曹 军,徐 旭,张俊超，宋克兴，周延军,花 涵

(1. 河南理工大学 机械与动力工程学院， 河南 焦作 454000;2. 河南科技大学 材料科学与工程学院， 河南 洛阳 471000)

0 引 言

近年来，微电子封装技术正向着高密度化、耐热化、高热传导性能以及高频化的方向发展，与之相关的键合引线的要求也就越来越高，高性能键合引线成为人们研究的热点[1-4]。Ag基键合合金线因为其高导电率、易成球、工艺参数与金线相似、键合适应性强、成本适当等的优势，开始应用在微电子封装中[5-9]。近年来国内外学者对Ag基键合合金线进行了不少试验研究，Chuang[10]等研究得出Ag-4Pd键合合金线在热处理过程中容易形成孪晶组织的结论；曹军[11]等总结得出银合金线在机械性能、键合性能、抗腐蚀与抗氧化性能及可靠性方面具有明显优势的结论；Guo[12]等对Ag-8Au-3Pd键合合金线的FAB形成过程进行研究，得出了低电流、长时间的键合参数易于形成无缺陷FAB的结论；Zhong[13]等研究了烧球参数对键合铜线键合过程的影响，发现在一定范围内球焊点硬度随烧球时间的缩短而降低；Qi[14]等研究了不同键合参数对Au键合线键合质量的影响，得出了超声功率和键合压力对键合强度的生成起决定性作用；曹军[15]等研究了键合参数对铜线键合性能的影响，得出了过大的超声功率和压力导致焊接内部裂纹产生，过小的超声功率会形成假焊的结论。上述研究所涉及的是有关银基合金线组织结构和机械性能，以及键合参数对Au键合线的键合性能影响，而键合参数对Ag-5Au合金线FAB形貌及键合强度的影响研究鲜有论述。本文通过采用不同键合参数对Ag-5Au合金线键合进行烧球和键合试验，进一步探究了键合参数对Ag-5Au合金线FAB形貌及键合强度的影响，为Ag-5Au的使用提供理论依据。

1 实 验

1.1 试验材料

试验材料为直径0.025 mm的Ag-5Au键合合金线(Au含量为5 %(质量分数)，余量为Ag)，键合合金线力学性能：伸长率14.1%，强度(拉断力)9.4 g。

1.2 试验方法

采用Ag-5Au合金线在自动键合设备上进行键合试验，键合设备型号：ASM-IHAWK ealge60，封装类型：2835单晶LED，劈刀类型：R2-1271-1222-08B，键合参数如表1所示，通过不同烧球时间、烧球电流、超声功率和键合压力等参数进行键合试验；键合过程中采用N2气体保护，气体流量0.6 L/min；采用Dage Series 4000-BS250测试仪对键合后的键合点进行键合拉力和球剪切力测试，并对数据进行统计分析；采用JEOL JSM-6700F扫描电镜(装配EDS)对FAB形貌及键合点形貌进行分析。

2 分析与讨论

2.1 不同烧球参数对Ag-5Au合金线FAB(Free Air Ball)形貌的影响研究

图1为烧球时间为750 μs，不同烧球电流的FAB形貌。烧球时间为750 μs烧球电流为2 600 mA时FAB球形为椭圆，如图1(a)；烧球时间为750 μs烧球电流为2 800 mA时FAB出现高尔夫球杆状，如图1(b)；烧球时间为750 μs烧球电流为2 700 mA时FAB球形为圆形，如图1(c)；图2为烧球电流为2 700 ms，不同烧球时间的FAB形貌。烧球电流为2 700 mA烧球时间为700 μs时FAB球形偏小并出现高尔夫球杆状，如图2(a)；烧球电流为2700 mA烧球时间为800 μs时FAB球形偏大并球会往上缩出现颈部下凹的现象，如图2(b)；烧球电流为2 700 mA烧球时间为750 μs时FAB球形为圆形，如图2(c)。

烧球参数由键合线线径大小及键合线成分决定的。烧球时间一定，烧球电流≤2 600 mA时不能产生足够的能量，无法将键合线尾丝完全熔融，从而出现椭圆状的球形；而烧球电流≥2 800 mA时将产生过多的能量，键合线熔融较多，且远离打火杆位置凝固速率大于打火杆侧，从而出现高尔夫球杆状的球形。烧球电流一定，烧球时间≤700 μs时合金线熔化量小，液态球的受外界环境影响较大，FAB位置不确定性大，从而出现球形偏小及高尔夫球杆状；烧球时间≥800 μs时合金线熔化量过多，形成较大的液态球，从而出现球形偏大及球往上缩和球颈部下凹的现象。

高尔夫球杆形状的FBA会导致后续键合环节中第一焊点短路，并在曲率较小位置焊球部分会溢出，如图3所示；并且，此现象还会降低球焊点的拉力、剪切力以及其器件的可靠性；椭圆形状的FAB会导致键合环节中第一焊点的连接强度不足，出现虚焊，从而引起器件失效。由此，对于Ag-5Au合金线优化的烧球电流和烧球时间分别为2 700 mA和750 μs。

2.2 Ag-5Au不同超声功率和键合压力对Ag-5Au合金线键合强度的影响

键合过程中，在压力和超声作用下无空气焊球发生形变，图4所示，且不同的压力及超声条件下，无空气焊球形变量不同。图5(a)是Ag-5Au合金线在超声功率为85 mW，键合压力为65 g下的第一焊点形貌。由图可知该球焊点部分溢出，导致器件短路和失效。图5(b)是Ag-5Au合金线在超声功率为60 mW，键合压力为45 g下的第一焊点形貌，由图可知该焊点球形较为规则。图5(c)是Ag-5Au合金线在超声功率为50 mW，键合压力为35 g的第一焊点形貌，由图可知焊点球形小。图6是Ag-5Au在不同参数下所测得的球焊点推力对比图。从图中可以看出超声功率为50 mW，键合压力为35 g时推力最低，不满足球推力要求；超声功率为85 mW，键合压力为65 g推力值满足质检要求，但其焊点容易造成短路和应力集中，导致器件失效；对于Ag-5Au合金线在超声功率为60 mW，键合压力为45 g下的第一焊点形貌较规则且球推力满足要求。

图1 EFO电流参数分析

图2 EFO时间参数分析

图3 Ag-5Au不规则FAB导致球焊点部分外溢

键合过程中，超声功率和键合压力通过劈刀施加在键合线上，使得键合线与焊盘紧密接触，在超声的作用下键合引线与焊盘表面产生高频振动，从而清除线材与焊盘表面的污染物，同时，键合线在超声作用下内部产生大量位错，进而实现键合引线与基板之间产生快速扩散通道。当第一焊点超声功率为50 mW，键合压力为35 g时，不能产生足够的能量和压力，键合线和焊盘表面的污染物和氧化物也不能彻底破坏，键合线内部的位错量增加不足，进而影响了金属原子的相互扩散，导致球焊点推力低。当第一焊点超声功率为85 mW，键合压力为65 g，过大的压力使得无空气焊球形变量过大，进而溢出焊盘，导致器件失效。

图4 球焊点界面受力示意图

图5 球焊点形貌

图7(a)是Ag-5Au合金线在超声功率为110 mW，键合压力为100 g下的第二焊点形貌。由图可知该焊点鱼尾的功率环明显且偏大，焊盘变形；图7(b)是Ag-5Au合金线在超声功率为80 mW，键合压力为65 g下的第二焊点形貌。由图可知该焊点鱼尾短切不对称；图7(c)是Ag-5Au合金线在超声功率为95 mW，键合压力为75 g下良好的第二焊点形貌。图8是Ag-5Au在不同参数下所测得的拉力数据图。从图中可以看出当超声功率为95 mW，键合压力为75 g时拉力最高。

图6 Ag-5Au不同参数下的推力

键合过程中，在键合压力和超声的作用下实现金属原子间的快速扩散，从而实现一定的键合强度。第二焊点超声功率为110 mW键合压力为100 g时，所产生的能量和接触应力较大，导致焊盘的严重变形，并崩坏鱼尾降低键合强度；此外，过大的功率还会引起键合附近区域的严重应力集中，使产品存在较大的残余应力，影响产品的寿命；再者，第二焊点参数过大，使鱼尾长度过短，键合引线与焊盘的有效接触面积小，焊点连接强度降低，同时还会引起第二焊点在鱼尾处应力集中，造成第二焊点颈部断裂。第二焊点超声功率为80 mW，键合压力为65 g时，所产生的能量不能满足键合的需要，线材和焊盘表面的污染物和氧化物不能彻底破坏，线材内部位错畸变量不足，原子间的扩散通道较少，原子间的扩散程度降低，导致第二焊点键合强度低。对于Ag-5Au合金线，第二焊点功率为95 mW，键合压力为75 g时具有良好的键合质量。

图7 第二焊点鱼尾形貌

图8 Ag-5Au不同参数下的拉力

3 结 论

通过研究键合参数对Ag-5Au合金线FAB形貌以及键合强度度的影响，得出以下结论：

(1)对于Ag-5Au键合合金线，烧球电流2 600 mA时，FAB球形偏椭圆；烧球电流2 800 mA时，FAB会出现高尔夫球杆状；烧球时间700 μs，FAB球形偏小并会出现高尔夫球杆状；烧球时间800 μs，FAB球形偏大上缩并在颈部出现下凹现象。

(2)第一焊点、第二焊点超声功率分别为55、85 mW，键合压力分别为40、70 g时，键合点出现虚焊现象；第一焊点、第二焊点超声功率分别为85 mW、110 mW，键合压力分别为65、100 g时，造成焊盘短路和损坏，导致器件失效。

(3)Ag-5Au合金线的优化键合参数为：烧球电流为2 700 mA、烧球时间为750 μs、第一焊点超声功率为60 mW，键合压力为45 g；第二焊点超声功率为95 mW，键合压力为75 g。