引线键合强度BPT试验分析

【关键词] 键台强度BPT引线断裂 中围分类号：TP2 文献 标识码：A 文章编 号；16 71- - 7597( 2008) 09 20037- - 02
一、 引盲 引 线键 合工 艺具 有高 可靠 性， 高品 质 ，工 艺成 熟， 操作 简单 ，成 本低 廉等优点，目前广泛应用于微电子封装领域。在世界半导体元器件行业 中，90％采用引线键合技术。引线键合的质量、可靠性直接决定了微器 件、组件的性能和寿命。引线键合工艺可分为：热压焊、超声波焊和热声 焊等 3种 工艺 ．其中 热卢 焊集 中了 前两 种焊 接的特 点因 而在 现代 引线 连接 中 占主流。 引 线键 合实 质卜 还是 金属 链合 。两 种 金属 在摩 擦力 作用 下发 牛了 强烈 的 塑性 流动 ，为 纯 净金 属表 面之 间的 接 触创 造了 条件 。 而加 热台 和劈 刀的 温 升以 及高 频振 动 ，则 又进 一步 造成 了 金届 晶格 上原 子 的受 激活 状态 。因 此，当有共价健性质的金属原子互相接近到以纳米计的距离时。就有可能 通过 公共电 子形成 了原子 问的电 子桥 ，金属 “键合 ”完成 ． =、撩声焊接工艺 热声焊接原理：用负高压电火花( EF0) 使金属丝端部熔成球形，在芯 片焊 盘上 加热 加压 加超声 ，使 接触 面产生 塑性 变形 并破 坏界面 的氧 化膜 ． 使其 活性化 。通 过接触 面两金 属之间 的扩 散结合 而完成 球焊一 第一 焊点： 然 后焊头通过复杂的i 维移动到达集成电路底座的外引线的内引出脚，再加 热加压加超 声完成楔焊一第二 焊点。 热声焊接由于机械左膜更为充分，金 属的扩散在整个界面上进行，首先在广泛的接触面上分散地形成了扩散地 核心．然后首先在超声振动方向上形成合金层。并逐渐生长，最终合金层 扩及整个接触面。 引 线键 合的 稳定 性将 决定 封装 成品 的 好坏 ，所 以获 得优 良的 焊线 品质 就变 得非 常的重 要， 而引线 键合 除了焊 丝成球 外． 焊线路 径稳 定性与 焊线 完 之后 的张 力也是 非常 重要的 。直 接影响 到后续 的可 靠性问 题。 本文通 过试 验 分析引 线键合拇 力及断裂方 式的各种 影响因素 。以提高引 线键合强 度。 三、 试验数 据和圈 裹
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引 线 键 合 强 度 BPT试 验 分 析
王美荣 ( 深 圳深 爱半 导体 有限 公司 广东 深圳 518029)
[ 摘要 】通过 试验的方 式从键 合引线断 裂模式 的角度讨 论增加 引线键合 强度所 需注意的 主要问 题。四种 键合引 线断裂模 式：焊 点脱落． 球颈断 裂．焊线 断裂和 二焊点 断裂。详 诉r 引起这些 断裂的各 种原因，得 出提高引 线拉力所需 要注意的各 方面因素 ，及如何调 整这些参 数或者选择 工具得到最 好的工程 参数匹配。
图1 引线BPT值采样
圈2 ( 两图) 引线断裂模式分布图
本试验采用DBT一300 拉力计。引线为直径38u mCu 丝，随机采样2 00根 引线拉力测试，测量了cu线的焊接强度( 在垂直于焊接表面方向上拉断引 线或破坏焊接表面所需的最大拉力) ，数据分布见图l 图2 。
四、 试验分 析
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( 一) 焊点脱落影响因素 引线质量、键合上艺参数、成球状态、焊盘质量均直接影响键合点 质量． 1． 引线 质量 和成 球质 量。微 电子 领域 中使 用的 金属 焊丝 对其 成分 ， 延伸率，破断强度，电导率和热导率，热膨胀系数要求均较高。而铜丝相 比Au鳇具有许多优点，现在大部分电子封装中c u丝已经取代Au丝成为使用 面最广的键合丝。 铜丝 的易 氧化和 较高 的硬度 系数 却又给 键合 造成很 大的 麻烦。 其一 ， 成球要求严格的工艺环境要求．必须有纯净的惰性气体或N}I 混合气体氛围 ( 如果气管位置设置不当，cu丝仍然有氧化现象) ．氧化的Cu球( CuO比 cu 硬度系数更高) 是焊点低拉力。脱落的主要原因之一；其二，硬度大的球 势必要求更大的焊接参数，但大的焊接参数会引起焊点脱落，焊盘质量的 损坏及焊盘下基板的损伤；其三，与硬度大相应而来的柔韧性差在拉弧参 数设置方面增加很人难度。铜丝生产厂家通常在工艺中通过再结晶的方 式， 使铜线的 晶粒细 化，从而 降低其 硬度系数 。 2． 键合 工艺 参 数。 键合 工艺 参数 包括 超声 功 率、 压力 、超 声时 间， 加热温度。超声功率体现在焊头的宏观动作即焊头振动振幅。超声功率过 小，氧 化物去除不干 净。会焊接 ／f ；牢固：超 声功率过人 ，焊点变形过 大， 焊接同样不牢固。键合压力( 焊接压力) ，它指的是焊点处的垂直压力。 焊接压力的大小直接影响到焊点的键合质量。如果压力太小，劈刀不能牢 固地压住金丝．超声功率不能传递到金丝与镀金层或芯片金属层的交界面 上，不能产生相对摩擦去除氧化层，以至焊接不牢固，同时会造成引线与 键合工具端面枯连现象：而压力过大，会使引线的变形增大，甚至切断引 线，破坏芯片焊盘。超声时间也是热声焊的重要条件，在～定的超声功率 与压力的情况下．超声时间太短．焊点处的金丝与镀金层或芯片焊盘表面 的吸附层和氧化层还没有被清除。或者还没有形成原子间的键合振动就停 止了，这样会造成焊接不牢固的现象；超声时间太长，焊点变形大．焊接 同样不牢周[ 1儿2] 。 对 被焊 接件 、劈 刀 进行 加热 ，对 焊接 具 有双 面影 响。 如 果加 热温 度过 高， 会损 坏对温 度敏 感的管 芯， 塑性形 变使焊 点变 形过大 ，而 且金属 丝的 晶 粒会 长大 ，对 可靠性 有影 响： 温度过 低， 不利于 焊接 表面 的相互 扩散 ．可 能 出现焊接不上的现象。cu 丝压焊对温度的要求比较明显，生产试验证明在 23 0- 25 0度之间焊线质量最好，低于此温度键合过程中断丝。NSo P等报警频 率增 加近5倍． 而高于此 温度则引 线氧化程 度直线上 升．抗拉 性能骤降 。 焊 球脱 落还 有一 种特 殊的 情况 ，即 焊 盘被 撕开 或弹 坑， 这也 是键 合工 艺参数设置不当的后果，如果基板面积较大，可以用预键合压力的方法避 免铝下基板的损伤．即在压焊功率施加之前先施加压力使引线球先产生塑 性形变．在较大的接触面积基础上进行摩擦焊接。如果基板面积较小，则 熔球必须控制在一定范围。不能使用以上方法，而用顶超声能量的方式可 以 解决 这一 问题 ， 即在 两界 面接 触时 以 一较 小功 率使 得 铝焊 盘表 面氧 化层 破裂 ，后再 加大超声 功率达 到焊接 目的[ 3 ] 。 3．焊盘质量。虽然半导体封装的洁净度要求较高，但是焊盘质量的 污染仍然很难避免。焊盘形成工艺质量因素，工艺环境因素，焊盘形成后