微组装技术中金丝键合工艺研究

摘 要：随着科学技术的发展，我国的微组装工艺有了很大进展，在微组装工艺中，金丝键合是一道关键工艺。金丝键合质量的好坏直接影响微波组件的可靠性以及微波特性。对金丝键合工艺的影响因素进行了分析，并通过设计实验方案对25μm金丝进行键合实验。对键合金丝进行拉力测试，测量结果全部符合军标GJB548B-2005要求。根据测量结果寻求最佳键合参数，对实际生产具有一定的指导意义。

关键词：微组装技术 金丝键合 参数提取

引 言

引线键合实现了微电子产品优良的电气互连功能，在微电子领域应用广泛。自动引线键合技术作为一种先进的引线键合技术具有绝对优势。自动键合技术是自动键合机执行相应的程序，自动完成引线键合过程。自动键合具有可控化、一致性好和可靠性高等优势。随着电子封装技术的不断发展，微波组件正在不断向小型化、高密度、高可靠、高性能和大批量方向发展，对产品的可控化、高一致性、高可靠性和生产的高效率都提出了更高的要求，顺应发展趋势实现自动化生产已成为一种趋势。所以，对自动化键合工艺的研究和优化是非常有必要的。

1金丝键合工艺简介

金丝键合指使用金属丝（金线等），利用热压或超声能源，完成微电子器件中固电路内部互连接线的连接，即芯片与电路或引线框架之间的连接。金丝键合按照键合方式和焊点的不同分为球键合和楔键合。

2金丝键合质量的影响因素

2.1劈刀

劈刀是金丝键合的直接工具，楔焊劈刀用于金丝、金带、铝丝、铝带等键合，主要分为深腔、非深腔、粗铝、金带/铝带键合等几大类，多为钨钢材料，刀头部分材料为陶瓷。在一个完整的楔形键合中，第1键合点的键合强度主要受到劈刀的后倒角（BR）和键长（BL）、劈刀在键合第1点后上升过程、拉弧过程所产生的摩擦及拉力、线夹打开的宽度等因素的影响。如果BR太小，则劈刀后倒角区域较锋利，就会导致第1键合点的根部较脆弱，在拉力测试实验中容易在此位置断裂。在完成第1键合点后，劈刀要经过先上升、再向第2键合点方向水平移动，然后下降到第2键合点进行键合的过程，在该过程中，第1键合点的根部会受到拉力弯曲，引线受到送线孔后端的摩擦，都会影响第1键合点的根部或者损伤第1键合点根部。第2键合点的键合强度主要受到前倒角（FR）和键长的影响，此时BR的作用是保持尾丝的一致性及扯断引线提供一个应力集中点。因此如果要得到良好的引线键合，一定要根据所用引线的直径选择合适的劈刀参数。在实际使用中，当劈刀用过一段时间后，前倒角、后倒角等劈刀端面就会产生一定的磨损，这样导致焊点根部的键合强度降低，影响键合质量。同时，操作人员使用不当也会缩短劈刀的使用寿命。

2.2超声时间对键合的影响

根据经验值，将金丝变形度設定为42%，相对超声功率设定为20%，键合压力设定为0.18N，对超声时间进行单一变量研究。根据已有经验，确定试验范围，在所选范围内确定13个数值，每个值对应键合5根丝，对其进行试验和分析。按照以上参数和方案进行自动键合，通过镜检和拉力测试等方法分析超声时间对自动键合的影响。分别使用60倍和200倍光学显微镜对键合金丝结果和键合点的形貌进行镜检，发现超声时间为2ms（自动键合机允许的最低值）时，金丝没有键合上；超声时间>3ms时，键合金丝和键合点形貌都正常，且满足键合标准。使用Dag-4000拉力测试仪对键合好的金丝进行100%（没有键合上的除外）的拉力测试，每组取其平均值。

2.3键合层镀金质量

同种金属间的键合效果最好，能够得到最高的可靠性。实验中使用金丝键合，因此镀层也选用镀金层。镀金层的厚度直接影响镀金层硬度，镀金的纯度直接影响镀金质量，2个条件对键合质量均有很大的影响。另外，镀金层表面的清洁度对键合质量也有较大的影响。等离子清洗具有清洗干净、不损伤芯片、不降低膜层的附着力等特点，同时它具有常规的液相清洗不可比拟的优势。等离子清洗过程中高能电子碰撞反应气体分子，使之离解或电离，利用产生的多种粒子轰击被清洗表面或与被清洗表面发生化学反应，从而有效清除被清洗表面的有机污染物或改善表面状态。因此键合前对镀金层表面进行等离子清洗是十分必要的。本文中采用氩单种等离子清洗。

2.4焊盘镀金层厚度

基板上焊盘的镀金层厚度大小直接与金线键合的强度有关，镀金层越厚，键合的可焊性越好，焊点越牢固，但是镀金层越厚成本也越高。由于镀金层厚度和可焊性之间也不是简单的线性关系，所以需要通过实验寻找一个最优的值，在保证达到键合强度要求的情况下，镀金层厚度最小。

3实验及实验结果

通过以上内容可知，劈刀、键合层镀金质量、金丝等因素一旦选定就无法改变，而键合参数可以通过调节不同的参数而得到最优组合。因此实验中选定键合参数作为实验控制变量，包括压力、超声功率、键合时间和劈刀温度。得到测试数据后，剔除相对于平均值过高或过低的数据，对剩余的数据取平均值作为每组键合参数的抗拉强度值。影响金丝键合质量的因素很多，其中超声功率和键合时间是实际设备操作中最直接接触、最直观反应键合效果的因素。对于金丝键合质量的分析，也不仅仅局限于测量键合拉力，还包含焊点宽度的影响、焊点失效性分析、金丝弧度及跨度、键合金丝微波特性等各种分析方法，都需要大量实验以及实际操作验证。

结 语

综上所述，本文研究了陶瓷基板上自动键合各参数对键合形貌、一致性和可靠性的影响，也通过正交试验给出了优化参数组合。在实际工作中要根据实际情况，综合其他各种因素，如原材料、劈刀、温度和前道工序工艺等都会对自动键合造成影响。所以，要根据试验，采取最优化组合，从而提高键合的可靠性和一致性。

参考文献

[1] 孙瑞婷.微组装技术中的键合工艺研究[B].船舶电子对抗，2013（4）：116-120.

[2] 董江，胡蓉.微系统封装内引线键合的可靠性[J].电子工艺技术，2015（5）：260-264.

[3] 宋云乾.基于正交试验的金丝键合工艺参数优化[J].电子工艺技术，2014，35（2）：74-76.

[4] 曾耿华，唐高弟.微波多芯片组件中键合线的参数提取和优化[J].信息与电子工程，2007（5）：40-43.