廖小平，楊 兵

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

1 引言

在半導(dǎo)體工業(yè)中，超聲引線鍵合是當(dāng)前最重要的微電子封裝技術(shù)之一，目前90%以上的芯片均采用這種技術(shù)進(jìn)行封裝[1]。鋁絲楔焊鍵合是超聲引線鍵合的一種，它是通過超聲振動和鍵合力的共同作用將半導(dǎo)體芯片壓焊區(qū)與管殼引腳之間用鋁絲連接起來的封裝工藝技術(shù)，與金絲鍵合技術(shù)相比，由于其鋁絲（約含有1%的硅）成本低、可在室溫下實現(xiàn)鍵合，且在與芯片和電極的結(jié)合面不易生成金屬間化合物，在高可靠性氣密封裝方面實現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用。

鋁絲楔焊鍵合雖然應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代末，但由于涉及到物理、化學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)和摩擦學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域，到目前為止仍有許多問題沒有得到確切的解釋，因此研究它很有必要。一般認(rèn)為影響鋁絲楔焊鍵合強度的因素包括：從封裝設(shè)計看，它與鍵合引線的絲徑、長度、焊盤的大小等有關(guān)；從鍵合工藝看，它與超聲功率、鍵合壓力、鍵合時間和線弧參數(shù)等有關(guān)[2～3]；從鍵合區(qū)（即芯片焊盤或管殼引腳表面）看，它與鍵合區(qū)鋁層、管殼上金屬化布線、鍵合使用的劈刀及鋁線材料性質(zhì)等有關(guān)[4]。因此研究各種因素對鋁絲楔焊鍵合強度的影響以及各種因素間的相互作用關(guān)系，為實際生產(chǎn)中鍵合工藝的優(yōu)化及制品異常分析提供參考。本文通過在鍍鋁硅圓片的鍵合區(qū)上進(jìn)行細(xì)鋁絲楔焊鍵合試驗來研究線弧參數(shù)對鋁絲楔焊鍵合拉力的影響規(guī)律。

2 實驗

2.1 實驗原理

在保持固定的鍵合功率、鍵合時間、壓力等參數(shù)的條件下，本文通過改變線弧參數(shù)（包括線弧高度、線弧起始角度和反向距離等），完成鋁絲與鍵合區(qū)的連接，通過測試引線的鍵合拉力來研究線弧參數(shù)對鋁絲楔焊鍵合可靠性的影響，引線輪廓拉弧過程如圖1所示。圖1中，BC段為反向距離，CD為垂直距離，E為引線弧度的最高點。

圖1 引線輪廓拉弧示意圖

2.2 實驗過程

2.2.1 鋁絲楔焊鍵合實驗設(shè)備

本文實驗所采用設(shè)備為德國HESSE&KNIPPS半導(dǎo)體設(shè)備有限公司生產(chǎn)的BJ820 45°焊頭細(xì)鋁絲超聲引線鍵合機，實驗過程中采用由標(biāo)準(zhǔn)碳化鎢硬質(zhì)合金制作的楔形劈刀（美國SPT公司生產(chǎn)），將直徑為32 μm的硅鋁絲（新加坡賀力氏有限公司生產(chǎn)，拉斷力為19～21 g）鍵合到鍍鋁硅圓片上。

2.2.2 鍵合情況表征方法

用Dage4000微測試儀測量鍵合完和經(jīng)過300 ℃、1 h烘烤后鋁絲的拉力值來表征其鍵合的可靠性，鍵合引線拉力測試原理如圖2，測試?yán)^位置位于每根線的最高點下方即弧線最高點的下方。采用200倍的顯微鏡觀察第一鍵合點根部表面情況。

3 實驗結(jié)果及討論

3.1 線弧高度對鋁絲楔焊鍵合拉力的影響

通過鍵合相等長度3.5 mm的鋁絲，僅改變線弧的高度來測試鍵合拉力的變化，圖3表示在200 μm、300 μm、400 μm、500 μm、600 μm線弧高度情況下鍵合拉力的趨勢對比，由圖中可以看出所有樣本的拉力值均在6 gf以上，且隨著線弧高度的增加，鍵合拉力的平均值也增加，同時之間存在著明顯的差異。這一結(jié)果表明線弧的高低直接影響鍵合拉力的數(shù)值，然而在采用陶瓷外殼封裝的電路實際生產(chǎn)中，并不是線弧越高越好，還必須綜合考慮外殼內(nèi)腔的深度和芯片的厚度。

圖2 鍵合引線拉力測試原理圖

圖3 不同線弧高度的拉力數(shù)據(jù)對比

3.2 線弧起始角度對鋁絲楔焊鍵合拉力的影響

圖4 200倍顯微鏡下不同線弧起始角度的第一焊點形變照片

通過鍵合相等長度3.5 mm的鋁絲，僅改變線弧起始角度來研究其鍵合情況，圖4為200倍顯微鏡下，觀察到的線弧起始角度在30°、45°、60°、90°和120°時第一鍵合點的照片，從圖中可以看出，起始角度為30°、45°、60°時，第一鍵合形變點與引線結(jié)合比較圓滑，而為90°和120°時，第一鍵合點根部出現(xiàn)了不同程度的損傷，表現(xiàn)為根部出現(xiàn)了一道裂紋。這是因為起始角度太大，鍵合完第一焊點后，線夾打開，劈刀上升到線弧設(shè)定高度位置，由于送線角度為45°，與線弧起始角度相差太大，這個過程中鋁線產(chǎn)生彎折，引起了損傷。圖5是用不同線弧起始角度鍵合完后的拉力數(shù)據(jù)分布結(jié)果。可以看到，拉力值均分布在6～10 gf之間，相互之間并沒有表現(xiàn)出很大的差異，這表明不同線弧起始角度對烘焙前的鍵合拉力沒有很大的影響。

圖5 不同線弧起始角度的烘焙前鍵合拉力數(shù)據(jù)分布圖

表1為300 ℃、1 h烘焙后不同起始角度的鋁絲鍵合拉力實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果?？梢钥闯?，對比烘烤前鍵合拉力值，不同線弧起始角度對烘烤后鍵合拉力有很大的影響。當(dāng)線弧起始角度為45°，與劈刀進(jìn)線角度一致時，其鍵合拉力平均值最大，標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，CPK值也最大，所有拉力數(shù)據(jù)均基于3.5～6.5 gf之間，整體過程比較穩(wěn)定；而與劈刀進(jìn)線角度相差越大時，鍵合拉力值波動較大，當(dāng)線弧起始角度為90°和120°時，其CPK＜1.33，起始角度為120°時，鍵合拉力小于3 g的百分含量為4%。這是因為300 ℃烘烤過程中，第一鍵合點根部出現(xiàn)的裂紋，產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致裂紋擴(kuò)張，因此最小的鍵合拉力只有2.13 gf。由此可見，為保證鍵合可靠性，線弧起始角度應(yīng)與劈刀進(jìn)線角度一致。

3.3 拉弧過程中反向距離對鋁絲楔焊鍵合拉力的影響

圖6為200倍顯微鏡下，觀察到的反向距離設(shè)置在0、50μm、100μm、250μm和450μm時第一鍵合點的照片，從圖中可以看出，拉弧過程中加有反向距離時，其第一鍵合點根部出現(xiàn)了不同程度的損傷，通過分析圖1的拉弧示意圖，線弧做反向運動時，第一鍵合點的根部也會受到一定的拉力，使第一鍵合點根部受到拉傷。圖7是拉弧過程中加有不同反向距離時鍵合完的拉力數(shù)據(jù)分布結(jié)果，可以看出，拉力值也均分布在6～10 gf之間，也表明對烘焙前的鍵合拉力沒有很大的影響。生損傷的原因一致，可能是裂紋擴(kuò)張導(dǎo)致其最小的鍵合拉力只有1.82 gf，這不符合國軍標(biāo)2 gf的要求，判斷為失效[5]。因此鋁絲楔焊鍵合拉弧過程中，盡量不用反向距離。

表1 300 ℃、1 h烘焙后不同起始角度的鋁絲鍵合拉力實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計（單位：gf）

圖7 拉弧過程中不同反向距離的鍵合拉力數(shù)據(jù)分布圖

圖6 200倍顯微鏡下不同反向距離的第一焊點形變照片

表2為300 ℃、1 h烘焙后不同反向距離的鋁絲鍵合拉力實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。可以看出，對比烘烤前鍵合拉力值，不同反向距離也對烘烤后鍵合拉力有很大的影響，反向距離設(shè)置越大時，鍵合拉力值波動較大，反映為標(biāo)準(zhǔn)偏差變大。當(dāng)反向距離設(shè)置為100 μm以上時，其CPK＜1.33；反向距離設(shè)置為250 μm時，鍵合拉力小于3 g的百分含量為1%；反向距離設(shè)置為450 μm時，鍵合拉力小于3 g的百分含量為7%。這與線弧起始角度過大引起第一鍵合點根部產(chǎn)

表2 300 ℃、1 h烘焙后不同反向距離的鋁絲鍵合拉力實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計（單位：gf）

4 結(jié)論

（1）鋁絲楔焊鍵合過程中，線弧越高，其鍵合的引線拉力值越大；

（2）經(jīng)過300 ℃、1 h烘焙后，不同線弧起始角度和反向距離對鍵合拉力有很大的影響；

（3）鋁絲楔焊鍵合拉弧過程中，線弧起始角度應(yīng)與劈刀進(jìn)線角度保持一致，同時盡量不用反向距離。

[1] Chiu S S, Chan H L W, et al. Effect of electrode pattern on the outputs of piezo sensors for wire bonding process control [J]. Materials Science and Engineering, 2003, 99（2）∶121-126．

[2] Mayer M, Paul O, et al. Microelectronic bonding process monitoring by integrated sensors [M]. Konstanz：Hartung-Gorre Very-lag, 2000．

[3] Ramminger S，Sel1ger N，et al. Reliability model for Al wire bonds subjected to heel crack failures [J].Microelectronics Reliability, 2000, 40（10）∶1521-1525．

[4] 王福亮，韓雷，等.超聲功率對引線鍵合強度的影響[J].機械工程學(xué)報, 2007, 43（3）∶107-110.

[5] 中國人民解放軍總裝備部. 微電子器件試驗方法和程序[S]. 北京. 2005.