摘　要

 

矽麥克風(fēng)在消費類電子産品中成功應用，近年(nián)來(lái)得(de)到了迅猛發展。矽麥克風(fēng)的封裝工(gōng)藝由于MEMS的特殊結構和封裝材料的特殊性，與常見(jiàn)IC封裝有許多不同點。其中引線鍵合工(gōng)序由于所使用的PCB基闆材料特殊的加工(gōng)工(gōng)藝，使得(de)引線在PCB基闆上的焊點失效成爲研究矽麥克風(fēng)封裝成品率和可(kě)靠性的一個重要課題。文章(zhāng)重點探討(tǎo)了矽麥克風(fēng)封裝過程中引線鍵合工(gōng)序焊點失效問(wèn)題，通過不同金線鍵合方式和金線鍵合參數的分(fēn)析，确立了适合于矽麥克風(fēng)封裝的金線鍵合工(gōng)藝。

 

1引言

 

MEMS技術(shù)的發展開辟了一個全新的技術(shù)領域和産業。基于MEMS技術(shù)的矽麥克風(fēng)在消費類電子産品中成功應用，近年(nián)來(lái)得(de)到了迅猛發展。矽麥克風(fēng)的封裝工(gōng)藝由于MEMS的特殊結構和封裝材料的特殊性，與常見(jiàn)IC封裝有許多不同點。其中引線鍵合工(gōng)序由于所使用的PCB基闆材料特殊的加工(gōng)工(gōng)藝，使得(de)引線在PCB基闆上的焊點失效成爲研究矽麥克風(fēng)封裝成品率和可(kě)靠性的一個重要課題。本文通過對矽麥克風(fēng)引線鍵合工(gōng)藝的介紹以及對各種主要失效形式分(fēn)析的基礎上，針對矽麥克風(fēng)引線鍵合過程中應該注意的事(shì)項加以歸納。

 

矽麥克風(fēng)的設計(jì)有兩種形式：一種是将MEMS和IC集成在一個芯片上，一個麥克風(fēng)器件(jiàn)中隻有一個芯片，目前這種方式的技術(shù)還(hái)不是很成熟，成本太高，仍然處在實驗室研究階段；另一種是分(fēn)立式的，即在一個麥克風(fēng)器件(jiàn)中有兩個芯片，一個MEMS芯片和一個IC芯片，這種設計(jì)方式技術(shù)相(xiàng)對成熟，目前已投入大(dà)規模量産。第二種設計(jì)方式的引線鍵合包括兩個工(gōng)序，首先是用細的金線将IC芯片上的焊盤同PCB基闆連接起來(lái)，然後再次用金線将MEMS芯片和IC芯片連接起來(lái)。本文着重討(tǎo)論在IC與PCB基闆鍵合過程中PCB基闆上的焊點失效分(fēn)析。

 

2引線鍵合方式設計(jì)

 

2．1矽麥克風(fēng)引線鍵合方式

 

矽麥克風(fēng)使用的PCB闆是化學鎳金基闆。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(kě)達99．99％)，而且具有優良的釺焊性和金線鍵合功能。遺憾的是它屬于電鍍型，不能用于非導通線路(lù)的印制闆。化學鎳金基闆使用的是全化學鍍工(gōng)藝，它可(kě)用于非導通線路(lù)的印制闆。這種鍍層組合的釺焊性優良，但(dàn)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，它能腐蝕化學鍍鎳磷層(Ni．P)而形成置換鍍金層，并将磷殘留在化學鍍鎳層表面，形成黑(hēi)色(焊)區(Blackpad)，它在焊接時常造成焊接不牢(SolderJointFailure)或金層脫落(Peeling)。試圖通過延長鍍金時間，提高金層厚度來(lái)解決這些問(wèn)題，結果反而使金層的結合力和鍵合功能明顯下降。

 

矽麥克風(fēng)的引線鍵合使用的是超聲熱(rè)壓焊工(gōng)藝，鍵合劈刀、鍵合溫度、鍵合時間、鍵合壓力和鍵合的超聲波功率等是影(yǐng)響鍵合質量的關鍵因素。

 

2．2矽麥克風(fēng)引線鍵合解決方案

 

在矽麥克風(fēng)批量生(shēng)産初期，其使用的是與普通IC封裝一樣的引線鍵合方式。如(rú)圖1(a)。但(dàn)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，再在PCB基闆焊點上植一個金球，如(rú)圖1(b)所示。不過，BBOS的方式并不能解決第二焊點在鍵合過程中在PCB基闆上脫焊的問(wèn)題，而且，經過一段時間的生(shēng)産發現，這種方式有可(kě)能造成金線在靠近第二焊點的跟部斷裂，存在可(kě)靠性的問(wèn)題。于是第三種鍵合方式BSOB(BondStitchOnBal1)被運用到了矽麥克風(fēng)的引線鍵合工(gōng)藝中，先在PCB基闆植一個金球，然後再用金線将IC與PCB基闆上的金球連接起來(lái)，如(rú)圖1(c)。

 

矽麥克風(fēng)的第二焊點是将金線鍵合在金球焊盤上，對劈刀的選擇有着特殊要求。首先，金球焊盤的面積限制了有效接觸面積，劈刀的值一般爲金球焊盤直徑的兩倍左右；其次，由于焊盤的平整度不如(rú)PCB基闆，所以通常選擇相(xiàng)對較小的以提高連接強度，一般FA在0°-4°左右；最後必須考慮金線跟部形狀，爲了在金線跟部形成較爲平滑的過渡，需要選擇較大(dà)的OR，提高金線與金球焊盤連接跟部的可(kě)靠性。

 

4結束語

 

本文探討(tǎo)了不同引線鍵合方式、引線鍵合機(jī)工(gōng)藝參數設置和不同劈刀對化學鎳金基闆上焊點可(kě)靠性的影(yǐng)響。主要實驗結果如(rú)下：

 

爲提高第二焊點在化學鎳金基闆上的連接力，在化學鎳金工(gōng)藝和成本允許範圍内應盡可(kě)能增加化學鎳金層厚度。随着鍵合溫度提高，第二焊點在化學鎳金基闆上的連接力越大(dà)，但(dàn)在接近基闆玻璃化溫度時，連接力會有所降低，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。對于BSOB的鍵合模式，金球焊盤的質量直接影(yǐng)響第二焊點的可(kě)靠性。金球焊盤的面積越大(dà)，表面平整度越高，第二焊點的可(kě)靠性越好。考慮到矽麥克風(fēng)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倍左右，FA在0°~4°左右，OR在62.5μm-125μm。

 

 

轉載自(zì)：半導體(tǐ)封裝工(gōng)程師(shī)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(jiàn)失效模式，而引線斷裂是影(yǐng)響可(kě)靠性的最主要失效模式。利用電子顯微鏡對金線斷裂的失效矽麥克風(fēng)器件(jiàn)進行觀察發現在PCB基闆和金線之間的金球表面遠(yuǎn)不如(rú)PCB基闆表面平整，金線在金球表面突起的地方急劇(jù)變形，形成較爲集中的應力點，而導緻金線在跟部位置斷裂，其形狀如(rú)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(jiàn)失效模式，而引線斷裂是影(yǐng)響可(kě)靠性的最主要失效模式。利用電子顯微鏡對金線斷裂的失效矽麥克風(fēng)器件(jiàn)進行觀察發現在PCB基闆和金線之間的金球表面遠(yuǎn)不如(rú)PCB基闆表面平整，金線在金球表面突起的地方急劇(jù)變形，形成較爲集中的應力點，而導緻金線在跟部位置斷裂，其形狀如(rú)圖2所示。