声表面波器件工艺原理-8引线键合工艺原理

声表面波工艺原理第八章引线键合工艺原理Page1of6八，声表器件引线键合工艺原理：在SAW器件的后封装工艺中，尽管目前已发展了倒装焊（FC）等其它互连技术，但引线键合仍是主要的互连技术。其目的是完成器件内引线与外引线的连接，即利用金属丝将芯片上的压点与底座上相对应的电极连接起来。引线键合应具有低的接触电阻，合适的机械强度，长期的金相稳定性和小的寄生参量；常用方法有热压键合、超声键合、热超声键合。下面对键合用引线及几种常用键合方法作简单介绍：（一）键合引线：键合用引线对器件的可靠性和稳定性关系很大，理想的引线材料应具备化学性能稳定（不会形成有害的金属间化合物），可塑性好，弹性小，结合力强，低的欧姆电阻（并能与待压点金属层形成低欧姆接触）。键合方法不同，引线材料也不同，如热压焊常用金丝，超声焊常用铝丝。1，金丝：金具有优良的抗氧化性，化学性能稳定，延展性好，抗拉强度高，4个9的金丝为热压焊和热超声焊的标准用材。为增加机械强度，金丝中常添加5-10PPm的铍或30-100PPm的铜。金在高温时（200℃），易与铝产生脆性的金属间化合物AuAl2（紫斑）和Au5Al2（白斑），同时在接触处因相互扩散形成空洞；而使金-铝键合点导电能力变差，并极易碎裂产生脱键，因此使用金丝时，应尽量避免采用金-铝系统，而采用金-金结合。2，铝丝：铝具有良好的导电性，成本低，可避免金-铝系统的“紫斑”，而成为铝-铝系统常用导线。纯铝柔软，键合性差，为增加其强度，故标准铝丝为AlSi合金（Si：1%）。由于铝化学性质活泼，易氧化，因此它不适宜于热压焊，而适用于超声键合和气密性封装的器件。另外铝丝和金层键合同样会产生“紫斑”，但当二者实际接触宽度L与金层厚度d之比大于4时（L/d4），不会引起电阻变化。3，关于键合引线的“退火”：为减小金属丝硬度，改善延伸性及净化表面，键合使用的金属丝要经过退火处理。铝丝（金丝）退火一般在氢气、氮气或真空中进行，硅铝丝退火温度为450℃左右，金丝退火温度650℃左右；恒温15-20分，自然冷却。要求退火后的金属丝表面光亮，具有金属光泽，不氧化，不发脆，可塑性好。（二）超声键合：由于SAW器件的压电基片表面以铝为主，而铝丝超声键合工艺具有不需加热，Al-Al系统不易受腐蚀，有好的可靠性，成本低等优点，因此超声键合是SAW器件键合技术中的首选。它的缺点是必须旋转芯片和底座，使其始终处于楔焊方向，故速度较慢；其次，它对管芯、底座的平整度要求较高，否则，不仅会使压点接触热阻增大，而且，当为保证焊接，施加合适的压力时，会损伤芯片；另外，铝丝因其固有的抗弯曲性能差，以及设备的设置可能不当（键合参数、焊头移动形式、铝丝和劈刀的选择等），所导致的根切问题常是超声键合的重要缺陷。1，超声键合原理：换能系统将超声发生器产生的高频电信号，通过压电陶瓷（PZT）晶片的逆压电效应，转换为轴向高频机械振动经变辐杆放大并传递到劈刀，再由劈刀将其转换为与芯片平行的横向振动，劈刀末端带动金属丝（Al）在芯片压点的铝层表面来回磨擦，从而将超声能量传递到键合界面，摩擦击破了键合界面上的氧化膜、潮湿层及污染物，暴露出洁净的金属表面，同时，磨擦产生的热量也软化了界面，在劈刀压力的作用下产生塑性形变，并使两金属面紧密接触，依靠原子间的引力实现了键合。2，工艺质量要求：声表面波工艺原理第八章引线键合工艺原理Page2of6键合点应光亮、平滑，形变的横向尺寸（即压扁宽度）约为铝丝线径的3/2-5/3，压点间距离100×引线直径；焊点中心发白亮，边沿四周呈一圈暗黑，发亮部分越亮，键合质量越好。对键合的可靠性通常以拉力实验检验，美军标规定，对25µ的铝丝应作0.02N（2g）力的无损拉力实验。3，影响超声键合质量的因素：1）压力：理想的键合压力应是使劈刀的横向振动（超声振动），最大限度的传递到焊接界面。当超声波输出功率及键合时间一定时，压力过小，铝丝与铝层之间磨擦不够，塑性变形不够，焊接不牢，有时还会造成铝丝与劈刀的粘连；压力过大，铝丝形变大，铝丝在焊点根部损伤严重，使键合强度降低。（说明：压力的施加是一个由零到设定压力之间逐渐增加的过程。当劈刀和芯片压点尚没接触时，压力为零；当劈刀与压点逐渐接触，压力逐渐上升，铝丝与压点接触逐渐紧密，造成超声作用时的阻尼逐步提高，使更多的超声能量成为键合过程的有效能量，它主要用于对铝丝和压点间氧化层的去除；压力继续升高，氧化层去除更完全，铝丝与压点距离更近，能量传递损失减小，键合质量上升；当压力达最佳点时，氧化层去除完全，键合质量最好。但此时若压力继续增加，由于氧化层已完全去除，额外添加的能量会造成键合点的硬化裂纹及疲劳破坏。有实验验证，对直径300µm的铝丝，当压力在0-16.1N区间内，随压力增大，键合强度逐渐上升，当压力在16.1-18.8N范围，随压力上升，键合强度逐渐下降，最佳键合点出现在14.2-17.5N之间）2）超声波输出：它决定劈刀水平方向震动的频率和幅度。当键合压力和时间一定时，功率过小，劈刀振动幅度小（换能系统的输出位移随输入电压的增加而增大），为键合提供的能量小，键合强度低；功率过大，铝丝损伤严重，降低了引线和键合点强度。3）信号发生器的频率：改变信号发生器的频率，使其远离换能系统的谐振频率时，换能系统输出位移较小或接近于零，当其与换能系统的谐振频率相等或接近时，换能系统输出位移最大。4）键合时间：时间过长，引线过分磨擦，会造成键合不牢，同时会使键合点局部升温过高（300-350℃），对Au-Al系统，易产生“紫斑”；时间过短，提供能量不够，键合不牢。键合时间部分取决于功率，通常认为，高功率短时间的键合质量比低功率长时间的要好。键合时间通常为几十毫秒。功率、时间、压力是超声键合的关键控制参数，相互关联，须根据铝丝直径和被焊接面的材料性质及表面状态、劈刀类型等仔细调整（有经验介绍，调整时先使输出功率稳定，选择适当的焊接时间，然后调节超声波输出振幅，并根据振幅大小调整键合压力）。除以上因素外，还有以下影响因素：5）铝丝和键合区表面清洁状况：超声键合虽能排除其上的粘附物和氧化物，但过分的污染和过厚的氧化物是不能键合的，所以必须保持键合部位的清洁。6）设备安装状况的影响：a）劈刀的固定：劈刀分空心劈刀和鸟嘴式劈刀（侧面送丝）两种，超声焊多采用侧面送丝。劈刀的长度（变辐杆的连接点到焊接端面的长度）应保证劈刀端面的振幅最大；连接点的固定螺丝必须紧固。有实验发现，劈刀不同安装长度导致换能系统固有特性及劈刀振动状态改变，从而引起电流、功率加载的变化，并影响能量在劈刀中的传递及作用到键合点的强弱，造成键合强度显著变化。实验显示，电流、功率加载在劈刀安装长度变化范围内（9-19mm）先降低再增大，存在一定的安装长度范围（14-15mm）键合强度很低。因此我们要尽量避免采用14-15mm范围的安装长度，而采用9-11mm，17-19mm安装长度范围。另外，适宜的劈刀端面形状，劈刀端面与芯片焊点平声表面波工艺原理第八章引线键合工艺原理Page3of6行，都便于获得可靠焊接。b）换能系统各子部分之间的接触界面（是指各子结构动态藕合以及安装支撑所形成的连接界面，包括予紧扭矩、界面方式及界面材料等因素），是影响系统超声能量传递的非线性因素，直接影响键合质量。*劈刀与变辐杆间的联接予紧扭矩是影响超声能量的敏感因素。当其过小时，超声能量输出很小，当其过大时，超声能量严重衰减；这些都会导致键合强度降低，甚至无法键合。*节点位置是系统安装与固定到机器的最佳位置，不合理的安装位置会为超声能量对外流失提供通道，加剧系统运动的复杂性（不合理的系统安装接触面还会导致系统工作模态的畸变，对倒装,会造成芯片翘曲等封装缺陷）。改变换能器的夹持位置，换能系统的输出位移随之改变，当夹持位置在换能器的节点位置时，输出位移达到最大值（如在夹持位置（节点）为58mm时，最大输出位移为3.7µ），以此可确定换能系统的夹持位置。*当压电陶瓷片与前后盖板接触面不平行时，会产生换能系统工作频率与干扰频率混叠效应，超声能量将损耗严重。7）焊件固定：管座及芯片必须固定牢固，避免键合时管座或芯片发生任何方向的位移，要保证键合时能与铝丝有效相互擦动。8）铝丝与铝层：超声键合条件要根据引线和被焊接面的材料性质及表面状态等决定。不同规格的铝丝和不同金属材料键合，其键合功率、时间、压力不同。铝丝较粗、金属层硬度低时，压力、功率要大些；铝丝较细，金属层硬度大时，压力、功率要小些，时间要短些。另外，铝层要有足够厚度，且与衬底粘附良好；铝层表面Al2O3的厚度应100A°，否则可能键合不上或可靠性不好。此外对键合的可靠性因素还应包括应力变化、粘接材料、铝的腐蚀、金属间化合物形成、晶粒的成长及反应、腐蚀等导致的潜在破坏。（三）热压键合：1，热压键合原理：它是通过对金属丝和键合区金属层同时加热加压，使接触面产生塑性形变并破坏其界面氧化层，使两接触面接近原子引力范围，在金属丝表面原子和键合区金属层表面原子间产生吸引力。其次由于金属丝和键合区金属层表面的不平整，加压后高低不平处相互填充而产生弹性嵌合，使两者紧密结合（加压后接触面越大，结合越好）。因金丝有强的抗氧化特性，故为热压键合引线首选。热压键合又分为楔焊法、球焊法等。2，热压键合方法：1）楔焊法：工艺简介：金属丝穿过劈刀下端小孔，由劈刀的尖端把金属丝弯曲部焊接于键合区接触面成楔形焊点，焊完一端后移动劈刀再焊另一压点；两端焊好后，使继电器工作并移升劈刀拉断金属丝，同时形成一个新的弯曲部，以便下次焊接。（注：当压点面积小时，常采用无孔劈刀，键合时，劈刀和引线须分别对准焊接位置）楔焊键合要求如下：a）加热温度：金丝热压，芯片温度一般为330-350℃，劈刀温度为150℃左右，劈刀温度过高会引起金属丝粘刀，芯片温度过低易造成虚焊，甚至脱键；为避免金属氧化，键合时要用氮气保护。b）键合压力：压力一般为50-150g，目的是使金丝产生足够的形变；压力太小易造成虚焊，压力太大，易引起断丝；其大小还应根据金丝粗细和键合温度而定。c）键合时间：通常为几十毫秒，手动键合中，感到劈刀压下时有一定停留即可。d）键合点：键合点处金丝形变的宽度约为金丝直径的1.5-2倍，键合点长度约为金丝直径的2.5倍。键合面要变形均匀，对称；引线根部损伤要小。e）引线：要有一定弧度。引线过长会倒丝、塌丝，造成短路；引线过直，温度变化时，引线受热应力作用，会降低焊点可靠性。声表面波工艺原理第八章引线键合工艺原理Page4of6f）键合点尾丝要小于两倍引线直径。g）要求键合金属层有适宜的厚度且与衬底粘附良好，键合金属表面和键合环境有高的洁净度。25μ的金丝，键合强度应大于3g。h）注意：Au-Al键合系统，在焊点处极易形成导致焊点机械强度减弱的“紫斑”缺陷。2）金丝球焊：a）工艺简介：它是使金丝先穿过预热至300-400℃、由氧化铝（Al2O3）或碳化钨（WC）等耐火材料制成的空心劈刀的毛细管，然后经电容放电使伸出劈刀部分的金丝熔化，并在表面张力作用下形成小球，再通过劈刀将金球压焊到已预热至150-200℃的芯片电极（在压合时，金球受压力略为变形，以增加接触面积、减低接触面粗糙度对键合的影响，破坏氧化层及其它影响键合的因素，形成紧密结合）。球型焊接完成后，抬起劈刀，拉出金丝至第二焊区进行楔形焊接（因劈刀顶端为圆锥型，故第二焊点常呈新月状）。第二焊点完成后，下一个循环开始。b）金丝球焊工艺特点：*球焊不需旋转器件使其处于焊接方向，有更大灵活性，且速度快，便于自动化。*在球焊中，球型对称，键合面大而又不损伤金丝，具有很高的键合强度和可靠性。*球焊可形成更小的引线弧度和短的引线距离，在引线电感上变化很小，重复性好。*直径25μ的金丝，形成球直径为60-75μ，金丝直径较大时，球丝直径比会响应小些，球直径与熔断温度或放电电压有关。*虽然Au-Al系统不是最好，但金丝具有柔韧性和抗氧化性，非常适合球焊工艺。*为防止成球时有时出现断裂，用于球焊的金丝需要退火，也会掺入铍、钙和其它专有物质使