陶瓷表面貼裝器件鍵合可靠性提升方案

趙興江

摘 要：陶瓷表面貼裝器件絕大部分均采用金作為表面涂覆層，而芯片表面絕大部分均采用鋁材料作電極，因此無論采用金絲或鋁絲進行鍵合均不可避免的存在金鋁鍵合現(xiàn)象。為提升產(chǎn)品焊接可靠性，我們通過工藝技術(shù)攻關(guān)成功采用過渡電極片的方案解決了這一難題。

關(guān)鍵詞：金鋁鍵合；可靠性；失效原理；過渡電極片；DPA試驗

引言

由于金材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能和抗氧化能力，因此陶瓷表面貼裝器件的內(nèi)涂覆和外涂覆均主要采用金作為涂覆層，而內(nèi)引線均采用鋁絲焊接，因此在內(nèi)引線焊接過程中不可避免的存在金鋁鍵合的問題，而金鋁鍵合固有的柯肯德爾效應(yīng)（白斑效應(yīng)、紫斑效應(yīng)）始終是影響產(chǎn)品可靠性的一大隱患。

1 金鋁鍵合失效原理

金鋁兩種金屬在鍵合初期會形成少量的IMC（IMC廣義上說是指某些金屬相互緊密接觸的界面間會產(chǎn)生一種原子遷移互動的行為，組成一層類似合金的化合物。這里特指金鋁鍵合面存在的金鋁化合物）。少量的IMC對界面鍵合強度起一定的強化作用。然而，隨著使用時間的增加和溫度的升高，IMC會不斷增加和轉(zhuǎn)化。當(dāng)IMC過多時，其鍵合強度會顯著降低、變脆并引起焊點接觸電阻變大。同時脆性的IMC會使鍵合點在受周期性應(yīng)力作用時引發(fā)疲勞或淺變破壞，最終可導(dǎo)致器件的電性能退化甚至失效。

相關(guān)研究表明，隨著鋁膜厚度的不同，Au/AI系統(tǒng)金鋁問化合物形成的動力學(xué)機制將略有不同，但普遍認(rèn)為：Au/AI系統(tǒng)鍵合及老化后，可形成AuAl、Au5A12（俗稱白斑）、Au4A1、AuAl2（俗稱紫斑）、Au2AI、Au2Al3和Au3A12等多種IMC。其中Au5A12隨著老化時間的增加，會向Au2A1轉(zhuǎn)化并伴有Au4Al中間相，IMC厚度不斷增加，最后形成Au2Al。Au2Al上面為蜂窩狀存在的Au3A12，其中也存在很薄的Au4AI相。

2 鍵合可靠性提升方案及優(yōu)劣對比分析

為徹底解決陶瓷表面貼裝器件的金鋁鍵合隱患，我們擬定了三套提升方案并進行了優(yōu)劣對比：

（1）選用局部鍍鎳零件，直接形成鋁鎳鍵合。

優(yōu)點：廠家使用方便，只需在壓焊工序進行適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整。

缺點：零件供應(yīng)商在工藝處理上存在一定難度，供應(yīng)商不愿意進行特殊生產(chǎn)。

（2）選用內(nèi)部鍍金層厚度小于0.3μm的薄金零件，以實現(xiàn)內(nèi)引線與薄金層下的鎳層熔合形成鋁鎳鍵合。

優(yōu)點：零件供應(yīng)商適當(dāng)調(diào)整鍍金工藝，控制鍍金層厚度即可，生產(chǎn)廠家也可直接使用該類零件。

缺點：零件供應(yīng)商對金層厚度的控制不準(zhǔn)確，生產(chǎn)廠家工藝控制難度也比較大，無法保證產(chǎn)品鍵合時100%玻璃表面金層而與底面鎳層牢固鍵合。

（3）設(shè)計并制作合適的鍍鎳過渡電極片，然后燒制在零件內(nèi)部的焊接區(qū)域，直接形成鋁鎳鍵合。

優(yōu)點：過渡電極片制作簡單可實現(xiàn)自制，不僅制作進度和鍍層質(zhì)量可控，同時可根據(jù)生產(chǎn)需要臨時制作所需的過渡電極片并及時使用，可有效降低前處理和工藝調(diào)整的難度。

缺點：生產(chǎn)廠家將增加過渡電極片的燒制過程，生產(chǎn)效率會降低。

根據(jù)上述三種方案的對比情況，同時結(jié)合生產(chǎn)實際情況，最終選擇自制過渡電極片進行燒制的第三套方案。

3 工藝試驗及結(jié)果

為了驗證采用自制過渡電極片進行燒制的第三套方案的可行性，應(yīng)進行下列試驗：

（1）設(shè)計并自制過渡電極片且要求過渡電極片鎳層厚度≥2.0μm（根據(jù)以往鍍鎳零件的使用經(jīng)驗確定）。

（2）各種外形產(chǎn)品均挑選10只零件并選取代表型號產(chǎn)品進行燒焊工藝確認(rèn)試驗、壓焊工藝確認(rèn)試驗、開帽拉力確認(rèn)試驗，結(jié)果如表1：

4 DPA試驗及結(jié)果

為了確認(rèn)該工藝的可靠性，我們選取上述5種封裝外形5個代表型號產(chǎn)品進行了批量生產(chǎn)和正常的篩選試驗并提交品質(zhì)保障部進行鑒定試驗。為了驗證該試驗方案的可靠性，部在正常的鑒定試驗完成后又根據(jù)該工藝的特點，增加了必要的DPA試驗項目，試驗結(jié)果如表2：

5 結(jié)束語

不同封裝外形、不同代表型號產(chǎn)品的工藝試驗、鑒定試驗以及DPA試驗的結(jié)果表明：采用燒制過渡電極片的方式可以達到徹底避免金鋁鍵合的目的，產(chǎn)品的焊接可靠性明顯提高而且更加自主可控，達到了預(yù)期目的。