LTCC基板金絲熱超聲楔焊正交試驗分析

金家富，胡 駿

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽 合肥 230088）

1 引言

目前，集成電路先進(jìn)后封裝過程關(guān)鍵技術(shù)中，封裝管腳的90%以上采用引線鍵合技術(shù)。所謂引線鍵合技術(shù)，是指以極細(xì)的金屬引線（通常選擇延展性好的金、鋁）兩端分別與芯片和管腳鍵合，形成電氣連接的技術(shù)。對于普通半導(dǎo)體封裝，從性能和成本方面考慮，引線鍵合是最優(yōu)的選擇。相關(guān)資料表明，在使用微組裝技術(shù)生產(chǎn)微電子產(chǎn)品的過程中，失效類型比例為有源器件31. 3%、線焊23. 2%、沾污21. 4%、基片8. 9%、外殼封裝6. 3%、芯片貼裝1. 8%和其他7. 1%?？梢娋€焊的失效比例排在容易發(fā)生質(zhì)量問題的第二位，金絲在電路模塊中數(shù)量很多，并且單根金絲的失效就會危及模塊乃至整機(jī)系統(tǒng)的正常工作。因此，控制和提高金絲鍵合質(zhì)量就顯得十分重要[1～2]。LTCC電路基板在微波多芯片組件中使用廣泛，相對于電鍍純金基板，LTCC電路基板上金焊盤是絲印后燒結(jié)的，楔形鍵合強(qiáng)度對于參數(shù)設(shè)置非常敏感，具體表現(xiàn)為粘附不上、第二鍵合點(diǎn)不完整等，所以必須有一種有效的參數(shù)設(shè)置方法，為引線鍵合工藝設(shè)計提供依據(jù)。

2 鍵合原理[3]

絲焊鍵合技術(shù)分為三步：一是用外力將焊絲壓倒在焊接區(qū)的表面上；二是提供焊接能量，熱壓焊用熱能、超聲焊用超聲能量、熱超聲焊使用超聲能和熱能的組合；三是施加壓力和能量后使金屬表面產(chǎn)生塑性變形與分子擴(kuò)散，從而使兩種金屬牢固地焊接在一起。絲焊鍵合的方式有球焊和平焊（楔焊）兩種。本文使用楔形劈刀進(jìn)行楔焊，外形如圖1所示。楔形劈刀一般用陶瓷、碳化鎢或碳化鈦制成。

鍵合力的作用就是使金線與基框的鍵合表面緊密地接觸在一起，是鍵合不可或缺的一部分。在保證超聲輸出功率與溫度等因素不變的條件下，在一定的鍵合力范圍內(nèi)，鍵合強(qiáng)度與鍵合力的大小成正比，其他范圍則成反比。鍵合力的大小還會影響到鍵合界面是否發(fā)生滑移或微滑。

鍵合時間是一次鍵合過程中超聲開始到超聲結(jié)束的時間間隔，只有在合理的鍵合時間范圍內(nèi)才能形成良好的焊接，過短的時間會導(dǎo)致剝離，過長會導(dǎo)致根切現(xiàn)象。其本質(zhì)就是控制超聲能量的輸入。

超聲功率與鍵合強(qiáng)度的關(guān)系大致為：當(dāng)超聲功率小于某一個值時，增大超聲功率有利于提高鍵合強(qiáng)度；當(dāng)超聲功率大于某一個值時，增加超聲功率將降低鍵合強(qiáng)度，并增加鍵合強(qiáng)度的離散程度。當(dāng)超聲功率大到一定程度時，鍵合強(qiáng)度就變得毫無規(guī)律，當(dāng)超聲功率處于上述兩值之間時，能夠產(chǎn)生比較穩(wěn)定的具有足夠強(qiáng)度的鍵合。

3 試驗過程設(shè)計

3.1 試驗設(shè)備及材料

試驗設(shè)備為West bond 7476E型手動鍵合機(jī)。該型手動鍵合機(jī)具有操作方便、參數(shù)設(shè)置簡單的特點(diǎn)，獲得了較為廣泛的應(yīng)用。

楔形劈刀選用Deweyl公司生產(chǎn)的KNL-V系列CG型劈刀。CG型劈刀的特點(diǎn)是在鍵合平面上有一凹槽，鍵合時可以增大摩擦，減少超聲能量的損失，有助于完成有效的鍵合。

圖1 Deweyl公司的CG型劈刀

基板由Dupont 951生瓷材料經(jīng)LTCC工藝加工而成，工藝流程如圖2所示[4]。由于微波傳輸?shù)男枰?，表層?dǎo)帶通常由金漿料印制燒結(jié)，且厚度保持在10μm左右，燒成后的LTCC基板如圖3所示。

圖2 LTCC工藝流程圖

圖3 LTCC基板

3.2 試驗過程

根據(jù)鍵合工藝的參數(shù)設(shè)置選擇超聲時間、超聲功率和鍵合力作為影響鍵合強(qiáng)度的影響因素，采用七因素兩水平安排實驗，形成L8（27）因素水平表（見表1），最后一列作為誤差估計。每一水平鍵合兩根金絲，用WEST BOND 70PTE拉力測試機(jī)進(jìn)行鍵合強(qiáng)度測試，將測試值分別填入表格中。

各因素水平變化對試驗指標(biāo)影響的大小，可用該因素各水平間的極差R表示。這是由于正交表具有搭配均勻的特性，如表2所示。A列上的拉力Kj1和Kj2的差異可認(rèn)為主要由A列上的不同水平引起的；同樣B列、C列、D列、E列、F列上的拉力間差異也可認(rèn)為主要是由B列、C列、D列、E列、F列上的不同水平引起的。

表1 正交試驗L8（27）因素水平表

表2 正交試驗方法與結(jié)果

4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)正交試驗分析方法，分別從極差和方差角度對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 極差分析

從正交試驗的計算結(jié)果來看，第一點(diǎn)的超聲功率和第二點(diǎn)超聲時間對鍵合強(qiáng)度影響最大，其次是第一點(diǎn)鍵合力。理論上講，兩個鍵合點(diǎn)的參數(shù)應(yīng)當(dāng)比較接近，第二鍵合點(diǎn)因為兼顧到斷絲，一般參數(shù)上比第一點(diǎn)大一些就可以了。實際上，鍵合時除了設(shè)定第一點(diǎn)和第二點(diǎn)鍵合參數(shù)，還會利用操縱桿完成引線的成弧，線弧一般不會是相對于兩點(diǎn)對稱的圓弧形，從第一鍵合點(diǎn)到達(dá)拱弧最高點(diǎn)的斜率會大一點(diǎn)，根據(jù)力的合成與分解原理[5]，從拱弧最高點(diǎn)測定鍵合強(qiáng)度時第一點(diǎn)的貢獻(xiàn)會更大。因此，第一鍵合點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置尤為關(guān)鍵，它對提高鍵合拉力測試值作用明顯。

4.2 方差分析

應(yīng)用方差計算公式，查F臨界值，判斷各因素對鍵合拉力測試值的影響，所得結(jié)果與極差計算一致。表中B、C、D三因素所得F值均比F0.05（1，9）大，說明其對鍵合拉力測試值的影響顯著。

4.3 驗證試驗

利用試驗得出的參數(shù)組合A1B1C1D1E1F2進(jìn)行鍵合試驗，所得鍵合拉力測試值均在6.0g以上，滿足軍標(biāo)要求。

表3 方差計算

5 總結(jié)

本文給出了正交試驗優(yōu)化LTCC基板上金絲楔焊的實現(xiàn)過程，利用較少的試驗次數(shù)獲得了較滿意的試驗結(jié)果。

LTCC基板上金絲楔焊拉力測試值受第一點(diǎn)的超聲功率和第二點(diǎn)超聲時間對鍵合強(qiáng)度影響最大，其次是第一點(diǎn)鍵合力；優(yōu)化后的參數(shù)組合是A1B1C1D1E1F2。

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