化學(xué)鎳金基闆焊點的失效分析

摘　要

矽麥克風在消費類電子産品中成(chéng)功應用，近年來得到了迅猛發(fā)展。矽麥克風的封裝工藝由于MEMS的特殊結構和封裝材料的特殊性，與常見IC封裝有許多不同點。其中引線鍵合工序由于所使用的PCB基闆材料特殊的加工工藝，使得引線在PCB基闆上的焊點失效成(chéng)爲研究矽麥克風封裝成(chéng)品率和可靠性的一個重要課題。文章重點探讨了矽麥克風封裝過(guò)程中引線鍵合工序焊點失效問題，通過(guò)不同金線鍵合方式和金線鍵合參數的分析，确立了适合于矽麥克風封裝的金線鍵合工藝。

1引言

MEMS技術的發(fā)展開(kāi)辟了一個全新的技術領域和産業。基于MEMS技術的矽麥克風在消費類電子産品中成(chéng)功應用，近年來得到了迅猛發(fā)展。矽麥克風的封裝工藝由于MEMS的特殊結構和封裝材料的特殊性，與常見IC封裝有許多不同點。其中引線鍵合工序由于所使用的PCB基闆材料特殊的加工工藝，使得引線在PCB基闆上的焊點失效成(chéng)爲研究矽麥克風封裝成(chéng)品率和可靠性的一個重要課題。本文通過(guò)對(duì)矽麥克風引線鍵合工藝的介紹以及對(duì)各種(zhǒng)主要失效形式分析的基礎上，針對(duì)矽麥克風引線鍵合過(guò)程中應該注意的事(shì)項加以歸納。

矽麥克風的設計有兩(liǎng)種(zhǒng)形式：一種(zhǒng)是將(jiāng)MEMS和IC集成(chéng)在一個芯片上，一個麥克風器件中隻有一個芯片，目前這(zhè)種(zhǒng)方式的技術還(hái)不是很成(chéng)熟，成(chéng)本太高，仍然處在實驗室研究階段；另一種(zhǒng)是分立式的，即在一個麥克風器件中有兩(liǎng)個芯片，一個MEMS芯片和一個IC芯片，這(zhè)種(zhǒng)設計方式技術相對(duì)成(chéng)熟，目前已投入大規模量産。第二種(zhǒng)設計方式的引線鍵合包括兩(liǎng)個工序，首先是用細的金線將(jiāng)IC芯片上的焊盤同PCB基闆連接起(qǐ)來，然後(hòu)再次用金線將(jiāng)MEMS芯片和IC芯片連接起(qǐ)來。本文著(zhe)重讨論在IC與PCB基闆鍵合過(guò)程中PCB基闆上的焊點失效分析。

2引線鍵合方式設計

2．1矽麥克風引線鍵合方式

矽麥克風使用的PCB闆是化學(xué)鎳金基闆。而通常用于金線鍵合的PCB闆一般是電鍍鎳金基闆，電鍍鎳金基闆不僅鍍層軟、純度高(最高可達99．99％)，而且具有優良的釺焊性和金線鍵合功能(néng)。遺憾的是它屬于電鍍型，不能(néng)用于非導通線路的印制闆。化學(xué)鎳金基闆使用的是全化學(xué)鍍工藝，它可用于非導通線路的印制闆。這(zhè)種(zhǒng)鍍層組合的釺焊性優良，但它隻适于鋁線鍵合而不适于金線鍵合。通常的置換鍍金液是弱酸性的，它能(néng)腐蝕化學(xué)鍍鎳磷層(Ni．P)而形成(chéng)置換鍍金層，并將(jiāng)磷殘留在化學(xué)鍍鎳層表面(miàn)，形成(chéng)黑色(焊)區(Blackpad)，它在焊接時(shí)常造成(chéng)焊接不牢(SolderJointFailure)或金層脫落(Peeling)。試圖通過(guò)延長(cháng)鍍金時(shí)間，提高金層厚度來解決這(zhè)些問題，結果反而使金層的結合力和鍵合功能(néng)明顯下降。

矽麥克風的引線鍵合使用的是超聲熱壓焊工藝，鍵合劈刀、鍵合溫度、鍵合時(shí)間、鍵合壓力和鍵合的超聲波功率等是影響鍵合質量的關鍵因素。

2．2矽麥克風引線鍵合解決方案

在矽麥克風批量生産初期，其使用的是與普通IC封裝一樣(yàng)的引線鍵合方式。如圖1(a)。但是，第二焊點在PCB基闆上脫焊的比率非常高，達到4％。爲增強焊點在基闆上的連接強度，采用了BBOS(BondBallOnStitch)的鍵合方式，在IC芯片同PCB基闆焊接完後(hòu)，再在PCB基闆焊點上植一個金球，如圖1(b)所示。不過(guò)，BBOS的方式并不能(néng)解決第二焊點在鍵合過(guò)程中在PCB基闆上脫焊的問題，而且，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的生産發(fā)現，這(zhè)種(zhǒng)方式有可能(néng)造成(chéng)金線在靠近第二焊點的跟部斷裂，存在可靠性的問題。于是第三種(zhǒng)鍵合方式BSOB(BondStitchOnBal1)被(bèi)運用到了矽麥克風的引線鍵合工藝中，先在PCB基闆植一個金球，然後(hòu)再用金線將(jiāng)IC與PCB基闆上的金球連接起(qǐ)來，如圖1(c)。

矽麥克風的第二焊點是將(jiāng)金線鍵合在金球焊盤上，對(duì)劈刀的選擇有著(zhe)特殊要求。首先，金球焊盤的面(miàn)積限制了有效接觸面(miàn)積，劈刀的值一般爲金球焊盤直徑的兩(liǎng)倍左右；其次，由于焊盤的平整度不如PCB基闆，所以通常選擇相對(duì)較小的以提高連接強度，一般FA在0°-4°左右；最後(hòu)必須考慮金線跟部形狀，爲了在金線跟部形成(chéng)較爲平滑的過(guò)渡，需要選擇較大的OR，提高金線與金球焊盤連接跟部的可靠性。

4結束語

本文探讨了不同引線鍵合方式、引線鍵合機工藝參數設置和不同劈刀對(duì)化學(xué)鎳金基闆上焊點可靠性的影響。主要實驗結果如下：

爲提高第二焊點在化學(xué)鎳金基闆上的連接力，在化學(xué)鎳金工藝和成(chéng)本允許範圍内應盡可能(néng)增加化學(xué)鎳金層厚度。随著(zhe)鍵合溫度提高，第二焊點在化學(xué)鎳金基闆上的連接力越大，但在接近基闆玻璃化溫度時(shí)，連接力會(huì)有所降低，而且變差有所增加，所以鍵合溫度應設置在比基闆玻璃化溫度稍小的範圍内。對(duì)于BSOB的鍵合模式，金球焊盤的質量直接影響第二焊點的可靠性。金球焊盤的面(miàn)積越大，表面(miàn)平整度越高，第二焊點的可靠性越好(hǎo)。考慮到矽麥克風第二焊點的特殊性，劈刀的TIP一般選擇爲金球焊盤直徑的兩(liǎng)倍左右，FA在0°~4°左右，OR在62.5μm-125μm。

轉載自：半導體封裝工程師之家

3第二焊點失效模式及解決方案

3．1第二焊點主要失效模式

脫焊、虛焊、引線斷裂、金層脫落等是第二焊點常見失效模式，而引線斷裂是影響可靠性的最主要失效模式。利用電子顯微鏡對(duì)金線斷裂的失效矽麥克風器件進(jìn)行觀察發(fā)現在PCB基闆和金線之間的金球表面(miàn)遠不如PCB基闆表面(miàn)平整，金線在金球表面(miàn)突起(qǐ)的地方急劇變形，形成(chéng)較爲集中的應力點，而導緻金線在跟部位置斷裂，其形狀如圖2所示。

3第二焊點失效模式及解決方案

3．1第二焊點主要失效模式

脫焊、虛焊、引線斷裂、金層脫落等是第二焊點常見失效模式，而引線斷裂是影響可靠性的最主要失效模式。利用電子顯微鏡對(duì)金線斷裂的失效矽麥克風器件進(jìn)行觀察發(fā)現在PCB基闆和金線之間的金球表面(miàn)遠不如PCB基闆表面(miàn)平整，金線在金球表面(miàn)突起(qǐ)的地方急劇變形，形成(chéng)較爲集中的應力點，而導緻金線在跟部位置斷裂，其形狀如圖2所示。