引線鍵合工藝

MEMS芯片的引線鍵合的主要技術(shù)仍然采用IC芯片的引線鍵合技術(shù)，其主要技術(shù)有兩種，即熱壓鍵合和熱超聲鍵合。引線鍵合基本要求有：

（1）首先要對(duì)焊盤進(jìn)行等離子清洗；

（2）注意焊盤的大小，選擇合適的引線直徑；

（3）鍵合時(shí)要選好鍵合點(diǎn)的位置；

（4）鍵合時(shí)要注意鍵合時(shí)成球的形狀和鍵合強(qiáng)度；

（5）鍵合時(shí)要調(diào)整好鍵合引線的高度和跳線的成線弧度。

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常用的引線鍵合設(shè)備有熱壓鍵合、超聲鍵合和熱超聲鍵合。

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（1）熱壓鍵合法：熱壓鍵合法的機(jī)制是低溫?cái)U(kuò)散和塑性流動(dòng)(PlasticFlow)的結(jié)合,使原子發(fā)生接觸,導(dǎo)致固體擴(kuò)散鍵合。鍵合時(shí)承受壓力的部位，在一定的時(shí)間、溫度和壓力的周期中，接觸的表面就會(huì)發(fā)生塑性變形(PlasticDeformation)和擴(kuò)散。塑性變形是破壞任何接觸表面所必需的,這樣才能使金屬的表面之間融合。在鍵合中,焊絲的變形就是塑性流動(dòng)。該方法主要用于金絲鍵合。

（2）超聲鍵合法：焊絲超聲鍵合是塑性流動(dòng)與摩擦的結(jié)合。通過石英晶體或磁力控制，把摩擦的動(dòng)作傳送到一個(gè)金屬傳感器(Metal“HORN”)上。當(dāng)石英晶體上通電時(shí)，金屬傳感器就會(huì)伸延；當(dāng)斷開電壓時(shí)，傳感器就會(huì)相應(yīng)收縮。這些動(dòng)作通過超聲發(fā)生器發(fā)生，振幅一般在4-5個(gè)微米。在傳感器的末端裝上焊具，當(dāng)焊具隨著傳感器伸縮前后振動(dòng)時(shí)，焊絲就在鍵合點(diǎn)上摩擦，通過由上而下的壓力發(fā)生塑性變形。大部分塑性變形在鍵合點(diǎn)承受超聲能后發(fā)生，壓力所致的塑變只是極小的一部分，這是因?yàn)槌暡ㄔ阪I合點(diǎn)上產(chǎn)生作用時(shí)，鍵合點(diǎn)的硬度就會(huì)變?nèi)?，使同樣的壓力產(chǎn)生較大的塑變。該鍵合方法可用金絲或鋁絲鍵合。

（3）熱超聲鍵合法這是同時(shí)利用高溫和超聲能進(jìn)行鍵合的方法，用于金絲鍵合。三種各種引線鍵合工藝優(yōu)缺點(diǎn)比較：

1、引線鍵合工藝過程

引線鍵合的工藝過程包括：焊盤和外殼清潔、引線鍵合機(jī)的調(diào)整、引線鍵合、檢查。外殼清潔方法現(xiàn)在普遍采用分子清潔方法即等離子清潔或紫外線臭氧清潔。

（1）等離子清潔——該方法采用大功率RF源將氣體轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體，高速氣體離子轟擊鍵合區(qū)表面，通過與污染物分子結(jié)合或使其物理分裂而將污染物濺射除去。所采用的氣體一般為O2、Ar、N2、80%Ar+20%O2，或80%O2+20%Ar。另外O2/N2等離子也有應(yīng)用，它是有效去除環(huán)氧樹脂的除氣材料。

（2）外線臭氧清潔通過發(fā)射184.9ｍｍ和253.7ｍｍ波長(zhǎng)的輻射線進(jìn)行清潔。過程如下：184.9nｍ波長(zhǎng)的紫外線能打破O2分子鏈?zhǔn)怪稍討B(tài)(O+O)，原子態(tài)氧又與其它氧分子結(jié)合形成臭氧O3。在253.7nｍ波長(zhǎng)紫外線作用下臭氧可以再次分解為原子氧和分子氧。水分子可以被打破形成自由的OH-根。所有這些均可以與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)以生成CO2+H2O，并最終以氣體形式離開鍵合表面。253.7nｍ波長(zhǎng)紫外線還能夠打破碳?xì)浠衔锏姆肿渔I以加速氧化過程。盡管上述兩種方法可以去除焊盤表面的有機(jī)物污染，但其有效性強(qiáng)烈取決于特定的污染物。例如，氧等離子清潔不能提高Au厚膜的可焊性，其最好的清潔方法是O2+Ar等離子或溶液清洗方法。另外某些污染物，如Cl離子和F離子不能用上述方法去除，因?yàn)榭尚纬苫瘜W(xué)束縛。因此在某些情況還需要采用溶液清洗，如汽相碳氟化合物、去離子水等。

（3）引線鍵合工藝有球鍵合工藝和楔鍵合工藝兩種。

球鍵合一般采用D75μｍ以下的細(xì)Au絲。主要是因?yàn)槠湓诟邷厥軌籂顟B(tài)下容易變形、抗氧化性能好、成球性好。球鍵合一般用于焊盤間距大于100μｍ的情況下。目前也有用于50μｍ焊盤間距的例子。

（4）在球鍵合工藝的設(shè)計(jì)方面,一般應(yīng)遵循以下原則：

（a）球的初始尺寸為金屬絲直徑的2-3倍。應(yīng)用于精細(xì)間距時(shí)為1.5倍，焊盤較大時(shí)為3-4倍；

（b）終成球尺寸不應(yīng)超過焊盤尺寸的3/4，是金屬絲直徑的2.5-5倍；（c）環(huán)引線高度一般為150μｍ，取決于金屬絲直徑及具體應(yīng)用；

（d）閉環(huán)引線長(zhǎng)度不應(yīng)超過金屬絲直徑的100倍。但在某些多I/O情況下，引線長(zhǎng)度可能要超過5ｍｍ。鍵合設(shè)備在芯片與引線框架之間牽引金屬絲時(shí)不允許有垂直方向的下垂和水平方向的搖擺。楔鍵合工藝既適用于Au絲，也適用于Al絲。二者的區(qū)別在于Al絲采用室溫下的超聲波鍵合，而Au絲采用150℃下的熱超聲鍵合。楔鍵合的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是適用于精細(xì)尺寸，如50um以下的焊盤間距。但由于鍵合工具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其總體速度低于熱超聲球鍵合。

最常見的楔鍵合工藝是Al絲超聲波鍵合，其成本和鍵合溫度較低。而Au絲楔鍵合的主要優(yōu)點(diǎn)是鍵合后不需要密閉封裝，由于楔鍵合形成的焊點(diǎn)小于球鍵合，特別適用于微波器件。

（5）楔鍵合工藝的設(shè)計(jì)方面,一般應(yīng)遵循以下原則：

（a）使鍵合點(diǎn)只比金屬絲直徑大2-3μｍ也可能獲得高強(qiáng)度連接；

（b）焊盤長(zhǎng)度要大于鍵合點(diǎn)和尾絲的長(zhǎng)度；

（c）焊盤的長(zhǎng)軸與引線鍵合路徑一致；

（d）焊盤間距的設(shè)計(jì)應(yīng)保持金屬絲之間距離的一致性。

（6）鍵合的方式有兩種。正焊鍵合：第一點(diǎn)鍵合在芯片上，第二點(diǎn)鍵合在封裝外殼上；反焊鍵合：第一點(diǎn)鍵合在外殼上，第二點(diǎn)鍵合在芯片上。采用正焊鍵合時(shí)，芯片上鍵合點(diǎn)一般有尾絲；采用反焊鍵合時(shí)，芯片上一般是無尾絲的。究竟采用何種鍵合方式鍵合電路，要根據(jù)具體情況確定。

2、引線鍵合的質(zhì)量檢查

嚴(yán)格的鏡檢可以有效的剔除內(nèi)引線鍵合的不合格。分別通過40倍左右和1000倍左右的顯微鏡觀察，可以找到鍵合位置不當(dāng)、鍵合絲損傷、鍵合絲長(zhǎng)尾、鍵合絲頸部損傷、鍵合面明顯玷污及異常、鍵合變形過大或過小、金屬化表面有擦傷、鍵合引線與管芯夾角太小、殘留的鍵絲頭在管芯上或管殼內(nèi)等問題。

3、影響引線鍵合可靠性的因素

在自動(dòng)引線鍵合技術(shù)中，半導(dǎo)體器件鍵合點(diǎn)脫落是最常見的失效模式。這種失效模式用常規(guī)篩選和測(cè)試很難剔除，只有在強(qiáng)烈振動(dòng)下才可能暴露出來，因此對(duì)半導(dǎo)體器件的可靠性危害極大。可能影響內(nèi)引線鍵合可靠性的因素主要有：

（1）界面上絕緣層的形成在芯片上鍵合區(qū)光刻膠或窗口鈍化膜未去除干凈，可形成絕緣層。管殼鍍金層質(zhì)量低劣，會(huì)造成表面疏松、發(fā)紅、鼓泡、起皮等。金屬間鍵合接觸時(shí)，在有氧、氯、硫、水汽的環(huán)境下，金屬往往與這些氣體反應(yīng)生成氧化物、硫化物等絕緣夾層，或受氯的腐蝕，導(dǎo)致接觸電阻增加,從而使鍵合可靠性降低。

（2）金屬化層缺陷，金屬化層缺陷主要有：芯片金屬化層過薄，使得鍵合時(shí)無緩沖作用，芯片金屬化層出現(xiàn)合金點(diǎn)，在鍵合處形成缺陷；芯片金屬化層粘附不牢，最易掉壓點(diǎn)。

（3）表面沾污，原子不能互擴(kuò)散包括芯片、管殼、劈刀、金絲、鑷子、鎢針，各個(gè)環(huán)節(jié)均可能造成沾污。外界環(huán)境凈化度不夠，可造成灰塵沾污；人體凈化不良，可造成有機(jī)物沾污及鈉沾污等；芯片、管殼等未及時(shí)處理干凈，殘留鍍金液，可造成鉀沾污及碳沾污等，這種沾污屬于批次性問題，可造成一批管殼報(bào)廢，或引起鍵合點(diǎn)腐蝕，造成失效；金絲、管殼存放過久，不但易沾污，而且易老化，金絲硬度和延展率也會(huì)發(fā)生變化。

（4）材料間的接觸應(yīng)力不當(dāng)，鍵合應(yīng)力包括熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和超聲應(yīng)力。鍵合應(yīng)力過小會(huì)造成鍵合不牢，但鍵合應(yīng)力過大同樣會(huì)影響鍵合點(diǎn)的機(jī)械性能。應(yīng)力大不僅會(huì)造成鍵合點(diǎn)根部損傷，引起鍵合點(diǎn)根部斷裂失效，而且還會(huì)損傷鍵合點(diǎn)下的芯片材料，甚至出現(xiàn)裂縫。

（5）環(huán)境不良超聲鍵合時(shí)外界振動(dòng)、機(jī)件振動(dòng)或管座固定松動(dòng)，或位于通風(fēng)口，均可造成鍵合缺陷。

（6）鍵合引線與電源金屬條之間放電引起失效(靜電損傷)當(dāng)鍵合引線與芯片水平面夾角太小時(shí)，在ESD(靜電放電)應(yīng)力作用下，鍵合引線與環(huán)繞芯片的電源線(或地線)之間因距離太近易發(fā)生電弧放電而造成失效。