LTCC基板金丝热超声楔焊正交试验分析

2012-07-02金家富

电子与封装 2012年2期

金家富，胡骏

（中国电子科技集团公司第38研究所，安徽合肥 230088）

1 引言

目前，集成电路先进后封装过程关键技术中，封装管脚的90%以上采用引线键合技术。所谓引线键合技术，是指以极细的金属引线（通常选择延展性好的金、铝）两端分别与芯片和管脚键合，形成电气连接的技术。对于普通半导体封装，从性能和成本方面考虑，引线键合是最优的选择。相关资料表明，在使用微组装技术生产微电子产品的过程中，失效类型比例为有源器件31. 3%、线焊23. 2%、沾污21. 4%、基片8. 9%、外壳封装6. 3%、芯片贴装1. 8%和其他7. 1%。可见线焊的失效比例排在容易发生质量问题的第二位，金丝在电路模块中数量很多，并且单根金丝的失效就会危及模块乃至整机系统的正常工作。因此，控制和提高金丝键合质量就显得十分重要[1～2]。LTCC电路基板在微波多芯片组件中使用广泛，相对于电镀纯金基板，LTCC电路基板上金焊盘是丝印后烧结的，楔形键合强度对于参数设置非常敏感，具体表现为粘附不上、第二键合点不完整等，所以必须有一种有效的参数设置方法，为引线键合工艺设计提供依据。

2 键合原理[3]

丝焊键合技术分为三步：一是用外力将焊丝压倒在焊接区的表面上；二是提供焊接能量，热压焊用热能、超声焊用超声能量、热超声焊使用超声能和热能的组合；三是施加压力和能量后使金属表面产生塑性变形与分子扩散，从而使两种金属牢固地焊接在一起。丝焊键合的方式有球焊和平焊（楔焊）两种。本文使用楔形劈刀进行楔焊，外形如图1所示。楔形劈刀一般用陶瓷、碳化钨或碳化钛制成。

键合力的作用就是使金线与基框的键合表面紧密地接触在一起，是键合不可或缺的一部分。在保证超声输出功率与温度等因素不变的条件下，在一定的键合力范围内，键合强度与键合力的大小成正比，其他范围则成反比。键合力的大小还会影响到键合界面是否发生滑移或微滑。

键合时间是一次键合过程中超声开始到超声结束的时间间隔，只有在合理的键合时间范围内才能形成良好的焊接，过短的时间会导致剥离，过长会导致根切现象。其本质就是控制超声能量的输入。

超声功率与键合强度的关系大致为：当超声功率小于某一个值时，增大超声功率有利于提高键合强度；当超声功率大于某一个值时，增加超声功率将降低键合强度，并增加键合强度的离散程度。当超声功率大到一定程度时，键合强度就变得毫无规律，当超声功率处于上述两值之间时，能够产生比较稳定的具有足够强度的键合。

3 试验过程设计

3.1 试验设备及材料

试验设备为West bond 7476E型手动键合机。该型手动键合机具有操作方便、参数设置简单的特点，获得了较为广泛的应用。

楔形劈刀选用Deweyl公司生产的KNL-V系列CG型劈刀。CG型劈刀的特点是在键合平面上有一凹槽，键合时可以增大摩擦，减少超声能量的损失，有助于完成有效的键合。

图1 Deweyl公司的CG型劈刀

基板由Dupont 951生瓷材料经LTCC工艺加工而成，工艺流程如图2所示[4]。由于微波传输的需要，表层导带通常由金浆料印制烧结，且厚度保持在10μm左右，烧成后的LTCC基板如图3所示。

图2 LTCC工艺流程图

图3 LTCC基板

3.2 试验过程

根据键合工艺的参数设置选择超声时间、超声功率和键合力作为影响键合强度的影响因素，采用七因素两水平安排实验，形成L8（27）因素水平表（见表1），最后一列作为误差估计。每一水平键合两根金丝，用WEST BOND 70PTE拉力测试机进行键合强度测试，将测试值分别填入表格中。

各因素水平变化对试验指标影响的大小，可用该因素各水平间的极差R表示。这是由于正交表具有搭配均匀的特性，如表2所示。A列上的拉力Kj1和Kj2的差异可认为主要由A列上的不同水平引起的；同样B列、C列、D列、E列、F列上的拉力间差异也可认为主要是由B列、C列、D列、E列、F列上的不同水平引起的。

表1 正交试验L8（27）因素水平表

表2 正交试验方法与结果

4 数据分析

根据正交试验分析方法，分别从极差和方差角度对数据结果进行分析。

4.1 极差分析

从正交试验的计算结果来看，第一点的超声功率和第二点超声时间对键合强度影响最大，其次是第一点键合力。理论上讲，两个键合点的参数应当比较接近，第二键合点因为兼顾到断丝，一般参数上比第一点大一些就可以了。实际上，键合时除了设定第一点和第二点键合参数，还会利用操纵杆完成引线的成弧，线弧一般不会是相对于两点对称的圆弧形，从第一键合点到达拱弧最高点的斜率会大一点，根据力的合成与分解原理[5]，从拱弧最高点测定键合强度时第一点的贡献会更大。因此，第一键合点的参数设置尤为关键，它对提高键合拉力测试值作用明显。