软基材上的引线键合技术详解

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要讲述软基材上的引线键合技术。

传统的厚膜混合电路使用陶瓷基板，键合焊盘直接在陶瓷基材上涂覆一层Au或者Ag(合金)厚膜层。与陶瓷封装上的键合相比，这不会引入更多特定问题。因此，采用最佳的冶金系统和键合程序，可以获得高良率(≤50ppm缺陷)。然而，其他塑料基材(PCB、BGA和SIP等)可能会引入重大的键合问题，这些基材是由常见的玻璃纤维或其他填料层压形成的环氧类聚合物，在其玻璃化转变温度之上可实现较好的键合。在某些情况下，在陶瓷或层压板基材表面沉积一层薄膜介质层和金属层(堆积层)可以改善高频信号特性;在其他情况下，可使用无层压的塑料基材(例如挠性基材)。一些复杂的IC芯片有多层聚合物-绝缘金属层或特殊的低介电常数介质，例如SiOC。如果把焊盘放置在这些聚合物上面，而非传统的Si/SiO₂上，其键合可与软基材上的键合相似。微波混合电路通常基于聚四氟乙烯(PTFE)“软”基材制造，这需要专业知识并对键合机进行特殊参数设置。这些塑料基材可以被层压或含有与PCB类似的填料，有些硬度较高且易于键合。下面将讨论软基材上引线键合的各项内容，包括聚合物和键合焊盘金属材料的性能、键合机要求，以及高时钟速率系统中引线键合的应用。重要的一点是，若期望在多层聚合物基板或其他软基板上进行引线键合，必须围绕该目标设计(聚合物和金属层)系统，否则引线键合良率可能无法接受，重新设计既耗时又成本高昂。

薄膜介质基板的键合

键合焊盘通常由镀Au的薄膜Cu或者Al组成，放置于相对较软的一层或多层聚酰亚胺(PI)或者其他塑料上。首批软基板是微波混合电路使用的层压或填充PTFE(软)基材，在PTFE上键合的首个解决方案是将镀厚Au的Cu盘钎焊到薄金属键合焊盘上，为键合形成刚性平台。对于软基板，大多数后续工作都遵循这一等效解决方案，尽管常常未被明确意识到。例如，使用Cu导体时，常采用Ni膜层作为表面镀Au层(用于实现高可键合性)和Cu层间的扩散阻挡层，以阻止Au-Cu间相互扩散。幸运的是，这种Ni层还可使键合焊盘变硬，改善可键合性。

改善聚酰亚胺(PI)焊盘上热超声(TS)球形键合良率的其他方法是，在PI上的Al键合焊盘下方增加0.5um厚的硬Ti或Ti/W层(这种硬金属层长期以来一直用于Al和GaAs IC芯片焊盘下方，以防止产生弹坑)。此外，据报道，在相同键合机参数下，产生的焊球形变会更大，这是改善可键合性的正常现象，相关研究通过多种可靠性试验验证了键合质量的改善。如同PI涂覆的芯片一样，在薄膜高性能基板上，Ti、Cr等硬底层也用于提高Cu键合焊盘的硬度。这些硬金属层通常要求具有良好的粘附性，并对PI基材起到防腐蚀作用，但由于这些金属膜层存在损耗，针对高时钟速率系统的应用，膜层必须很薄(≤1000Å)。为改善镀Au的Cu键合焊盘，可在Cu焊盘上镀一层较厚的Ni层(3~8um)，再镀一层厚1um的软质、可键合Au层。所有这些硬层都能减少焊盘在键合过程中的变形，从而提高键合良率。

凹杯、弯曲、Cu丝痕迹凹陷、键合焊盘变形等现象在该领域已使用多年，相关研究用于测量这种效应对挠性聚酰亚胺PCB上键合焊盘的影响，实验使用线径35um镀Au的Cu丝楔形键合到18um厚Cu键合焊盘(上表面镀有2um厚Au层)上——由于镀Au的Cu丝比Au丝或Al丝硬很多，容易出现凹杯现象。键合过程中会留下明显的焊盘压痕(可通过轮廓仪测量)，如图1所示，压痕深度取决于超声能量和键合力。研究还发现，键合焊盘区域越大，引线键合良率越高。事实上，Cu丝键合比常用的Au丝和Al丝更硬，其产生的压痕更明显，也更易于测量，而凹杯痕迹会导致键合良率下降。在Cu基和顶层可键合Au层中间电镀一层3um厚的Ni层后，凹杯现象减少，键合良率提升，可满足批量制造要求，图2举例说明了凹杯现象。

由于高垂直应力，金属焊盘的边缘可能与聚合物分层(开裂)，这种情况下，增加一层粘附层(通常为Cr或Ti)可防止分层。过去，一些技术人员开发出一种室温下使用加热瓷嘴将Au丝超声键合到基板上的方法，并确定了相关键合参数，目的是最小化挠性PI薄膜的热软化，允许使用较低的键合力。这种组合有助于防止键合焊盘出现凹杯现象，但采用硬Ni层(Ni平台)是更优的解决方案。此外，加热瓷嘴在现代自动键合机中难以使用，因此，硬Ni层或键合焊盘的支撑结构已成为键合焊盘下方的必需结构。

如果键合焊盘的金属层具有刚性(例如，拥有足够硬的金属顶层或底层并覆盖大面积区域，可抑制下沉现象)，那么玻璃层压基板在高于其玻璃化转变温度(T₉)下进行键合通常是可行的。由于足够的刚性可形成不产生凹杯的平台，即使降低键合温度(以降低聚合物软化程度)，也不会对键合产生显著影响。然而，膨胀系数的变化会影响任何金属胶粘剂，在某些情况下还会将整个刚性键合焊盘弹性压缩到软塑料层中，因此不建议在高于基材T₉的温度下进行键合。

有研究人员推测，键合焊盘下方的软塑料层会吸收超声能量，从而降低引线键合良率，但这一推测从未得到证实。然而，如果硬金属层结构可将凹杯现象的可能性降至最低，那么即使在最软的基板(如PTFE和聚乙烯)上也可实现键合，这意味着凹杯结构(金属发生屈服)在消耗超声能量方面比软塑料更具负面影响(假设焊盘尺寸足够大，可防止焊盘在施加超声和键合过程中动态沉入软基板中)。此外，为获得最高键合良率，应延迟施加超声能量，直到所有机械凹杯现象和下沉都稳定后再进行。

解决动态下沉和凹杯的设计方案是，直接在键合焊盘下方或金属层与聚合物之间增加一层硬金属(如Ti、Ti/W或Ni)，这可减少或防止凹杯现象发生，并获得可靠的键合。图3所示为可实现上述效果的一种结构(包含所有变化形式)示例。

层压基板的键合

大多数层压基板(如塑封BGA、SiP等)的引线键合与PCB上的引线键合类似，层压基板通常由玻璃-环氧层压板制备而成。金属焊盘相对较厚，通常使用PCB行业常用的“盎司(oz)Cu”表示(“1oz Cu”即36um或1.4mil厚)，层压板Cu导体最常用的厚度是18um(0.5oz)。环氧-玻璃纤维(也可能使用其他聚合物和纤维)基板在其玻璃化转变温度(T₉)以下时，硬度高且刚性大，在较低至中等温度下进行键合时，该技术几乎无问题。

Al楔形键合在25°C下进行，且很少关注硬化键合焊盘问题(Cu焊盘下方有≤2um的Ni层)，具有相似基板的板上COB器件已应用多年，手表模组就是采用该技术制备的。单层或多层基板上的BGA、SIP等结构内的引线键合技术也与之类似，这些类型的基板可同时采用Au-TS(在T₉以下，加热工作台上)和冷Al-US两种方法进行键合。图4所示为采用导电环氧树脂实现倒装芯片互连PCB的横截面示例，图中展示了多种玻璃纤维层压聚合物基板上的键合问题，该结构在某些键合焊盘下方的特定区域提供了一定支撑。需要指出的是，部分基板使用无纺布聚合物“纸”作为支撑，若其T₉较高(例如芳族聚酰胺)，则可均匀支撑所有键合焊盘，甚至在高于环氧树脂板T₉的温度下也能实现。

在某些情况下，键合过程中，聚合物(温度高于T₉或由于施加超声)可能变得非常软，导致整个刚性键合焊盘下沉到软塑料中。瓷嘴(工具)下降后的最初几毫秒内，键合焊盘发生动态下沉(通常在施加超声能量期间)，会改变(降低)有效键合力，进而导致键合质量/良率下降。在高于T₉的温度下首次观察到聚合物基板上的键合，但在室温下，低模量基板上也可实现键合。

增层

增层是未添加任何增强玻璃纤维的纯聚合物(通常为环氧树脂)膜层(见图4)，它们被沉积在常规PCB的顶层，顶层上设有薄的、细线条的金属层。随后可使用激光钻孔，实现层间的细孔连接。这种细孔/金属线允许在使用常规低频板/基板的情况下，实现更高频率的应用。通常，多种此类层板组合可满足高密度、高频系统对低成本的需求，因此该技术常应用于移动电话板和高密度/高频系统中。

如果增层或基板的T₉接近键合温度，引线键合(非倒装芯片)会导致下沉和低良率。图5所示为在镀Au增层上Au楔形键合过程中出现动态下沉的示例。瓷嘴(工具)下降后的首个10~100ms内，动态的键合焊盘下沉会改变(降低)焊盘上的有效键合力，这种下沉发生在常规施加US能量和键合焊点形成期间(最佳延迟时间通过实验确定)。这种动态变化的键合力需要更多的US能量，否则无法完成键合，解决方法是推迟施加超声能量的时间。

因此，生产中不建议在接近或高于基板或增层T₉的温度下进行键合，除非键合焊盘既刚硬又面积大，足以防止下沉，或者(通过实验确定)延迟施加US能量的时间，直到动态下沉过程稳定。这种延迟的作用已被多次非正式验证。如果键合焊盘较小，PTFE、PI等其他软基材在室温下也会出现下沉现象，类似的延迟通常能改善键合效果。

一般来说，带有裸芯片(COB)的大型PCB(通常由FR-4制成，T₉约为120°C)通常采用冷US方法进行Al丝键合，以防止基板发生热弯曲和因超过材料T₉而软化。在适当温度(≤110°C)下进行TS键合通常是可行的，使用加热劈刀工具也有帮助。具有较高T₉(170~190°C)特殊树脂的PBGA等类似基板，可允许使用更高温度进行热超声键合(以及钎焊)。

如果这些基材被加工成大型面板，需要特殊的基板夹具(通常由真空辅助)将结构牢固固定在工作台上，这在设计上可能是一项挑战。即使是小型、薄层压板模块基板，也必须牢固夹持，以避免TS键合过程中发生翘曲，从而降低键合良率。不过，在某些情况下，真空压持已被证明足以夹持单个BGA尺寸的基板。PCB/BGA基板越厚，特殊夹持工装的重要性就越低。在一个小型、28mm²、1mm厚的玻璃纤维增强型BT-树脂模块的两侧，已在无支撑的中心成功实现热超声键合。当这类基板遇到键合问题时，通常可通过上述方法解决，必要时可采用相关键合焊盘结构和延迟施加US能量的时间。