損傷與后角半徑相關性較大。圖4是拉弧過程中引線受到的內應力。由圖4可見,在拉弧時,劈刀的送線角度越大,作用在引線上的內應力越小;送線角度越小,作用在引線上的內應力越大[2],且應力主要由鍵合點跟部承受。

圖3 劈刀與鍵合點的對應關系

圖4 拉弧過程中劈刀對引線的應力

2.3 拉弧軌跡

分解超聲鍵合的拉弧過程,焊頭帶動劈刀近似經過一個矩形或三角形行程,如圖5所示。

圖5 拉弧過程的引線彎折軌跡

由圖5可見,形成線弧的第一個階段,引線在芯片表面抬升幾乎達到90°,同時焊頭向上的移動距離越大,跟部受力時間越長,則損傷發生的可能性越大;而在形成線弧前,引線經歷了第二次α彎折。在兩次彎折的過程中,一焊點跟部在受到拉弧應力的同時,增加了α的角度移動。當引線過短時,為了形成線弧,需要反向移動,二次彎折的α更大。拉弧過程中,鋁絲循環彎曲,試驗發現一焊點跟部的微損傷發生與彎曲次數和角度α正相關。

2.4 鍵合參數

形成鍵合點的3個參數:超聲功率P、壓力F和超聲時間T,它們之間相互關聯。超聲能量與3個參數的關系為

E=P×F×T

(1)

當施加到鍵合點的能量一定時,功率、時間和壓力之間相互制約。3個參數間的最佳匹配才能保證不僅能形成牢固鍵合,且跟部微損傷最小。鍵合能量偏小的原因是可能出現了脫鍵的情況。鍵合能量偏大,鍵合點跟部可能無法有效實現引線與鍵合點的平緩過渡,而成為最早出現裂紋甚至直接斷裂的部位。

2.5 引線跨度

考慮到線弧高度的引線長度計算更復雜,而直線距離也與引線跨度有一定的關系,其實驗結果具有可參考性,因此這里僅討論引線跨度。

在拉弧過程中,硅鋁絲在劈刀內孔中隨著焊頭一起移動,跟部受力與劈刀內孔徑、角度相關。在長引線拉弧過程中受力的時間和強度都增加,同時考慮長引線更大的質量負載,在承受相同強度的機械試驗時,長引線的鍵合點跟部比短引線更易出現斷裂。

3 跟部微損傷的控制

3.1 引線材料選擇

本文對硅鋁絲性能指標的要求包括材料成份、導電性能、延伸率和拉斷力。直徑越小,相同長度的引線質量負載越小。聲表面波芯片的金屬膜層相對較薄,因此,引線材料的延伸率和拉斷力需要平衡,這既能可靠鍵合,又能在拉弧過程中不發生斷裂,懸空狀態下不塌絲。大量的試驗和測試數據表明,正常拉出的鋁絲在生產出來的6周內開始變軟,拉斷力降低了5%～15%,然后在兩年內以更慢的速度降到平衡。綜合考慮采購成本、供貨周期及質量風險,硅鋁絲的使用有效期最好不超過兩年。

3.2 劈刀選型

劈刀孔徑和端面是影響鍵合點跟部的主要因素。對于楔形鍵合,過小的內徑可能導致拉弧過程中鍵合點跟部受到的應力增加,過大的內徑則不利于引線弧度穩定,因此,劈刀內孔徑通常為引線直徑的2倍左右。

實際應用中主要針對劈刀的端面形狀做改進,可從兩方面進行考慮:

1) 增加劈刀端面的溝槽深度,減小鍵合點跟部變形。

2) 增加劈刀后角半徑,使鍵合點跟部更圓潤。

圖6為兩種劈刀的端面實物圖。

圖6 劈刀端面實物圖

圖7、8是兩種劈刀的焊點形貌圖。由圖7可見,端面溝槽較深的劈刀,一焊點頸部幾乎無變形,可以極大地改善甚至避免跟部損傷。但是,由于硅鋁絲與劈刀接觸變形主要發生在外側,鍵合點周圍可能出現硅鋁絲擠壓形成的金屬屑,存在多余物的風險。由圖8可見,后角半徑較大的劈刀,鍵合點頸部微損傷減小,沒有增加金屬多余物的風險,是更優的選擇。

圖7 溝槽加深的焊點形貌圖

圖8 后角半徑較大的焊點形貌圖

超聲鍵合過程中,劈刀帶動引線與鍵合面發生摩擦,壓力會使劈刀端面產生磨損,同時橫向的超聲震動導致金屬顆粒附著在劈刀端面,形成污染[3],最終影響跟部質量,所以應對劈刀使用次數進行管控。

3.3 拉弧過程

對于硅鋁絲楔形鍵合,需要減少拉弧過程中鍵合點跟部的損傷,應盡可能使拉弧從低到高;器件結構上降低兩焊點的高度差;規定引線的最小跨度以減少反向移動;焊頭抬升方向與劈刀送絲角度接近,以降低焊點跟部受到的應力。

3.4 鍵合參數

超聲時間與材料特點、襯底相關,時間越長,鍵合點接收的能量越多,界面強度增加,而頸部強度降低。超聲功率對鍵合點的變形起主導作用,過大的功率導致跟部損傷甚至斷裂。壓力是使引線與焊接面發生機械耦合的力。超聲功率與壓力正向關聯,加大超聲功率通常需要增加壓力,進而使超聲能量更多地傳遞到鍵合點處。

鍵合參數的合理性通常采用鍵合點形貌和引線拉力進行評價。其中形貌通常是指鍵合點的形變寬度。在引線拉力滿足試驗所需的強度且形成有效鍵合的情況下,鍵合點形變偏小可以更有效地避免跟部損傷。

3.5 引線跨度

不同長度的引線承受振動試驗是有區別的[4-5]。引線越長,機械試驗中引線的擺動越大,對鍵合點頸部的損傷就越大。“最大引線長度”與引線的機械強度、拱高和器件將承受的機械環境、封裝形式等相關。航天禁限用工藝的要求是引線長度不超過硅鋁絲直徑的100倍。

4 結論

為了減少鍵合點跟部微損傷,需要從以下幾方面進行控制:

1) 根據金屬膜層特點優選適用的引線材料,并控制其有效期。

2) 優選后角半徑大的劈刀,管控使用次數。

3) 優化拉弧運動軌跡和焊頭移動方向。

4) 鍵合參數應在滿足拉力值和鍵合點牢固性的前提下,以鍵合點寬度盡量小為原則。

5) 控制引線跨度,特別是承受機械試驗強度高的引線。