鍵合參數(shù)對Ag-5Au鍵合合金線無空氣焊球及鍵合強(qiáng)度影響研究*

曹 軍,徐 旭,張俊超，宋克興，周延軍,花 涵

(1. 河南理工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院， 河南 焦作 454000;2. 河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 河南 洛陽 471000)

0 引 言

近年來，微電子封裝技術(shù)正向著高密度化、耐熱化、高熱傳導(dǎo)性能以及高頻化的方向發(fā)展，與之相關(guān)的鍵合引線的要求也就越來越高，高性能鍵合引線成為人們研究的熱點(diǎn)[1-4]。Ag基鍵合合金線因?yàn)槠涓邔?dǎo)電率、易成球、工藝參數(shù)與金線相似、鍵合適應(yīng)性強(qiáng)、成本適當(dāng)?shù)鹊膬?yōu)勢，開始應(yīng)用在微電子封裝中[5-9]。近年來國內(nèi)外學(xué)者對Ag基鍵合合金線進(jìn)行了不少試驗(yàn)研究，Chuang[10]等研究得出Ag-4Pd鍵合合金線在熱處理過程中容易形成孿晶組織的結(jié)論；曹軍[11]等總結(jié)得出銀合金線在機(jī)械性能、鍵合性能、抗腐蝕與抗氧化性能及可靠性方面具有明顯優(yōu)勢的結(jié)論；Guo[12]等對Ag-8Au-3Pd鍵合合金線的FAB形成過程進(jìn)行研究，得出了低電流、長時間的鍵合參數(shù)易于形成無缺陷FAB的結(jié)論；Zhong[13]等研究了燒球參數(shù)對鍵合銅線鍵合過程的影響，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)球焊點(diǎn)硬度隨燒球時間的縮短而降低；Qi[14]等研究了不同鍵合參數(shù)對Au鍵合線鍵合質(zhì)量的影響，得出了超聲功率和鍵合壓力對鍵合強(qiáng)度的生成起決定性作用；曹軍[15]等研究了鍵合參數(shù)對銅線鍵合性能的影響，得出了過大的超聲功率和壓力導(dǎo)致焊接內(nèi)部裂紋產(chǎn)生，過小的超聲功率會形成假焊的結(jié)論。上述研究所涉及的是有關(guān)銀基合金線組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，以及鍵合參數(shù)對Au鍵合線的鍵合性能影響，而鍵合參數(shù)對Ag-5Au合金線FAB形貌及鍵合強(qiáng)度的影響研究鮮有論述。本文通過采用不同鍵合參數(shù)對Ag-5Au合金線鍵合進(jìn)行燒球和鍵合試驗(yàn)，進(jìn)一步探究了鍵合參數(shù)對Ag-5Au合金線FAB形貌及鍵合強(qiáng)度的影響，為Ag-5Au的使用提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為直徑0.025 mm的Ag-5Au鍵合合金線(Au含量為5 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，余量為Ag)，鍵合合金線力學(xué)性能：伸長率14.1%，強(qiáng)度(拉斷力)9.4 g。

1.2 試驗(yàn)方法

采用Ag-5Au合金線在自動鍵合設(shè)備上進(jìn)行鍵合試驗(yàn)，鍵合設(shè)備型號：ASM-IHAWK ealge60，封裝類型：2835單晶LED，劈刀類型：R2-1271-1222-08B，鍵合參數(shù)如表1所示，通過不同燒球時間、燒球電流、超聲功率和鍵合壓力等參數(shù)進(jìn)行鍵合試驗(yàn)；鍵合過程中采用N2氣體保護(hù)，氣體流量0.6 L/min；采用Dage Series 4000-BS250測試儀對鍵合后的鍵合點(diǎn)進(jìn)行鍵合拉力和球剪切力測試，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析；采用JEOL JSM-6700F掃描電鏡(裝配EDS)對FAB形貌及鍵合點(diǎn)形貌進(jìn)行分析。

2 分析與討論

2.1 不同燒球參數(shù)對Ag-5Au合金線FAB(Free Air Ball)形貌的影響研究

圖1為燒球時間為750 μs，不同燒球電流的FAB形貌。燒球時間為750 μs燒球電流為2 600 mA時FAB球形為橢圓，如圖1(a)；燒球時間為750 μs燒球電流為2 800 mA時FAB出現(xiàn)高爾夫球桿狀，如圖1(b)；燒球時間為750 μs燒球電流為2 700 mA時FAB球形為圓形，如圖1(c)；圖2為燒球電流為2 700 ms，不同燒球時間的FAB形貌。燒球電流為2 700 mA燒球時間為700 μs時FAB球形偏小并出現(xiàn)高爾夫球桿狀，如圖2(a)；燒球電流為2700 mA燒球時間為800 μs時FAB球形偏大并球會往上縮出現(xiàn)頸部下凹的現(xiàn)象，如圖2(b)；燒球電流為2 700 mA燒球時間為750 μs時FAB球形為圓形，如圖2(c)。

燒球參數(shù)由鍵合線線徑大小及鍵合線成分決定的。燒球時間一定，燒球電流≤2 600 mA時不能產(chǎn)生足夠的能量，無法將鍵合線尾絲完全熔融，從而出現(xiàn)橢圓狀的球形；而燒球電流≥2 800 mA時將產(chǎn)生過多的能量，鍵合線熔融較多，且遠(yuǎn)離打火桿位置凝固速率大于打火桿側(cè)，從而出現(xiàn)高爾夫球桿狀的球形。燒球電流一定，燒球時間≤700 μs時合金線熔化量小，液態(tài)球的受外界環(huán)境影響較大，F(xiàn)AB位置不確定性大，從而出現(xiàn)球形偏小及高爾夫球桿狀；燒球時間≥800 μs時合金線熔化量過多，形成較大的液態(tài)球，從而出現(xiàn)球形偏大及球往上縮和球頸部下凹的現(xiàn)象。

高爾夫球桿形狀的FBA會導(dǎo)致后續(xù)鍵合環(huán)節(jié)中第一焊點(diǎn)短路，并在曲率較小位置焊球部分會溢出，如圖3所示；并且，此現(xiàn)象還會降低球焊點(diǎn)的拉力、剪切力以及其器件的可靠性；橢圓形狀的FAB會導(dǎo)致鍵合環(huán)節(jié)中第一焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度不足，出現(xiàn)虛焊，從而引起器件失效。由此，對于Ag-5Au合金線優(yōu)化的燒球電流和燒球時間分別為2 700 mA和750 μs。

2.2 Ag-5Au不同超聲功率和鍵合壓力對Ag-5Au合金線鍵合強(qiáng)度的影響

鍵合過程中，在壓力和超聲作用下無空氣焊球發(fā)生形變，圖4所示，且不同的壓力及超聲條件下，無空氣焊球形變量不同。圖5(a)是Ag-5Au合金線在超聲功率為85 mW，鍵合壓力為65 g下的第一焊點(diǎn)形貌。由圖可知該球焊點(diǎn)部分溢出，導(dǎo)致器件短路和失效。圖5(b)是Ag-5Au合金線在超聲功率為60 mW，鍵合壓力為45 g下的第一焊點(diǎn)形貌，由圖可知該焊點(diǎn)球形較為規(guī)則。圖5(c)是Ag-5Au合金線在超聲功率為50 mW，鍵合壓力為35 g的第一焊點(diǎn)形貌，由圖可知焊點(diǎn)球形小。圖6是Ag-5Au在不同參數(shù)下所測得的球焊點(diǎn)推力對比圖。從圖中可以看出超聲功率為50 mW，鍵合壓力為35 g時推力最低，不滿足球推力要求；超聲功率為85 mW，鍵合壓力為65 g推力值滿足質(zhì)檢要求，但其焊點(diǎn)容易造成短路和應(yīng)力集中，導(dǎo)致器件失效；對于Ag-5Au合金線在超聲功率為60 mW，鍵合壓力為45 g下的第一焊點(diǎn)形貌較規(guī)則且球推力滿足要求。

圖1 EFO電流參數(shù)分析

圖2 EFO時間參數(shù)分析

圖3 Ag-5Au不規(guī)則FAB導(dǎo)致球焊點(diǎn)部分外溢

鍵合過程中，超聲功率和鍵合壓力通過劈刀施加在鍵合線上，使得鍵合線與焊盤緊密接觸，在超聲的作用下鍵合引線與焊盤表面產(chǎn)生高頻振動，從而清除線材與焊盤表面的污染物，同時，鍵合線在超聲作用下內(nèi)部產(chǎn)生大量位錯，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鍵合引線與基板之間產(chǎn)生快速擴(kuò)散通道。當(dāng)?shù)谝缓更c(diǎn)超聲功率為50 mW，鍵合壓力為35 g時，不能產(chǎn)生足夠的能量和壓力，鍵合線和焊盤表面的污染物和氧化物也不能徹底破壞，鍵合線內(nèi)部的位錯量增加不足，進(jìn)而影響了金屬原子的相互擴(kuò)散，導(dǎo)致球焊點(diǎn)推力低。當(dāng)?shù)谝缓更c(diǎn)超聲功率為85 mW，鍵合壓力為65 g，過大的壓力使得無空氣焊球形變量過大，進(jìn)而溢出焊盤，導(dǎo)致器件失效。

圖4 球焊點(diǎn)界面受力示意圖

圖5 球焊點(diǎn)形貌

圖7(a)是Ag-5Au合金線在超聲功率為110 mW，鍵合壓力為100 g下的第二焊點(diǎn)形貌。由圖可知該焊點(diǎn)魚尾的功率環(huán)明顯且偏大，焊盤變形；圖7(b)是Ag-5Au合金線在超聲功率為80 mW，鍵合壓力為65 g下的第二焊點(diǎn)形貌。由圖可知該焊點(diǎn)魚尾短切不對稱；圖7(c)是Ag-5Au合金線在超聲功率為95 mW，鍵合壓力為75 g下良好的第二焊點(diǎn)形貌。圖8是Ag-5Au在不同參數(shù)下所測得的拉力數(shù)據(jù)圖。從圖中可以看出當(dāng)超聲功率為95 mW，鍵合壓力為75 g時拉力最高。

圖6 Ag-5Au不同參數(shù)下的推力

鍵合過程中，在鍵合壓力和超聲的作用下實(shí)現(xiàn)金屬原子間的快速擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)一定的鍵合強(qiáng)度。第二焊點(diǎn)超聲功率為110 mW鍵合壓力為100 g時，所產(chǎn)生的能量和接觸應(yīng)力較大，導(dǎo)致焊盤的嚴(yán)重變形，并崩壞魚尾降低鍵合強(qiáng)度；此外，過大的功率還會引起鍵合附近區(qū)域的嚴(yán)重應(yīng)力集中，使產(chǎn)品存在較大的殘余應(yīng)力，影響產(chǎn)品的壽命；再者，第二焊點(diǎn)參數(shù)過大，使魚尾長度過短，鍵合引線與焊盤的有效接觸面積小，焊點(diǎn)連接強(qiáng)度降低，同時還會引起第二焊點(diǎn)在魚尾處應(yīng)力集中，造成第二焊點(diǎn)頸部斷裂。第二焊點(diǎn)超聲功率為80 mW，鍵合壓力為65 g時，所產(chǎn)生的能量不能滿足鍵合的需要，線材和焊盤表面的污染物和氧化物不能徹底破壞，線材內(nèi)部位錯畸變量不足，原子間的擴(kuò)散通道較少，原子間的擴(kuò)散程度降低，導(dǎo)致第二焊點(diǎn)鍵合強(qiáng)度低。對于Ag-5Au合金線，第二焊點(diǎn)功率為95 mW，鍵合壓力為75 g時具有良好的鍵合質(zhì)量。

圖7 第二焊點(diǎn)魚尾形貌

圖8 Ag-5Au不同參數(shù)下的拉力

3 結(jié) 論

通過研究鍵合參數(shù)對Ag-5Au合金線FAB形貌以及鍵合強(qiáng)度度的影響，得出以下結(jié)論：

(1)對于Ag-5Au鍵合合金線，燒球電流2 600 mA時，F(xiàn)AB球形偏橢圓；燒球電流2 800 mA時，F(xiàn)AB會出現(xiàn)高爾夫球桿狀；燒球時間700 μs，F(xiàn)AB球形偏小并會出現(xiàn)高爾夫球桿狀；燒球時間800 μs，F(xiàn)AB球形偏大上縮并在頸部出現(xiàn)下凹現(xiàn)象。

(2)第一焊點(diǎn)、第二焊點(diǎn)超聲功率分別為55、85 mW，鍵合壓力分別為40、70 g時，鍵合點(diǎn)出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象；第一焊點(diǎn)、第二焊點(diǎn)超聲功率分別為85 mW、110 mW，鍵合壓力分別為65、100 g時，造成焊盤短路和損壞，導(dǎo)致器件失效。

(3)Ag-5Au合金線的優(yōu)化鍵合參數(shù)為：燒球電流為2 700 mA、燒球時間為750 μs、第一焊點(diǎn)超聲功率為60 mW，鍵合壓力為45 g；第二焊點(diǎn)超聲功率為95 mW，鍵合壓力為75 g。