芯片电极的金属镀层焊接工艺及其影响

本文介绍了金丝球焊技术的基本原理和判别焊接质量的方法，分析了超声波的功率、焊接压力、作用时间、焊接温度等参数对焊接质量的影响，找出设备关键参数的调试方法。

1 引言

金丝球焊是目前半导体器件芯片封装焊接工艺中更具代表性的焊接技术，焊接过程通过热、超声、压力的共同作用形成，工艺参数调试得当与否直接影响到封装器件的质量和可靠性。本文将通过工艺实验对球焊工艺的各项参数进行研究，找出关键工艺参数的调试方法。

2 金丝球焊工艺

（1）金丝球焊工艺过程

本 文 研 究 球 焊 工 艺 所 用 设 备 为目前半导体器件封装生产线主流设备K & S4524金丝球焊机。球焊机主要由超声电源、换能器、送线机构、劈刀、温度可控的夹具组成，焊接过程如下：焊接时金丝通过中空的劈刀到达劈刀尖，留出可控制长度的尾丝，打火杆动作，由EFO 系统产生高压对尾丝放电产生电火花，高温瞬间熔化金线的尾丝端部，由于表面张力的作用，熔化的尾丝端部迅速凝固形成金球，根据标准工艺推荐和实际操作经验，金球的直径一般控制为2～3倍金线直径；在超声焊接时，Z轴运动系统将控制劈刀下降至芯片上方，根据事先设定的压力将金球压在镀金的引脚和芯片焊盘上，同时启动超声电源，电功率通过换能器转换成纵向或横向的机械震动能量，这种高频的机械震动促使金球或金丝与芯片电极的镀层金属之间发生形变和金属原子的相互扩散，在预设的焊接时间结束即完成第一焊点的焊接，焊头可运动到第二焊点位置，由于二焊没有金球，进行的是楔形焊接，通过劈刀尖的圆弧倒角对金线施加压力，以楔形焊接的方式完成第二焊点，之后劈刀升起，尾丝控制系统将控制线夹完成扯丝，金丝将在二焊焊点被扯断，劈刀回到初始位置，金丝将被准确预留到预设的尾丝长度，系统启动EFO 系统对金线尾丝打火成球，等待下一个焊接循环过程。

（2）金丝球焊工艺质量评估

判断球焊质量的重要指标包含：焊球的高度、焊球的尺寸、拉力测试、一焊剪切力测试。

所谓的焊球高度，是指压扁在焊盘上的金球高度；而焊球尺寸为焊接时打在焊垫上的金球所占焊垫的面积大小，一般要求球的尺寸为3~3.5倍线径。这些焊点形貌参数主要通过显微镜目测来完成。通过显微镜目测，还可以发现焊点各种缺陷而确定焊接质量是否满足要求。

拉力测试主要采用拉力测试设备，如美国D A G E公司的4000PX Y 型拉力测试仪，该类设备具备更大值、最小值、平均值、去高低平均值、中位数、标准差、总体标准差、Cpk值等多种统计功能，该测试是一种破坏性的测试，是考核焊线工艺质量重要的测试项目，也是目前封装焊线工艺普遍采用的评估项目。测试从线弧的更高点垂直、匀速向上钩金丝，测试金丝断掉时所用的更大拉力。

一焊剪切力测试同样采用DAGE4000，将拉钩换成推刀，设定推刀距离焊点底部3μm ~5μm ，水平方向匀速推动焊球，完全推掉焊球所需的力将被设备记录，作为判断焊点着附的能力的重要依据，在推掉的芯片电极上，焊球的金残留物的多少被同时要求关注，如果推刀通过以后，电极表面无任何金属残留，这就意味着此次焊接没有形成原子扩散，焊接质量不能保证，必须微调相应参数来加以改善，根据推刀距离焊点底部的距离，金属残留物要求在20% ~25%以内，被判定推力测试数据有效，焊点合格。

3 影响金丝球焊工艺的因素及分析

在焊接过程中，由于参数调试不当，劈刀、温度等硬件参数发生变化，容易出现焊接质量问题，而影响器件的封装及器件性能。在生产实践中总结出影响焊线工艺的因素如下：

（1）影响第一焊点因素

金丝球焊机一焊是在金线有球的情况下对准焊垫进行焊接，该过程工艺控制较为容易，对第一焊点的工艺要求有：金球成型好，尺寸比例合理；与电极的结合力到达更大；金球尺寸与电极大小配套；金球颈部条件完好。在实际生产过程中，对上述工艺要求产生影响的主要因素有：金丝球焊机预设的超声功率、焊接压力、作用时间和热台温度；所焊芯片的金属镀层平整度、致密度、表面清洁度；劈刀的选型，一定直径的金丝要有相应的劈刀与之匹配。

（2）影响第二焊点因素

对第二焊点的工艺要求有：契型形状完整，对称；与焊垫的结合力到达更大；焊界面有合理的材料厚度；焊面和线体之间的过渡区成型良好。在实际生产过程中，对上述工艺要求产生影响的主要因素有：金丝球焊机预设的超声功率、焊接压力、作用时间和热台温度；所焊芯片的金属镀层平整度、致密度、表面清洁度；劈刀的选型，一定直径的金丝要有相应的劈刀与之匹配。

（3）影响金线打球的因素

对打球工艺要求有：烧出球的尺寸、形状（太小的球容易堵塞劈刀，太大的球容易造成烧球过程中金线和打火杆之间短路）。影响金丝打球的因素主要有：金线尾丝长度；打火杆与尾丝的距离；金球球径的设置；EFO 工作的稳定性，金线的质量。

4 关键因素对焊接工艺的影响

（一）工艺参数

焊接压力、超声功率、超声作用时间对球焊工艺影响十分大，通过改变工艺参数，研究焊点合格率，找出合适的工艺参数范围。

1 焊接压力

通过压力的作用将焊线与焊接位置紧密接触；控制球或线在固定的位置准备进行能量的传递；破坏焊接表面的污染。压力设置不当会造成以下几种不合格焊接的情况：设置的压力参数过小或者焊垫表面质量问题，在焊接的过程中致使焊点不牢，易脱落。设置的压力参数过大，在焊线的时候可能对金线有损伤，进行下一个焊点焊接的时候引线被拉断；过大焊接压力的会造成焊点印迹较深，也会阻碍劈刀的超声震动，造成超声能量不良传导，过度损耗而影响焊接焊接质量。