绝缘引线在陶瓷封装中的应用

杨 兵，张国华，李宗亚

（无锡中微高科电子有限公司，江苏 无锡 214035）

1 引言

陶瓷封装是指以陶瓷材料为基体、以柯伐材料为盖板进行封接的气密性封装，它是空封器件，腔体中除了芯片、键合丝、芯片粘接材料外，没有其他的填充材料。采用该封装技术的电子元器件具有较高的长期可靠性。

在陶瓷封装工艺中，引线键合互连技术是指采用金线、铝丝或铜丝等金属丝将芯上的PAD（焊盘）与基板上的LEAD（键合指）连接起来，实现芯片功能的输出。该连接需要有低的接触电阻和足够的机械强度。引线键合技术历史长，技术基础雄厚，加工灵活，它利用热能、超声波能量、压力来实现键合，键合时无方向性，速度快，效率高，在大规模生产中目前能够达到键合节距（PITCH）约40 μm的水平。

引线键合技术是一种固相键合方法，其基本原理是：在键合过程中，采用超声、加压和加热等方式破坏被焊接表面的氧化层和污染物，产生塑性变形，使得引线与被焊接面亲密接触，达到原子间的引力范围并导致界面间原子扩散而形成有效焊接。

引线键合的局限性在于引线连接被限制在芯片的四周。在陶瓷封装工艺中，当芯片I/O数量增加时，高I/O数相对应的陶瓷基板键合指因为空间尺寸关系则采用多层分布，最终的键合互连引线达到4～5层，这就必然导致部分键合引线长度达到4.0 mm以上。而键合引线长度的增加将导致在机械冲击、扫频振动、恒定加速度等环境试验时键合丝容易扭曲变形，导致相邻引线发生短路现象，在加电冲击试验时容易出现瞬间的引线短路问题，引起整机功能失效。长度3.7 mm键合引线的冲击试验模拟图如图1所示。

通过高速摄像机拍摄试验过程，发现失效电路的部分引线在冲击试验过程中存在振动。从影像中可以看出，在电路的边角有部分键合丝振动明显，幅度比较大，从图像上计算振动频率：10次/0.02 s=5 000 Hz。该现象容易形成瞬间的引线短路，导致电路失效。

图1 加电冲击试验中键合引线出现瞬间的短路

在陶瓷封装工艺中，当芯片和相应的陶瓷外壳均已定型时，键合引线的长度就已确定。在键合引线长度大于3.0 mm以上时，在不更改封装结构的情况下，为了解决加电冲击试验过程中出现的引线瞬间短路问题，是否可以采用绝缘引线进行该类电路的键合，本文就这一问题进行了试验验证和讨论。

2 绝缘引线材料

绝缘引线是Microbonds Inc公司独家所有的专利产品，其产品型号为X-WireTM2.0。绝缘引线是指在金线或铜丝本体的表面重新镀上一层有机薄膜绝缘层材料。该种引线在键合完毕后芯片焊盘和键合指之间的连接具有导电特性，而同时引线与引线之间具有绝缘特性。

该绝缘引线的特性如下：

（1）绝缘引线本体为金线，具有常规金线/铜丝的特性，包括延伸率、破断强度等。

（2）绝缘层具有高的绝缘强度、抗龟裂性、高挠曲强度等特性，与金材料粘附强度良好，无裂纹和剥落，热稳定性良好，能有效防止电路因键合引线的碰触、交叉出现的短路现象。

（3）绝缘引线的表面绝缘层厚度约为75 nm，击穿电压为50 V。

（4）绝缘引线能够在现有的引线键合设备上完成键合。

（5）从性能方面分析，绝缘引线键合能够在芯片单位面积上提供更多的连接点，使用低成本且更小的芯片，降低键合点的限制。

（6）绝缘引线允许引线相互接触，所以设计时就可能布线非常密，设计灵活。

（7）绝缘引线的直径有Φ20 μm、Φ23 μm 和Φ25 μm三种规格。

3 绝缘引线的键合

3.1 键合材料的准备

为验证绝缘引线是否可应用于陶瓷封装电路，进行了试验批电路的陶瓷封装，陶瓷外壳采用CQFP208，封装数量为50只，每只电路的键合引线数量约300根。为了进行对比，键合丝分别采用本体为Φ25 μm AW99的绝缘引线X-WireTM2.0和常规金线Φ25 μm AW99。

键合材料的处理与常规的金线或铜丝键合一样，陶瓷基板键合指表面的洁净对绝缘引线键合的成功应用起着关键作用，键合前的等离子清洗是至关重要的。

3.2 键合设备

键合设备采用K&S公司Maxumμltra金线球焊键合机。

键合机的设置：使用绝缘引线需要对键合机做一些简单的改动，主要是键合线的接地部分。通常键合机上键合线的接地是通过线夹来完成的，这样用来产生FAB的高电压EFO放电便通过线夹形成其回路。但是对于绝缘引线，其线端可能被作为接地点，和绝缘引线本身一起形成回路。这样是为了防止在FAB形成时对镀层造成过度的损伤。

3.3 键合劈刀的选择

为绝缘引线选择合适劈刀的过程与普通键合线类似，要考虑许多几何要素，如内孔径（H）、斜面直径（CD）、迎面角（FA）、斜面角（CA）、外半径（OR）和尖端表面处理等。绝缘引线因其表面镀层极薄，不需要增加额外的内孔尺寸。

绝缘引线的键合要求劈刀的尖端处理粗糙，较粗糙的表面处理能使得劈刀与镀层的引线结合较好，以便最大限度地传递超声能量，可以进一步提高月牙型键合的强度。

3.4 键合工艺参数

键合工艺参数的正确理解和应用可以使绝缘引线键合获得同普通引线键合一样的键合强度。

绝缘引线的自由空气球FAB的形成主要取决于正确的参数选择，例如尾线长度、EFO电流、间隔和时间。一般情况下，与普通的金线或铜丝相比，绝缘引线要求较小的EFO间隙和较低的EFO电流来获得最优的FAB质量。X-wire绝缘引线的一个特别之处是焊球形成后表面会出现像西瓜皮一样的带状条纹，如图2所示。

图2 绝缘引线键合的金球SEM照片

芯片上的球焊键合点：通常绝缘引线球焊键合和常规金线球焊键合的剪切强度相差不多。

键合指上的月牙型键合点：为了获得强壮的第二键合，需要利用键合设备的一些特殊功能（如进行轻微的刮擦动作来增加镀层材料的去除程度）以提高键合强度。

3.5 绝缘引线键合质量检验

（1）键合电路的最长键合引线长度为3.7 mm，平均引线长度为3.3 mm。

（2）电路性能测试，对键合完毕的电路全部进行电性能测试，绝缘引线和常规金线键合的电路测试结果均正常。

（3）键合完毕后进行键合引线拉力强度测试，绝缘引线和常规金线键合的电路测试结果均满足GJB548B-2005方法2011.1的要求。

（4）键合完毕后进行金球抗剪强度测试（金球直径约60 μm），根据EIA/JESD22-B116 球压焊的破坏性剪切试验方法，绝缘引线的金球抗剪强度最小测试值为29 g，常规金线的金球抗剪强度最小测试值为30 g，均合格。

（5）键合弧线外观质量检测，绝缘引线的表面颜色与常规金线颜色不一样，少量引线上明显有绝缘镀层缺少的现象，如图3所示。

图3 绝缘引线和常规金线表面颜色对比

4 绝缘引线的键合可靠性试验

可靠性试验前，所有的试验电路均经过相关电性能测试，测试合格品用于可靠性考核试验，可靠性考核的试验条件如表1所示。

表1 绝缘引线键合电路可靠性试验条件

绝缘引线键合的金球EDX成份分析结果如表2 所示。

表2 绝缘引线键合的金球EDX成份分析

采用绝缘引线键合的电路在温度循环和稳态寿命试验后绝缘层表面颜色有变化，类似于绝缘层溶解变薄，但是该电路在加电冲击试验过程中无瞬间短路问题出现。

为了进一步验证绝缘层的耐温情况，进行了300 ℃、1 h和300 ℃、24 h烘烤试验，试验结果表明300 ℃、1 h后绝缘层仍然存在，而300 ℃、24 h后绝缘层完全消失。

从试验结果分析，采用绝缘引线键合的电路能够通过相关可靠性考核试验，能有效防止电路因键合引线的碰触、交叉出现的短路现象，能够解决加电冲击试验过程中出现的引线瞬间短路问题。

5 结束语

绝缘引线材料是一种特殊的技术，在陶瓷封装中只能有限应用，不能长期应用于高温高湿环境。要解决长引线在加电冲击试验时出现的瞬间短路问题应优化封装结构，缩短键合引线，从根源上解决问题，绝缘引线材料只是临时的应急处理方案。

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