金丝键合主要工艺参数技术研究

刘文

摘 要：介绍了金丝键合技术，阐述了影响金丝键合强度的主要工艺参数，采用超声热压技术和楔形键合方式对25μm的金丝进行键合正交试验。通过对测试结果进行极差分析，获得了超声功率、超声时间和热台温度的最佳匹配组合关系及影响键合强度的主次因素顺序关系。

关键词：金丝键合 工艺参数 正交试验

1引言

微组装技术因成本低廉、实现简单、热膨胀系数小、适用电路封装形式多样化等优点[1]，在现代通信系统中发挥着至关重要的作用。金丝键合是微组装技术中的关键工艺，其键合质量好坏直接影响产品可靠性和电性能稳定性。衡量金丝键合质量好坏的主要指标为键合强度，而键合强度的期望值不能通过单独改变某个工艺参数即可实现，需对某些主要工艺参数进行调节，才能达到最佳效果。

2金丝键合定义

金丝键合是多芯片微波组件中常用的工艺，它是指将延展性和导电性很好的极细金丝压焊在基板-基板、基板-芯片或芯片-芯片表面上，实现电气特征相互关联的一种技术。

根据键合能量的不同，金丝键合分为热压键合、超声键合和超声热压键合[2][3]。

根据键合方式和劈刀外形、材料的不同，金丝键合又分为球形键合和楔形键合[3]。

3 键合强度影响因素

影响金丝键合强度的工艺参数有很多，从设备方面考虑，它与超声功率、超声时间、热台温度、键合压力、劈刀温度和劈刀安装长度等因素有关；从被键合表面上考虑，它与被键合面的材料特性、厚度、平整度、清洁度和处理工艺等因素有关[1]。根据以往经验，影响键合强度最主要工艺参数为：超声功率、超声时间和热台温度。

3.1超声功率

超声是指振动频率大于1200Hz的振动波。适当的超声功率是金丝键合具有可靠性的前提，能够产生足够强度的、稳定的键合。过小的超声功率会导致金丝翘起，无法焊接或只微焊接于焊点上，而过大的功率会导致焊点发生形变，甚至金丝断裂或焊盘破裂[3]。

3.2超声时间

超声时间是指在劈刀上施加超声功率和键合压力的作用时间，目的是控制超声能量。恰当的超声时间有助于清除金丝表面的氧化物层，增强键合效果。过短的超声时间导致键合点狭窄、金丝剥离，而过长的超声时间不会增大键合点面积，相反会导致根部切断[3]。

3.3热台温度

热台温度在一定程度上决定了键合成功率。适当的热台温度能够帮助清洁键合表面的污染物层，激发金属原子的活跃性，促进原子之间的接合。过低的热台温度会降低键合强度，导致金丝脱离。然而，过高的热台温度，则会破坏某些键合面的物理特性和化学特性，降低键合质量，甚至损坏电子器件[1]。

4试验条件及方法

本文采用超声热压技术及楔形键合方式对影响金丝键合强度的主要工艺参数进行试验。采用的金丝键合设备为Shimadzu Institute公司的Model 7476E，如图1所示。基板材料为Rogers 4350B，厚度为0.254mm，表面镀金厚度为35μm，金丝直径为25μm。

试验过程中选择超声功率、超声时间和热台温度三个主要工艺参数作为研究对象，并对每个工艺参数设置三个水平，每组工艺参数设置完成后进行金丝键合。

5试验结果及分析

为了有效分析每组工艺参数对键合强度的影响，选择正交试验法进行研究。同时，为了从正交试验结果中得到金丝键合最佳匹配工艺参数水平组合关系，采用L9（33）正交表作为分析方法。每组工艺参数设置及其键合拉力测试平均值见表1所示，其中键合拉力测试值为每组工艺参数条件下的20根金丝键合破坏性拉力测试总值的算术平均值，单位为g。

从表1可以看出，在每组工艺参数条件下，其拉力测试平均值最小为7.825g，最大为10.375g，可见能够很好地满足电气互连可靠性。同时，从表1还可以看出，金丝键合最佳匹配工艺参数水平组合关系为：第一键合点超声功率为180，超声时间为20ms，第二键合点超声功率为230，超声时间为30ms，热台温度为95℃。

为了进一步确定每个因素对键合强度的主次影响关系，采用正交试验法中的极差法对表1结果进行数理统计分析。极差大说明该因素影响程度大，极差小说明该因素影响程度小。

超声功率、超声时间和热台温度极差分析结果如表2所示。

从表2计算结果可见，极差值R大小顺序依次为超声功率、热台温度、超声时间，即影响金丝键合强度的以上因素中，超声功率影响程度最大，其次为热台温度，最后为超声时间。

6结论

本文是在前期金丝键合工艺经验基础上，针对影响键合强度的主要工艺参数进行的探索性试验，目的是找出最佳匹配工艺参数水平组合和影响因素主次顺序，为后续公司型号产品小型化、低成本设计提供微组装工艺技术支持。

参考文献：

[1] 宋云乾.基于正交試验的金丝键合工艺参数优化[1].无锡：电子工艺技术，2014，35（2），74-77.

[2] 旷仁雄，谢飞. 25μmAu丝引线键合正交试验研究[J].成都：半导体技术，2010，35（4），369-372

[3] 孙瑞婷.微组装技术中的金丝键合工艺研究[J].扬州：舰船电子对抗，2013，36（4），116-120.