基于镍钯金PCB的数字声传感器键合工艺研究＊

于金伟

(潍坊学院,山东 潍坊 261061)

基于镍钯金PCB的数字声传感器键合工艺研究＊

于金伟

(潍坊学院,山东 潍坊 261061)

本文介绍了数字传声器的关键结构,并基于其焊接及键合工艺的特点引入了镍钯金PCB,实现了其高可靠性的连接;并根据键合工艺的的要求,进行了一系列引线键合实验,取得了相关数据,得出了相匹配的皮膜厚度参数。

镍钯金PCB;数字传声器;引线键合;皮膜;匹配

随着IT技术的日益发展,各类电子系统中数字电路所占比重越来越大,尤其在PC的多媒体音视频应用及3G手机应用领域,对音频信号的输入质量及抗外界各种干扰的能力都提出了更高的要求,这些要求靠传统模拟传声器本身声学性能的改进已经难以奏效,而通过对传声器阵列的音频数字信号进行算法的处理后则可以较理想地达到消除回声、屏蔽噪声、增强波束指向性等效果。这就是所谓的数字传声器,是直接输出数字脉冲信号的声传感器器件。它采用内置前置放大及A/D编码的IC芯片,把模拟电信号转成数字脉冲信号。这种传声器相对于传统传声器的最大优点在于数字信号可以直接与相应解码芯片(CODEC)接口进行数据传输,相比于传统传声器对于信号衰减和噪声夹杂的问题都得到了很好的解决。正是由于这些优势,数字传声器具有很大的潜在市场。

1 数字传声器的关键结构

数字传声器外形与通常的驻极体传声器类似,基本结构为一个换能器,用于产生代表声信号的模拟信号(通常是由振膜及其驻极体背极板来完成的);一个∑-△模数转换芯片。如图1所示,按照抽样速率并以∑-△调制比特流的形式从模拟信号中产生数据输出信号。

数字传声器的核心器件是内置的∑-△模数转换IC芯片,它完全取代了传统场效应管(FET)并实现了模拟信号到数字信号的转换功能。该芯片通过Die Bonding的方式安装于PCB上,并通过引线键合工艺实现芯片管脚与PCB焊盘间的互连,其连接的可靠性直接影响到该器件的功能,是数字传声器的关键结构。其结构如图2所示。

图1 数字传声器结构示意图

图2 IC芯片键合结构示意图

为提高PCB连接可靠性,特别是这种IC封装用PCB与芯片连接的可靠性,国外一直在研究连接盘表面处理方法,近两年又推出了化学镀镍化学镀钯与浸金工艺,应用于IC封装用PCB的表面镀层,这就是所谓的镍钯金PCB。

在推出这种新型键合皮膜前,通常采用沉镍浸金沉金(ENIGEG)皮膜,其金层厚度一般高于0.5μm。而此工艺要求线路板要在沉金缸里浸泡很长的时间,在敏感的沉金缸内,阻焊保护层和基材释放出某些物质导致金缸污染。值得注意的是在小于100μm精密线宽及线距的情况下,此体系或会超出其选择性界限,渗镀或甚至过镀在阻焊保护层上,从而导致连接盘之间短路。厚金层高昂的成本和冗长流程时间导致的低生产效率限制了此工艺的广泛应用。

对于防止化学镀镍浸金过程镍与金界面中金属化合物(镍氧化物)危害,有两个办法:(1)加厚金镀层,阻止镍氧化层渗出,但金层厚度增加必然提高成本,而镀层内部氧化物存在总是个隐患;(2)完全抑制镍与金界面中金属化合物产生,在镍层与金层之间隔入一种稳定的金属层—钯,钯层完全隔离了镍的迁移和阻止新的化合物产生。这种新的连接盘最终表面处理技术称为化学镀镍化学镀钯与浸金(ENEPIG:Electroless Nickel,Electroless Palladium,and Immersion Gold),这种镀层被称为全能型PCB表面镀层,正好适用于数字传声器这种既有引线键合要求又有回流焊接要求的高可靠性连接产品。

2 IC芯片与镍钯金PCB键合工艺的匹配实验

2.1 键合工艺参数及材料的选择

2.1.1 键合温度

键合温度能够帮助移除表面污染物,如潮汽、油、水蒸汽等,增加分子的活跃程度有利于合金的形成。但是过高的温度不仅会产生过多的氧化物影响键合质量,并且由于热应力应变的影响,图像监测精度和器件的可靠性也随之下降。在实验中,温控系统都会添加预热区、冷却区,提高控制的稳定性。本实验IC芯片键合机台(TPT HB16)键合温度设置在150-180℃。

2.3.1 拉力测试要求2.1.2 键合机台压力、功率

超声功率使焊线和焊接面松软,产生热能,形成分子相互嵌合合金,改变球形尺寸。超声功率对键合质量和外观影响最大,因为它对键合球的变形起主导作用。过小的功率会导致过窄、未成形的键合或尾丝翘起;过大的功率导致根部断裂、键合塌陷或焊盘破裂。超声功率和键合压力是相互关联的参数,增大超声功率通常需要增大键合力使超声能量通过键合工具更多的传递到键合点处。因此在生产过程中设置键合机台压力和功率参数时,需要将两者密切综合考虑。本实验的设置为超声功率:250mW(1st),250mW (2nd);键合力:25g(1st),50g(2nd)。

2.1.3 键合时间

键合时间是指控制超声能量作用的时间,本实验芯片键合时间设置在200msec(1st),50msec(2nd)。一般来说,太短的焊线时间无法形成良好的合金,焊线时间过长是导致拉力不良或芯片电极损伤的原因。键合时间越长,引线球吸收的能量越多,键合点的直径就越大,界面强度增加而颈部强度降低,会使键合点超出焊盘边界并且导致空洞生成概率增大。因此设置合适的键合时间也显得尤为重要。

2.1.4 劈刀

键合劈刀的选择和使用磨损状况对于焊点的质量有着重要影响,劈刀寿命一般为200万点。随着劈刀的使用焊点数的增加,劈刀磨损也越来越严重。实验前要对劈刀状况进行确认。

2.1.5 金丝

金丝作为一个重要的原材料必须具备如下几个重要的特性:良好的机械性能和导电性能,合适的破断力,选择正确的尺寸,表面清洁无污染无损伤。本实验金丝直径选择lmil,纯度为99.99%,延伸率为2%-8%,断裂负荷要求:lmil金丝大于10gf。

2.2 键合设备及参数的确定(见图3)

引线键合实验参数:

设备:TPT HB16(半自动键合仪)

图3 引线键合设备:TPT HB16(半自动键合仪)

毛细管:B1014-51-18-12(PECO)

引线:1mil-金线

键合温度:150℃

超声功率:250mW(1st),250mW(2nd)

键合时间:200msec(1st),50msec(2nd)

键合力:25g(1st),50g(2nd)

方言即为语言的次类，它也有着完整的语言体系，主要表现在语音、语调、词法和句法等方面。本文对方言的语言体系重点分析英语方言的语音和词法风格两方面的内容。

键合距离:0.700mm(1st—2ndwire length)

2.3 拉力测试

拉力测试被广泛用在热超声焊线中,它是一种破坏性的测试,能够测

试出最薄弱的断点,测试点和拱丝的特点直接影响测量数值大小。本实验键合金线拉力及断点位置要求为:拉线时第一点金球不能与电极之间脱开,第二点楔形不能与PCB键合区脱开,即此时不论拉力F为何值都判定不合格;如从其它点断开,金丝直径lmil拉力值F>6 gf为合格。

2.3.2 拉力测试设备和实验条件(见图4)

设备:Dage series 4000

速度:170um/sec

图4 拉力测试设备

图5 拉线模式

2.3.3 拉力测试结果(见表1)

表1 测试结果

2.3.4 实验数据分析

如果在镍、金之间没有钯层,通过本键合实验研究,金厚度至少需要大于0.3μm。如果具有良好金线键合技巧,金厚度可以被适当降低。

然而,如果引入钯层,即使钯厚度在0.01μm,也能得到良好的引线键合性能。可见,引线键合性能的优劣和金层厚度有直接的关系。所以,如果钯厚度超过0.01μm,若控制金厚在0.2μm左右,同样可以得到优越的引线键合性能。

3 结论

3.1 对于推力测试

因为本实验产品除IC与PCB键合连接外,还要通过回流焊焊接两颗电容,当钯层厚度超过0.1μm或者没有钯层时,焊接性能将变差。而且,如果金层厚度变得较厚,焊接性能也将因金脆而变差。本文认为钯层厚度应该被控制在0.02-0.07μm,可获得良好的焊接性能。

3.2 对于拉力测试

如果在镍、金之间没有钯层,金层厚度至少需要大于0.3μm。如果钯层厚度为0.02μm,金层厚度需要大于0.2μm。本文认为,钯层厚度越厚,其性能越好。

3.3 优越连接性能对镍钯金PCB的要求

如果仅为了得到优越的焊接性能,建议钯层厚度为0.05μm左右,金层厚度为0.05μm左右。如果需要良好的引线接合性,又需要较厚的金层厚度。所以,如果既要求优越的焊接性又要求优越的引线接合性,皮膜厚度应该为钯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

(责任编辑:肖恩忠)

2010-12-15

山东省国际科技合作计划项目(201013);潍坊市科技发展计划项目(201001044)

于金伟(1967—),女,山东潍坊人,潍坊学院机电工程学院副教授。