文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述軟基材上的引線鍵合技術(shù)。

傳統(tǒng)的厚膜混合電路使用陶瓷基板，鍵合焊盤直接在陶瓷基材上涂覆一層Au或者Ag(合金)厚膜層。與陶瓷封裝上的鍵合相比，這不會引入更多特定問題。因此，采用最佳的冶金系統(tǒng)和鍵合程序，可以獲得高良率(≤50ppm缺陷)。然而，其他塑料基材(PCB、BGA和SIP等)可能會引入重大的鍵合問題，這些基材是由常見的玻璃纖維或其他填料層壓形成的環(huán)氧類聚合物，在其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上可實現(xiàn)較好的鍵合。在某些情況下，在陶瓷或?qū)訅喊寤谋砻娉练e一層薄膜介質(zhì)層和金屬層(堆積層)可以改善高頻信號特性;在其他情況下，可使用無層壓的塑料基材(例如撓性基材)。一些復(fù)雜的IC芯片有多層聚合物-絕緣金屬層或特殊的低介電常數(shù)介質(zhì)，例如SiOC。如果把焊盤放置在這些聚合物上面，而非傳統(tǒng)的Si/SiO?上，其鍵合可與軟基材上的鍵合相似。微波混合電路通?；诰鬯姆蚁?PTFE)“軟”基材制造，這需要專業(yè)知識并對鍵合機進(jìn)行特殊參數(shù)設(shè)置。這些塑料基材可以被層壓或含有與PCB類似的填料，有些硬度較高且易于鍵合。下面將討論軟基材上引線鍵合的各項內(nèi)容，包括聚合物和鍵合焊盤金屬材料的性能、鍵合機要求，以及高時鐘速率系統(tǒng)中引線鍵合的應(yīng)用。重要的一點是，若期望在多層聚合物基板或其他軟基板上進(jìn)行引線鍵合，必須圍繞該目標(biāo)設(shè)計(聚合物和金屬層)系統(tǒng)，否則引線鍵合良率可能無法接受，重新設(shè)計既耗時又成本高昂。

薄膜介質(zhì)基板的鍵合

鍵合焊盤通常由鍍Au的薄膜Cu或者Al組成，放置于相對較軟的一層或多層聚酰亞胺(PI)或者其他塑料上。首批軟基板是微波混合電路使用的層壓或填充PTFE(軟)基材，在PTFE上鍵合的首個解決方案是將鍍厚Au的Cu盤釬焊到薄金屬鍵合焊盤上，為鍵合形成剛性平臺。對于軟基板，大多數(shù)后續(xù)工作都遵循這一等效解決方案，盡管常常未被明確意識到。例如，使用Cu導(dǎo)體時，常采用Ni膜層作為表面鍍Au層(用于實現(xiàn)高可鍵合性)和Cu層間的擴散阻擋層，以阻止Au-Cu間相互擴散。幸運的是，這種Ni層還可使鍵合焊盤變硬，改善可鍵合性。

改善聚酰亞胺(PI)焊盤上熱超聲(TS)球形鍵合良率的其他方法是，在PI上的Al鍵合焊盤下方增加0.5um厚的硬Ti或Ti/W層(這種硬金屬層長期以來一直用于Al和GaAs IC芯片焊盤下方，以防止產(chǎn)生彈坑)。此外，據(jù)報道，在相同鍵合機參數(shù)下，產(chǎn)生的焊球形變會更大，這是改善可鍵合性的正常現(xiàn)象，相關(guān)研究通過多種可靠性試驗驗證了鍵合質(zhì)量的改善。如同PI涂覆的芯片一樣，在薄膜高性能基板上，Ti、Cr等硬底層也用于提高Cu鍵合焊盤的硬度。這些硬金屬層通常要求具有良好的粘附性，并對PI基材起到防腐蝕作用，但由于這些金屬膜層存在損耗，針對高時鐘速率系統(tǒng)的應(yīng)用，膜層必須很薄(≤1000?)。為改善鍍Au的Cu鍵合焊盤，可在Cu焊盤上鍍一層較厚的Ni層(3~8um)，再鍍一層厚1um的軟質(zhì)、可鍵合Au層。所有這些硬層都能減少焊盤在鍵合過程中的變形，從而提高鍵合良率。

凹杯、彎曲、Cu絲痕跡凹陷、鍵合焊盤變形等現(xiàn)象在該領(lǐng)域已使用多年，相關(guān)研究用于測量這種效應(yīng)對撓性聚酰亞胺PCB上鍵合焊盤的影響，實驗使用線徑35um鍍Au的Cu絲楔形鍵合到18um厚Cu鍵合焊盤(上表面鍍有2um厚Au層)上——由于鍍Au的Cu絲比Au絲或Al絲硬很多，容易出現(xiàn)凹杯現(xiàn)象。鍵合過程中會留下明顯的焊盤壓痕(可通過輪廓儀測量)，如圖1所示，壓痕深度取決于超聲能量和鍵合力。研究還發(fā)現(xiàn)，鍵合焊盤區(qū)域越大，引線鍵合良率越高。事實上，Cu絲鍵合比常用的Au絲和Al絲更硬，其產(chǎn)生的壓痕更明顯，也更易于測量，而凹杯痕跡會導(dǎo)致鍵合良率下降。在Cu基和頂層可鍵合Au層中間電鍍一層3um厚的Ni層后，凹杯現(xiàn)象減少，鍵合良率提升，可滿足批量制造要求，圖2舉例說明了凹杯現(xiàn)象。

由于高垂直應(yīng)力，金屬焊盤的邊緣可能與聚合物分層(開裂)，這種情況下，增加一層粘附層(通常為Cr或Ti)可防止分層。過去，一些技術(shù)人員開發(fā)出一種室溫下使用加熱瓷嘴將Au絲超聲鍵合到基板上的方法，并確定了相關(guān)鍵合參數(shù)，目的是最小化撓性PI薄膜的熱軟化，允許使用較低的鍵合力。這種組合有助于防止鍵合焊盤出現(xiàn)凹杯現(xiàn)象，但采用硬Ni層(Ni平臺)是更優(yōu)的解決方案。此外，加熱瓷嘴在現(xiàn)代自動鍵合機中難以使用，因此，硬Ni層或鍵合焊盤的支撐結(jié)構(gòu)已成為鍵合焊盤下方的必需結(jié)構(gòu)。

如果鍵合焊盤的金屬層具有剛性(例如，擁有足夠硬的金屬頂層或底層并覆蓋大面積區(qū)域，可抑制下沉現(xiàn)象)，那么玻璃層壓基板在高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(T?)下進(jìn)行鍵合通常是可行的。由于足夠的剛性可形成不產(chǎn)生凹杯的平臺，即使降低鍵合溫度(以降低聚合物軟化程度)，也不會對鍵合產(chǎn)生顯著影響。然而，膨脹系數(shù)的變化會影響任何金屬膠粘劑，在某些情況下還會將整個剛性鍵合焊盤彈性壓縮到軟塑料層中，因此不建議在高于基材T?的溫度下進(jìn)行鍵合。

有研究人員推測，鍵合焊盤下方的軟塑料層會吸收超聲能量，從而降低引線鍵合良率，但這一推測從未得到證實。然而，如果硬金屬層結(jié)構(gòu)可將凹杯現(xiàn)象的可能性降至最低，那么即使在最軟的基板(如PTFE和聚乙烯)上也可實現(xiàn)鍵合，這意味著凹杯結(jié)構(gòu)(金屬發(fā)生屈服)在消耗超聲能量方面比軟塑料更具負(fù)面影響(假設(shè)焊盤尺寸足夠大，可防止焊盤在施加超聲和鍵合過程中動態(tài)沉入軟基板中)。此外，為獲得最高鍵合良率，應(yīng)延遲施加超聲能量，直到所有機械凹杯現(xiàn)象和下沉都穩(wěn)定后再進(jìn)行。

解決動態(tài)下沉和凹杯的設(shè)計方案是，直接在鍵合焊盤下方或金屬層與聚合物之間增加一層硬金屬(如Ti、Ti/W或Ni)，這可減少或防止凹杯現(xiàn)象發(fā)生，并獲得可靠的鍵合。圖3所示為可實現(xiàn)上述效果的一種結(jié)構(gòu)(包含所有變化形式)示例。

層壓基板的鍵合

大多數(shù)層壓基板(如塑封BGA、SiP等)的引線鍵合與PCB上的引線鍵合類似，層壓基板通常由玻璃-環(huán)氧層壓板制備而成。金屬焊盤相對較厚，通常使用PCB行業(yè)常用的“盎司(oz)Cu”表示(“1oz Cu”即36um或1.4mil厚)，層壓板Cu導(dǎo)體最常用的厚度是18um(0.5oz)。環(huán)氧-玻璃纖維(也可能使用其他聚合物和纖維)基板在其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(T?)以下時，硬度高且剛性大，在較低至中等溫度下進(jìn)行鍵合時，該技術(shù)幾乎無問題。

Al楔形鍵合在25°C下進(jìn)行，且很少關(guān)注硬化鍵合焊盤問題(Cu焊盤下方有≤2um的Ni層)，具有相似基板的板上COB器件已應(yīng)用多年，手表模組就是采用該技術(shù)制備的。單層或多層基板上的BGA、SIP等結(jié)構(gòu)內(nèi)的引線鍵合技術(shù)也與之類似，這些類型的基板可同時采用Au-TS(在T?以下，加熱工作臺上)和冷Al-US兩種方法進(jìn)行鍵合。圖4所示為采用導(dǎo)電環(huán)氧樹脂實現(xiàn)倒裝芯片互連PCB的橫截面示例，圖中展示了多種玻璃纖維層壓聚合物基板上的鍵合問題，該結(jié)構(gòu)在某些鍵合焊盤下方的特定區(qū)域提供了一定支撐。需要指出的是，部分基板使用無紡布聚合物“紙”作為支撐，若其T?較高(例如芳族聚酰胺)，則可均勻支撐所有鍵合焊盤，甚至在高于環(huán)氧樹脂板T?的溫度下也能實現(xiàn)。

在某些情況下，鍵合過程中，聚合物(溫度高于T?或由于施加超聲)可能變得非常軟，導(dǎo)致整個剛性鍵合焊盤下沉到軟塑料中。瓷嘴(工具)下降后的最初幾毫秒內(nèi)，鍵合焊盤發(fā)生動態(tài)下沉(通常在施加超聲能量期間)，會改變(降低)有效鍵合力，進(jìn)而導(dǎo)致鍵合質(zhì)量/良率下降。在高于T?的溫度下首次觀察到聚合物基板上的鍵合，但在室溫下，低模量基板上也可實現(xiàn)鍵合。

增層

增層是未添加任何增強玻璃纖維的純聚合物(通常為環(huán)氧樹脂)膜層(見圖4)，它們被沉積在常規(guī)PCB的頂層，頂層上設(shè)有薄的、細(xì)線條的金屬層。隨后可使用激光鉆孔，實現(xiàn)層間的細(xì)孔連接。這種細(xì)孔/金屬線允許在使用常規(guī)低頻板/基板的情況下，實現(xiàn)更高頻率的應(yīng)用。通常，多種此類層板組合可滿足高密度、高頻系統(tǒng)對低成本的需求，因此該技術(shù)常應(yīng)用于移動電話板和高密度/高頻系統(tǒng)中。

如果增層或基板的T?接近鍵合溫度，引線鍵合(非倒裝芯片)會導(dǎo)致下沉和低良率。圖5所示為在鍍Au增層上Au楔形鍵合過程中出現(xiàn)動態(tài)下沉的示例。瓷嘴(工具)下降后的首個10~100ms內(nèi)，動態(tài)的鍵合焊盤下沉?xí)淖?降低)焊盤上的有效鍵合力，這種下沉發(fā)生在常規(guī)施加US能量和鍵合焊點形成期間(最佳延遲時間通過實驗確定)。這種動態(tài)變化的鍵合力需要更多的US能量，否則無法完成鍵合，解決方法是推遲施加超聲能量的時間。

因此，生產(chǎn)中不建議在接近或高于基板或增層T?的溫度下進(jìn)行鍵合，除非鍵合焊盤既剛硬又面積大，足以防止下沉，或者(通過實驗確定)延遲施加US能量的時間，直到動態(tài)下沉過程穩(wěn)定。這種延遲的作用已被多次非正式驗證。如果鍵合焊盤較小，PTFE、PI等其他軟基材在室溫下也會出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，類似的延遲通常能改善鍵合效果。

一般來說，帶有裸芯片(COB)的大型PCB(通常由FR-4制成，T?約為120°C)通常采用冷US方法進(jìn)行Al絲鍵合，以防止基板發(fā)生熱彎曲和因超過材料T?而軟化。在適當(dāng)溫度(≤110°C)下進(jìn)行TS鍵合通常是可行的，使用加熱劈刀工具也有幫助。具有較高T?(170~190°C)特殊樹脂的PBGA等類似基板，可允許使用更高溫度進(jìn)行熱超聲鍵合(以及釬焊)。

如果這些基材被加工成大型面板，需要特殊的基板夾具(通常由真空輔助)將結(jié)構(gòu)牢固固定在工作臺上，這在設(shè)計上可能是一項挑戰(zhàn)。即使是小型、薄層壓板模塊基板，也必須牢固夾持，以避免TS鍵合過程中發(fā)生翹曲，從而降低鍵合良率。不過，在某些情況下，真空壓持已被證明足以夾持單個BGA尺寸的基板。PCB/BGA基板越厚，特殊夾持工裝的重要性就越低。在一個小型、28mm2、1mm厚的玻璃纖維增強型BT-樹脂模塊的兩側(cè)，已在無支撐的中心成功實現(xiàn)熱超聲鍵合。當(dāng)這類基板遇到鍵合問題時，通?？赏ㄟ^上述方法解決，必要時可采用相關(guān)鍵合焊盤結(jié)構(gòu)和延遲施加US能量的時間。