絕緣引線在陶瓷封裝中的應(yīng)用

楊 兵，張國(guó)華，李宗亞

（無(wú)錫中微高科電子有限公司，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 引言

陶瓷封裝是指以陶瓷材料為基體、以柯伐材料為蓋板進(jìn)行封接的氣密性封裝，它是空封器件，腔體中除了芯片、鍵合絲、芯片粘接材料外，沒(méi)有其他的填充材料。采用該封裝技術(shù)的電子元器件具有較高的長(zhǎng)期可靠性。

在陶瓷封裝工藝中，引線鍵合互連技術(shù)是指采用金線、鋁絲或銅絲等金屬絲將芯上的PAD（焊盤(pán)）與基板上的LEAD（鍵合指）連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)芯片功能的輸出。該連接需要有低的接觸電阻和足夠的機(jī)械強(qiáng)度。引線鍵合技術(shù)歷史長(zhǎng)，技術(shù)基礎(chǔ)雄厚，加工靈活，它利用熱能、超聲波能量、壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵合，鍵合時(shí)無(wú)方向性，速度快，效率高，在大規(guī)模生產(chǎn)中目前能夠達(dá)到鍵合節(jié)距（PITCH）約40 μm的水平。

引線鍵合技術(shù)是一種固相鍵合方法，其基本原理是：在鍵合過(guò)程中，采用超聲、加壓和加熱等方式破壞被焊接表面的氧化層和污染物，產(chǎn)生塑性變形，使得引線與被焊接面親密接觸，達(dá)到原子間的引力范圍并導(dǎo)致界面間原子擴(kuò)散而形成有效焊接。

引線鍵合的局限性在于引線連接被限制在芯片的四周。在陶瓷封裝工藝中，當(dāng)芯片I/O數(shù)量增加時(shí)，高I/O數(shù)相對(duì)應(yīng)的陶瓷基板鍵合指因?yàn)榭臻g尺寸關(guān)系則采用多層分布，最終的鍵合互連引線達(dá)到4～5層，這就必然導(dǎo)致部分鍵合引線長(zhǎng)度達(dá)到4.0 mm以上。而鍵合引線長(zhǎng)度的增加將導(dǎo)致在機(jī)械沖擊、掃頻振動(dòng)、恒定加速度等環(huán)境試驗(yàn)時(shí)鍵合絲容易扭曲變形，導(dǎo)致相鄰引線發(fā)生短路現(xiàn)象，在加電沖擊試驗(yàn)時(shí)容易出現(xiàn)瞬間的引線短路問(wèn)題，引起整機(jī)功能失效。長(zhǎng)度3.7 mm鍵合引線的沖擊試驗(yàn)?zāi)M圖如圖1所示。

通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝試驗(yàn)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)失效電路的部分引線在沖擊試驗(yàn)過(guò)程中存在振動(dòng)。從影像中可以看出，在電路的邊角有部分鍵合絲振動(dòng)明顯，幅度比較大，從圖像上計(jì)算振動(dòng)頻率：10次/0.02 s=5 000 Hz。該現(xiàn)象容易形成瞬間的引線短路，導(dǎo)致電路失效。

圖1 加電沖擊試驗(yàn)中鍵合引線出現(xiàn)瞬間的短路

在陶瓷封裝工藝中，當(dāng)芯片和相應(yīng)的陶瓷外殼均已定型時(shí)，鍵合引線的長(zhǎng)度就已確定。在鍵合引線長(zhǎng)度大于3.0 mm以上時(shí)，在不更改封裝結(jié)構(gòu)的情況下，為了解決加電沖擊試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的引線瞬間短路問(wèn)題，是否可以采用絕緣引線進(jìn)行該類(lèi)電路的鍵合，本文就這一問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和討論。

2 絕緣引線材料

絕緣引線是Microbonds Inc公司獨(dú)家所有的專(zhuān)利產(chǎn)品，其產(chǎn)品型號(hào)為X-WireTM2.0。絕緣引線是指在金線或銅絲本體的表面重新鍍上一層有機(jī)薄膜絕緣層材料。該種引線在鍵合完畢后芯片焊盤(pán)和鍵合指之間的連接具有導(dǎo)電特性，而同時(shí)引線與引線之間具有絕緣特性。

該絕緣引線的特性如下：

（1）絕緣引線本體為金線，具有常規(guī)金線/銅絲的特性，包括延伸率、破斷強(qiáng)度等。

（2）絕緣層具有高的絕緣強(qiáng)度、抗龜裂性、高撓曲強(qiáng)度等特性，與金材料粘附強(qiáng)度良好，無(wú)裂紋和剝落，熱穩(wěn)定性良好，能有效防止電路因鍵合引線的碰觸、交叉出現(xiàn)的短路現(xiàn)象。

（3）絕緣引線的表面絕緣層厚度約為75 nm，擊穿電壓為50 V。

（4）絕緣引線能夠在現(xiàn)有的引線鍵合設(shè)備上完成鍵合。

（5）從性能方面分析，絕緣引線鍵合能夠在芯片單位面積上提供更多的連接點(diǎn)，使用低成本且更小的芯片，降低鍵合點(diǎn)的限制。

（6）絕緣引線允許引線相互接觸，所以設(shè)計(jì)時(shí)就可能布線非常密，設(shè)計(jì)靈活。

（7）絕緣引線的直徑有Φ20 μm、Φ23 μm 和Φ25 μm三種規(guī)格。

3 絕緣引線的鍵合

3.1 鍵合材料的準(zhǔn)備

為驗(yàn)證絕緣引線是否可應(yīng)用于陶瓷封裝電路，進(jìn)行了試驗(yàn)批電路的陶瓷封裝，陶瓷外殼采用CQFP208，封裝數(shù)量為50只，每只電路的鍵合引線數(shù)量約300根。為了進(jìn)行對(duì)比，鍵合絲分別采用本體為Φ25 μm AW99的絕緣引線X-WireTM2.0和常規(guī)金線Φ25 μm AW99。

鍵合材料的處理與常規(guī)的金線或銅絲鍵合一樣，陶瓷基板鍵合指表面的潔凈對(duì)絕緣引線鍵合的成功應(yīng)用起著關(guān)鍵作用，鍵合前的等離子清洗是至關(guān)重要的。

3.2 鍵合設(shè)備

鍵合設(shè)備采用K&S公司Maxumμltra金線球焊鍵合機(jī)。

鍵合機(jī)的設(shè)置：使用絕緣引線需要對(duì)鍵合機(jī)做一些簡(jiǎn)單的改動(dòng)，主要是鍵合線的接地部分。通常鍵合機(jī)上鍵合線的接地是通過(guò)線夾來(lái)完成的，這樣用來(lái)產(chǎn)生FAB的高電壓EFO放電便通過(guò)線夾形成其回路。但是對(duì)于絕緣引線，其線端可能被作為接地點(diǎn)，和絕緣引線本身一起形成回路。這樣是為了防止在FAB形成時(shí)對(duì)鍍層造成過(guò)度的損傷。

3.3 鍵合劈刀的選擇

為絕緣引線選擇合適劈刀的過(guò)程與普通鍵合線類(lèi)似，要考慮許多幾何要素，如內(nèi)孔徑（H）、斜面直徑（CD）、迎面角（FA）、斜面角（CA）、外半徑（OR）和尖端表面處理等。絕緣引線因其表面鍍層極薄，不需要增加額外的內(nèi)孔尺寸。

絕緣引線的鍵合要求劈刀的尖端處理粗糙，較粗糙的表面處理能使得劈刀與鍍層的引線結(jié)合較好，以便最大限度地傳遞超聲能量，可以進(jìn)一步提高月牙型鍵合的強(qiáng)度。

3.4 鍵合工藝參數(shù)

鍵合工藝參數(shù)的正確理解和應(yīng)用可以使絕緣引線鍵合獲得同普通引線鍵合一樣的鍵合強(qiáng)度。

絕緣引線的自由空氣球FAB的形成主要取決于正確的參數(shù)選擇，例如尾線長(zhǎng)度、EFO電流、間隔和時(shí)間。一般情況下，與普通的金線或銅絲相比，絕緣引線要求較小的EFO間隙和較低的EFO電流來(lái)獲得最優(yōu)的FAB質(zhì)量。X-wire絕緣引線的一個(gè)特別之處是焊球形成后表面會(huì)出現(xiàn)像西瓜皮一樣的帶狀條紋，如圖2所示。

圖2 絕緣引線鍵合的金球SEM照片

芯片上的球焊鍵合點(diǎn)：通常絕緣引線球焊鍵合和常規(guī)金線球焊鍵合的剪切強(qiáng)度相差不多。

鍵合指上的月牙型鍵合點(diǎn)：為了獲得強(qiáng)壯的第二鍵合，需要利用鍵合設(shè)備的一些特殊功能（如進(jìn)行輕微的刮擦動(dòng)作來(lái)增加鍍層材料的去除程度）以提高鍵合強(qiáng)度。

3.5 絕緣引線鍵合質(zhì)量檢驗(yàn)

（1）鍵合電路的最長(zhǎng)鍵合引線長(zhǎng)度為3.7 mm，平均引線長(zhǎng)度為3.3 mm。

（2）電路性能測(cè)試，對(duì)鍵合完畢的電路全部進(jìn)行電性能測(cè)試，絕緣引線和常規(guī)金線鍵合的電路測(cè)試結(jié)果均正常。

（3）鍵合完畢后進(jìn)行鍵合引線拉力強(qiáng)度測(cè)試，絕緣引線和常規(guī)金線鍵合的電路測(cè)試結(jié)果均滿足GJB548B-2005方法2011.1的要求。

（4）鍵合完畢后進(jìn)行金球抗剪強(qiáng)度測(cè)試（金球直徑約60 μm），根據(jù)EIA/JESD22-B116 球壓焊的破壞性剪切試驗(yàn)方法，絕緣引線的金球抗剪強(qiáng)度最小測(cè)試值為29 g，常規(guī)金線的金球抗剪強(qiáng)度最小測(cè)試值為30 g，均合格。

（5）鍵合弧線外觀質(zhì)量檢測(cè)，絕緣引線的表面顏色與常規(guī)金線顏色不一樣，少量引線上明顯有絕緣鍍層缺少的現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 絕緣引線和常規(guī)金線表面顏色對(duì)比

4 絕緣引線的鍵合可靠性試驗(yàn)

可靠性試驗(yàn)前，所有的試驗(yàn)電路均經(jīng)過(guò)相關(guān)電性能測(cè)試，測(cè)試合格品用于可靠性考核試驗(yàn)，可靠性考核的試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 絕緣引線鍵合電路可靠性試驗(yàn)條件

絕緣引線鍵合的金球EDX成份分析結(jié)果如表2 所示。

表2 絕緣引線鍵合的金球EDX成份分析

采用絕緣引線鍵合的電路在溫度循環(huán)和穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)后絕緣層表面顏色有變化，類(lèi)似于絕緣層溶解變薄，但是該電路在加電沖擊試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)瞬間短路問(wèn)題出現(xiàn)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證絕緣層的耐溫情況，進(jìn)行了300 ℃、1 h和300 ℃、24 h烘烤試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明300 ℃、1 h后絕緣層仍然存在，而300 ℃、24 h后絕緣層完全消失。

從試驗(yàn)結(jié)果分析，采用絕緣引線鍵合的電路能夠通過(guò)相關(guān)可靠性考核試驗(yàn)，能有效防止電路因鍵合引線的碰觸、交叉出現(xiàn)的短路現(xiàn)象，能夠解決加電沖擊試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的引線瞬間短路問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

絕緣引線材料是一種特殊的技術(shù)，在陶瓷封裝中只能有限應(yīng)用，不能長(zhǎng)期應(yīng)用于高溫高濕環(huán)境。要解決長(zhǎng)引線在加電沖擊試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的瞬間短路問(wèn)題應(yīng)優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)，縮短鍵合引線，從根源上解決問(wèn)題，絕緣引線材料只是臨時(shí)的應(yīng)急處理方案。

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