銅線鍵合技術(shù)及設(shè)備的研究與應(yīng)用分析

孟 丹

（遼寧華盛潤(rùn)瀛科技有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

近年來(lái)，由于封裝技術(shù)的不斷更新，使得封裝產(chǎn)品在質(zhì)量上的要求也逐步升高。在常規(guī)的芯片封裝當(dāng)中，鍵合引線往往采用的都為金線，金線具有較高的可靠性與導(dǎo)電性，因此始終沒(méi)有其他的材料能夠?qū)⑵鋸氐滋娲?，同時(shí)在半導(dǎo)體式的分立器件里的引線鍵合當(dāng)中一直發(fā)揮著極其重要的作用，而且其鍵合工藝也是非常成熟的。此外，因金線的價(jià)格越來(lái)越高，使封裝的成本也始終無(wú)法降低，此問(wèn)題在業(yè)界一直被廣泛的關(guān)注；基于這種情況，有些公司便紛紛開(kāi)始投入到了對(duì)銅線技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研究當(dāng)中，而使用銅線作為鍵合引線替代金線能夠在很大程度上降低封裝的成本費(fèi)用，并在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力逐步提升的電子信息產(chǎn)業(yè)當(dāng)中占據(jù)有利的地位。

1 銅線鍵合技術(shù)的研究與應(yīng)用

1.1 銅線鍵合的失效模式

盡管銅線鍵合技術(shù)占據(jù)著諸多的優(yōu)勢(shì)，但在焊接銅線時(shí)也存在不足之處，在引線焊接的工藝當(dāng)中，銅線的焊接能力并不是十分的理想。因銅材料具有較強(qiáng)的硬度，使得鍵合墊彈坑與鍵合墊開(kāi)裂的失效模式常常會(huì)產(chǎn)生。而因?yàn)槭艿酱似茐淖饔玫挠绊?，使鍵合墊下面的鋁金屬層逐漸變薄，引發(fā)熱老化的失效問(wèn)題；與此同時(shí)，因銅材料的非常容易氧化，使得銅鋁接觸層極易發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，導(dǎo)致銅鋁焊接不具備較高的強(qiáng)度；此外，因銅具有較高的熔點(diǎn)，在焊接的時(shí)候時(shí)必須要有足夠的能量與焊接力，以便于得到真空球，這樣也使硅彈坑更容易形成。在銅線鍵合技術(shù)當(dāng)中，還伴隨著諸多的失效模式以及廢品的形成，包括在應(yīng)用中產(chǎn)生的焊點(diǎn)不粘、線尾焊球、焊點(diǎn)提拉、引線短路、引線斷裂、高爾夫球鍵合以及焊盤(pán)/焊球短路粉碎性鍵合等。

1.2 銅線鍵合的自由空氣球參數(shù)

銅線鍵合所產(chǎn)生的失效模式，尤其是彈坑的產(chǎn)生大大的提高了生產(chǎn)工藝的控制難度，因此，就必須要采取有效的措施改進(jìn)并控制相應(yīng)的參數(shù)，盡量避免失效問(wèn)題的出現(xiàn)。在經(jīng)過(guò)了詳細(xì)的分析后得知，要想讓銅線鍵合技術(shù)取得成功，首先就必須要得到完美的自由空氣球，主要是由于已經(jīng)氧化的銅球無(wú)論使用多大的焊接力與超聲能量，都不會(huì)形成鍵合。而應(yīng)用K&S8028 PPS機(jī)型的銅線鍵合技術(shù)，通過(guò)對(duì)產(chǎn)生的銅球的相關(guān)參數(shù)的研究和設(shè)備的調(diào)試就能夠?qū)附忧虻淖罱K結(jié)果加以后效的控制。

1.3 銅線鍵合工藝的焊接參數(shù)研究

一般情況下，和金線鍵合技術(shù)相比，銅線鍵合技術(shù)會(huì)使金屬襯墊以及下層結(jié)構(gòu)受到更大的應(yīng)力，所以一定要使用一些非常規(guī)的方法盡量降低其造成的影響。對(duì)此應(yīng)重新設(shè)計(jì)相關(guān)的襯墊鍍層金屬，提高其堅(jiān)硬度，使其能夠承受應(yīng)更大的壓力。有研究人員曾做過(guò)相關(guān)的測(cè)試，最終結(jié)果表明，當(dāng)襯墊的硬度達(dá)到了某個(gè)臨界值的時(shí)候，就能夠解決下層結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂的問(wèn)題；但是，在加大襯墊的硬度前，要重新評(píng)測(cè)晶片的相關(guān)制造工藝，這也就使得前期工藝的研究成本大大的增加了。倘若不能采用提升襯墊硬度的辦法，那么就要有效設(shè)置和調(diào)整生產(chǎn)的工藝，為得到最佳工藝參數(shù)，一定要充分掌握每一個(gè)會(huì)對(duì)焊接的質(zhì)量構(gòu)成影響的因素。

2 銅線鍵合技術(shù)設(shè)備的研究與應(yīng)用

（1）金線設(shè)備升級(jí)為銅線。銅線所具備的性能比較特殊，在鍵合的過(guò)程當(dāng)中比金線更易出現(xiàn)失效現(xiàn)象，銅具有較強(qiáng)的金屬活性，在進(jìn)行高壓燒球的時(shí)候非常容易被氧化[1-3]。而倘若焊球發(fā)生了氧化，那么銅球也就不能與焊盤(pán)充分鍵合，由此發(fā)生焊點(diǎn)不粘以及缺乏剪切力等失效現(xiàn)象，因此，必須要對(duì)其進(jìn)行有效的防氧化處理。比較常見(jiàn)的方法就是在高溫?zé)虻倪^(guò)程中，加入定量的氮?dú)浠旌蠚怏w，以此對(duì)燒球加以保護(hù)，在銅線的線徑或者生產(chǎn)出的產(chǎn)品存在差別的時(shí)候，就要對(duì)流速、保護(hù)的氣流量以及相關(guān)的參數(shù)在此加以調(diào)整。

（2）金線設(shè)備轉(zhuǎn)向銅線的升級(jí)和改造。其一，氣體管路的鋪設(shè)。對(duì)于任何型號(hào)的鍵合設(shè)備而言，要想升級(jí)其銅線工藝，就必須要先做好混合氣體的接入工作[4]。因此，相關(guān)廠務(wù)部門(mén)一定要將混合氣體的管路鋪設(shè)好，同時(shí)還要確保安全性。其二，安裝設(shè)備里面的混合氣體管路。在安裝管路的過(guò)程中，要按照具體的需求，配置氣體開(kāi)關(guān)、過(guò)濾器以及流量計(jì)等相關(guān)的器件。而所選取的流量計(jì)的刻度應(yīng)在0到1.0L/M范圍內(nèi)。其三，安裝打火系統(tǒng)的相應(yīng)工具包。不同的工具包往往會(huì)在不同型號(hào)的設(shè)備上起到不一樣的作用，但當(dāng)中一定要安裝帶有打火桿的氣體保護(hù)系統(tǒng)。其四，對(duì)高電流的打火箱進(jìn)行升級(jí)。其也是與設(shè)備的類(lèi)型存在關(guān)系，比如在對(duì)ASM公司所生產(chǎn)的某種型號(hào)的鍵合設(shè)備進(jìn)行升級(jí)時(shí)，要將打火箱和相關(guān)的附屬設(shè)備進(jìn)行更換；還有些鍵合設(shè)備在升級(jí)的時(shí)候只要把擋位調(diào)至高電流就可以了。但所要達(dá)到的目都是為讓打火系統(tǒng)能夠產(chǎn)生出較高的電流。其五，將線夾換掉。更換線夾的操作并不復(fù)雜，其與更換普通線夾的方法大同小異，唯一不一樣的就是有些設(shè)備在更換了線夾之后要進(jìn)行校正，同時(shí)要對(duì)校正的最終結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格的審查。

3 結(jié)語(yǔ)

從生產(chǎn)的角度來(lái)講，因黃金的價(jià)格不斷升高，使得銅線鍵合技術(shù)慢慢替代了金線鍵合技術(shù)，并在封裝行業(yè)但中得到了大力的推廣和使用；實(shí)際上，采用銅線鍵合技術(shù)不僅能夠大大的節(jié)省成本，同時(shí)還能有效提升機(jī)械運(yùn)作的性能以及導(dǎo)熱和導(dǎo)電方面的性能。雖然是這樣，因銅線比較容易氧化，也就使得在焊接的過(guò)程當(dāng)中一定用相應(yīng)的氣體作為保護(hù)，這樣也對(duì)焊接工藝的穩(wěn)定性構(gòu)成一定的影響，導(dǎo)致虛焊與焊點(diǎn)脫落等失效問(wèn)題的產(chǎn)生；與此同時(shí)，銅線的硬度也使得工藝上一定要調(diào)整焊接的相關(guān)參數(shù)，以此增強(qiáng)其可靠性，但同時(shí)也存在失效的問(wèn)題，因此，在今后的生產(chǎn)中，還要對(duì)銅線鍵合技術(shù)加以進(jìn)一步的研究。