金锡熔封对引线键合强度影响研究

王明浩，康 敏，丁红园，赵鹤然

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引 言

可靠性是电子封装最关心的核心话题。各个组装环节之间环环相扣，后道工序往往对前道工序产生不同程度的影响，直接影响电路的可靠性[1-3]。

引线键合工艺是最为成熟的互联技术，现阶段仍然是最为广泛使用的一级封装互联工艺。随着原材料制造的发展，键合丝从传统的金丝、铝丝逐步向铜丝、银丝和带有镀层的多种合金丝发展。表征引线键合能力和可靠性的方法很多，包括键合拉力测量、焊点剪切强度测量等[4-5]。

国内外大量学者研究引线键合可靠性的问题，主要集中在引线键合区，尤其是金属互联时可能产生的金属间化合物[6]。一般来讲，金属间化合物有利于焊接材料之间形成牢固的结合，但应尽可能避免形成脆性金属间化合物[7]。例如：Au-Al 金属化系统键合的器件在长期使用或遇高温后，在键合处会出现压焊强度降低、变脆以及接触电阻变大等情况，最终甚至可导致器件开路或电性能退化[8-10]。

在此研究金锡熔封工艺过程中烧结炉温度曲线对不同引线键合丝键合强度的影响。以25μm 金丝、32μm 铝硅丝和250μm 粗铝丝为研究对象，在峰值温度310℃的高温环境下处理25min 后，对比键合强度的前后变化情况，并观察断口形貌，以得到金锡熔封工艺对三种键合丝强度衰减的影响。

2 试验方法及条件

金锡熔封是高可靠性集成电路封装行业的主流密封技术，具有焊接强度高、耐腐蚀性强、气密性良好等特点，广泛使用在航空、航天、导弹、船舶等高可靠元器件上。

图1 给出了金锡熔封的典型工艺曲线[11]。其峰值温度310℃，预热温度240℃。在试验中对熔封工艺曲线做了简化，峰值温度310℃，持续时间25min。

图1 金锡熔封典型工艺曲线

样本选用25μm 金丝、32μm 铝硅丝和250μm粗铝丝三种规格键合丝，各材料的详细情况见表1。

表1 键合丝规格

对键合强度的测试采用DAGE4000 型键合强度/剪切强度测试仪来完成，并随后使用显微镜观察拉断位置，判断其是否存在脱键现象，最终使用SEM 观察键合丝断口微观形貌。

3 试验结果及分析

3.1 25μm 金丝键合强度变化对比分析

对25μm 金丝进行熔封前后的键合强度对比，实验结果如表2 所示。其中，在熔封之前，30 根键合丝键合拉力的最大值是10.8g，最小值是7.6g，平均值为8.5g；熔封之后，30 根键合丝键合拉力的最大值是10.8g，最小值是7.7g，平均值为8.4g。

从键合拉力测试结果来看，熔封前后，金丝键合拉力没有明显变化。这主要是因为金的熔点较高，为1064.18℃，而熔封温度为310℃，尚未达到其熔点的三分之一，两者相差较大。对于金丝本身来说，该熔封温度条件属于低温环境，不足以明显影响到自身的物理性质。

表2 25μm 金丝熔封前后键合强度变化

从断裂位置来看，主要是键合第一点焊球的上方位置有断裂发生。分析其原因：一方面是金丝烧球产生的热影响区，加上劈刀在成弧过程中的移动动作，使第一点根部热影响区造成弯折，降低了强度；另一方面，金丝球键合采用的引线弧形为安全成球模式，即在第二点键合完成后又补球加强键合强度。

3.2 32μm 铝硅丝键合强度变化对比分析

对比32μm 铝硅丝在熔封前后的键合强度，详细对比结果如表3 所示。可见，在熔封之前，30 根键合丝键合拉力的最大值是11.3g，最小值是8.2g，平均值为9.3g；熔封之后，30 根键合丝键合拉力的最大值是6.2g，最小值是3.4g，平均值为5.1g。

表3 32μm 铝硅丝熔封前后键合强度变化

从键合拉力测试的结果来看，熔封后，铝硅丝键合拉力从均值9.3g 骤降到5.1g，发生了较大程度的衰减。这主要是因为铝的熔点为660℃，而熔封温度为310℃，接近其熔点的二分之一，对于铝硅丝属于高温载荷（约比温度≈0.47）。温度对金属材料的物理性质有很大的影响，长时间处于高温载荷下会明显影响到材料的力学性能；而短时高温载荷也会使金属的塑性增加。

在熔封前，断裂位置主要集中在第一点根部及第二点根部；而熔封后主要在靠近第一点、第二点上方的一小段区域发生断裂。这主要是因为，在铝丝键合的过程中，键合点的形成主要依靠劈刀的压力及振动，劈刀的前后缘对键合点根部起到一种加工硬化的作用，导致其塑性下降。熔封过程则相当于在基础上做了一次退火处理，改善了根部的力学性能。

3.3 250μm 粗铝丝键合强度变化对比分析

对250μm 粗铝丝进行熔封前后的键合强度对比试验，结果如表4 所示。可见，在熔封之前，30 根键合丝键合拉力的最大值是529.4g，最小值是483.1g，平均值为510g；熔封之后，30 根键合丝键合拉力的最大值是497.6g，最小值是366.8g，平均值为446.3g。

表4 250μm 粗铝丝熔封前后键合强度变化

从键合拉力测试结果来看，熔封后的键合强度相比于熔封之前降低了10%，仍然处在较高的键合强度水平。一方面，这是因为铝丝的力学性能在熔封后发生了变化导致键合强度降低；另一方面，相对于铝硅丝，粗铝丝直径较大，其引线线径与长度比值相比于铝硅丝大得多，在抗拉断方面表现较为良好。

熔封前后，断裂位置都主要集中在引线上，没有明显变化。

4 结 束 语

经过研究可知，金锡熔封对25μm 金丝键合强度几乎没有影响，但对其断裂位置影响较大。熔封前断裂主要是集中在第一点根部及第二点根部；而熔封后主要在靠近第一点、第二点上方的一小段区域发生断裂。对于32μm 铝硅丝，金锡熔封使其键合拉力发生了较大程度的衰减，主要是约比温度在0.5左右，使键合丝力学性能发生了较大变化。金锡熔封对粗铝丝键合强度的影响较小。