于金偉

(濰坊學(xué)院,山東 濰坊 261061)

基于鎳鈀金PCB的數(shù)字聲傳感器鍵合工藝研究＊

于金偉

(濰坊學(xué)院,山東 濰坊 261061)

本文介紹了數(shù)字傳聲器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),并基于其焊接及鍵合工藝的特點(diǎn)引入了鎳鈀金PCB,實(shí)現(xiàn)了其高可靠性的連接;并根據(jù)鍵合工藝的的要求,進(jìn)行了一系列引線鍵合實(shí)驗(yàn),取得了相關(guān)數(shù)據(jù),得出了相匹配的皮膜厚度參數(shù)。

鎳鈀金PCB;數(shù)字傳聲器;引線鍵合;皮膜;匹配

隨著IT技術(shù)的日益發(fā)展,各類電子系統(tǒng)中數(shù)字電路所占比重越來(lái)越大,尤其在PC的多媒體音視頻應(yīng)用及3G手機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域,對(duì)音頻信號(hào)的輸入質(zhì)量及抗外界各種干擾的能力都提出了更高的要求,這些要求靠傳統(tǒng)模擬傳聲器本身聲學(xué)性能的改進(jìn)已經(jīng)難以奏效,而通過(guò)對(duì)傳聲器陣列的音頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行算法的處理后則可以較理想地達(dá)到消除回聲、屏蔽噪聲、增強(qiáng)波束指向性等效果。這就是所謂的數(shù)字傳聲器,是直接輸出數(shù)字脈沖信號(hào)的聲傳感器器件。它采用內(nèi)置前置放大及A/D編碼的IC芯片,把模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字脈沖信號(hào)。這種傳聲器相對(duì)于傳統(tǒng)傳聲器的最大優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)字信號(hào)可以直接與相應(yīng)解碼芯片(CODEC)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,相比于傳統(tǒng)傳聲器對(duì)于信號(hào)衰減和噪聲夾雜的問(wèn)題都得到了很好的解決。正是由于這些優(yōu)勢(shì),數(shù)字傳聲器具有很大的潛在市場(chǎng)。

1 數(shù)字傳聲器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

數(shù)字傳聲器外形與通常的駐極體傳聲器類似,基本結(jié)構(gòu)為一個(gè)換能器,用于產(chǎn)生代表聲信號(hào)的模擬信號(hào)(通常是由振膜及其駐極體背極板來(lái)完成的);一個(gè)∑-△模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。如圖1所示,按照抽樣速率并以∑-△調(diào)制比特流的形式從模擬信號(hào)中產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸出信號(hào)。

數(shù)字傳聲器的核心器件是內(nèi)置的∑-△模數(shù)轉(zhuǎn)換IC芯片,它完全取代了傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)管(FET)并實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能。該芯片通過(guò)Die Bonding的方式安裝于PCB上,并通過(guò)引線鍵合工藝實(shí)現(xiàn)芯片管腳與PCB焊盤間的互連,其連接的可靠性直接影響到該器件的功能,是數(shù)字傳聲器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 數(shù)字傳聲器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 IC芯片鍵合結(jié)構(gòu)示意圖

為提高PCB連接可靠性,特別是這種IC封裝用PCB與芯片連接的可靠性,國(guó)外一直在研究連接盤表面處理方法,近兩年又推出了化學(xué)鍍鎳化學(xué)鍍鈀與浸金工藝,應(yīng)用于IC封裝用PCB的表面鍍層,這就是所謂的鎳鈀金PCB。

在推出這種新型鍵合皮膜前,通常采用沉鎳浸金沉金(ENIGEG)皮膜,其金層厚度一般高于0.5μm。而此工藝要求線路板要在沉金缸里浸泡很長(zhǎng)的時(shí)間,在敏感的沉金缸內(nèi),阻焊保護(hù)層和基材釋放出某些物質(zhì)導(dǎo)致金缸污染。值得注意的是在小于100μm精密線寬及線距的情況下,此體系或會(huì)超出其選擇性界限,滲鍍或甚至過(guò)鍍?cè)谧韬副Ｗo(hù)層上,從而導(dǎo)致連接盤之間短路。厚金層高昂的成本和冗長(zhǎng)流程時(shí)間導(dǎo)致的低生產(chǎn)效率限制了此工藝的廣泛應(yīng)用。

對(duì)于防止化學(xué)鍍鎳浸金過(guò)程鎳與金界面中金屬化合物(鎳氧化物)危害,有兩個(gè)辦法:(1)加厚金鍍層,阻止鎳氧化層滲出,但金層厚度增加必然提高成本,而鍍層內(nèi)部氧化物存在總是個(gè)隱患;(2)完全抑制鎳與金界面中金屬化合物產(chǎn)生,在鎳層與金層之間隔入一種穩(wěn)定的金屬層—鈀,鈀層完全隔離了鎳的遷移和阻止新的化合物產(chǎn)生。這種新的連接盤最終表面處理技術(shù)稱為化學(xué)鍍鎳化學(xué)鍍鈀與浸金(ENEPIG:Electroless Nickel,Electroless Palladium,and Immersion Gold),這種鍍層被稱為全能型PCB表面鍍層,正好適用于數(shù)字傳聲器這種既有引線鍵合要求又有回流焊接要求的高可靠性連接產(chǎn)品。

2 IC芯片與鎳鈀金PCB鍵合工藝的匹配實(shí)驗(yàn)

2.1 鍵合工藝參數(shù)及材料的選擇

2.1.1 鍵合溫度

鍵合溫度能夠幫助移除表面污染物,如潮汽、油、水蒸汽等,增加分子的活躍程度有利于合金的形成。但是過(guò)高的溫度不僅會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的氧化物影響鍵合質(zhì)量,并且由于熱應(yīng)力應(yīng)變的影響,圖像監(jiān)測(cè)精度和器件的可靠性也隨之下降。在實(shí)驗(yàn)中,溫控系統(tǒng)都會(huì)添加預(yù)熱區(qū)、冷卻區(qū),提高控制的穩(wěn)定性。本實(shí)驗(yàn)IC芯片鍵合機(jī)臺(tái)(TPT HB16)鍵合溫度設(shè)置在150-180℃。

2.3.1 拉力測(cè)試要求2.1.2 鍵合機(jī)臺(tái)壓力、功率

超聲功率使焊線和焊接面松軟,產(chǎn)生熱能,形成分子相互嵌合合金,改變球形尺寸。超聲功率對(duì)鍵合質(zhì)量和外觀影響最大,因?yàn)樗鼘?duì)鍵合球的變形起主導(dǎo)作用。過(guò)小的功率會(huì)導(dǎo)致過(guò)窄、未成形的鍵合或尾絲翹起;過(guò)大的功率導(dǎo)致根部斷裂、鍵合塌陷或焊盤破裂。超聲功率和鍵合壓力是相互關(guān)聯(lián)的參數(shù),增大超聲功率通常需要增大鍵合力使超聲能量通過(guò)鍵合工具更多的傳遞到鍵合點(diǎn)處。因此在生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)置鍵合機(jī)臺(tái)壓力和功率參數(shù)時(shí),需要將兩者密切綜合考慮。本實(shí)驗(yàn)的設(shè)置為超聲功率:250mW(1st),250mW (2nd);鍵合力:25g(1st),50g(2nd)。

2.1.3 鍵合時(shí)間

鍵合時(shí)間是指控制超聲能量作用的時(shí)間,本實(shí)驗(yàn)芯片鍵合時(shí)間設(shè)置在200msec(1st),50msec(2nd)。一般來(lái)說(shuō),太短的焊線時(shí)間無(wú)法形成良好的合金,焊線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)是導(dǎo)致拉力不良或芯片電極損傷的原因。鍵合時(shí)間越長(zhǎng),引線球吸收的能量越多,鍵合點(diǎn)的直徑就越大,界面強(qiáng)度增加而頸部強(qiáng)度降低,會(huì)使鍵合點(diǎn)超出焊盤邊界并且導(dǎo)致空洞生成概率增大。因此設(shè)置合適的鍵合時(shí)間也顯得尤為重要。

2.1.4 劈刀

鍵合劈刀的選擇和使用磨損狀況對(duì)于焊點(diǎn)的質(zhì)量有著重要影響,劈刀壽命一般為200萬(wàn)點(diǎn)。隨著劈刀的使用焊點(diǎn)數(shù)的增加,劈刀磨損也越來(lái)越嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)前要對(duì)劈刀狀況進(jìn)行確認(rèn)。

2.1.5 金絲

金絲作為一個(gè)重要的原材料必須具備如下幾個(gè)重要的特性:良好的機(jī)械性能和導(dǎo)電性能,合適的破斷力,選擇正確的尺寸,表面清潔無(wú)污染無(wú)損傷。本實(shí)驗(yàn)金絲直徑選擇lmil,純度為99.99%,延伸率為2%-8%,斷裂負(fù)荷要求:lmil金絲大于10gf。

2.2 鍵合設(shè)備及參數(shù)的確定(見(jiàn)圖3)

引線鍵合實(shí)驗(yàn)參數(shù):

設(shè)備:TPT HB16(半自動(dòng)鍵合儀)

圖3 引線鍵合設(shè)備:TPT HB16(半自動(dòng)鍵合儀)

毛細(xì)管:B1014-51-18-12(PECO)

引線:1mil-金線

鍵合溫度:150℃

超聲功率:250mW(1st),250mW(2nd)

鍵合時(shí)間:200msec(1st),50msec(2nd)

鍵合力:25g(1st),50g(2nd)

方言即為語(yǔ)言的次類，它也有著完整的語(yǔ)言體系，主要表現(xiàn)在語(yǔ)音、語(yǔ)調(diào)、詞法和句法等方面。本文對(duì)方言的語(yǔ)言體系重點(diǎn)分析英語(yǔ)方言的語(yǔ)音和詞法風(fēng)格兩方面的內(nèi)容。

鍵合距離:0.700mm(1st—2ndwire length)

2.3 拉力測(cè)試

拉力測(cè)試被廣泛用在熱超聲焊線中,它是一種破壞性的測(cè)試,能夠測(cè)

試出最薄弱的斷點(diǎn),測(cè)試點(diǎn)和拱絲的特點(diǎn)直接影響測(cè)量數(shù)值大小。本實(shí)驗(yàn)鍵合金線拉力及斷點(diǎn)位置要求為:拉線時(shí)第一點(diǎn)金球不能與電極之間脫開,第二點(diǎn)楔形不能與PCB鍵合區(qū)脫開,即此時(shí)不論拉力F為何值都判定不合格;如從其它點(diǎn)斷開,金絲直徑lmil拉力值F>6 gf為合格。

2.3.2 拉力測(cè)試設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件(見(jiàn)圖4)

設(shè)備:Dage series 4000

速度:170um/sec

圖4 拉力測(cè)試設(shè)備

圖5 拉線模式

2.3.3 拉力測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)表1)

表1 測(cè)試結(jié)果

2.3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

如果在鎳、金之間沒(méi)有鈀層,通過(guò)本鍵合實(shí)驗(yàn)研究,金厚度至少需要大于0.3μm。如果具有良好金線鍵合技巧,金厚度可以被適當(dāng)降低。

然而,如果引入鈀層,即使鈀厚度在0.01μm,也能得到良好的引線鍵合性能。可見(jiàn),引線鍵合性能的優(yōu)劣和金層厚度有直接的關(guān)系。所以,如果鈀厚度超過(guò)0.01μm,若控制金厚在0.2μm左右,同樣可以得到優(yōu)越的引線鍵合性能。

3 結(jié)論

3.1 對(duì)于推力測(cè)試

因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)產(chǎn)品除IC與PCB鍵合連接外,還要通過(guò)回流焊焊接兩顆電容,當(dāng)鈀層厚度超過(guò)0.1μm或者沒(méi)有鈀層時(shí),焊接性能將變差。而且,如果金層厚度變得較厚,焊接性能也將因金脆而變差。本文認(rèn)為鈀層厚度應(yīng)該被控制在0.02-0.07μm,可獲得良好的焊接性能。

3.2 對(duì)于拉力測(cè)試

如果在鎳、金之間沒(méi)有鈀層,金層厚度至少需要大于0.3μm。如果鈀層厚度為0.02μm,金層厚度需要大于0.2μm。本文認(rèn)為,鈀層厚度越厚,其性能越好。

3.3 優(yōu)越連接性能對(duì)鎳鈀金PCB的要求

如果僅為了得到優(yōu)越的焊接性能,建議鈀層厚度為0.05μm左右,金層厚度為0.05μm左右。如果需要良好的引線接合性,又需要較厚的金層厚度。所以,如果既要求優(yōu)越的焊接性又要求優(yōu)越的引線接合性,皮膜厚度應(yīng)該為鈀0.02—0.07μm,金0.15—0.2μm

Study on Bonding Technology of Digital Microphone of NiPdAu PCB

YU Jin-wei
(Weifang University,Weifang 261061,China)

In this paper,crucial structure of digital microphone are introduced,and bonding technology is leaded into NiPdAu PCB,and achieve the high reliability connect.And according to the demand of bonding technology,a series of bonding experiments have been done,obtain some related data and matched skin membrane thick parameter.

NiPdAu PCB,digital microphone,wire bonding,skin membrane,match

TN305.96

A

1671—4288(2011)02—0004-04

(責(zé)任編輯:肖恩忠)

2010-12-15

山東省國(guó)際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目(201013);濰坊市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(201001044)

于金偉(1967—),女,山東濰坊人,濰坊學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院副教授。