金丝键合工艺质量控制与测试设备应用解析
在微电子封装领域，微组装技术因其微型化、高集成度和高可靠性的特点而备受关注。特别是在微波组件的制造过程中，金丝键合作为连接微电子器件的关键技术，其质量直接决定了产品的可靠性和微波特性，对整个微波组件的性能起着至关重要的作用。因此，深入分析金丝键合工艺的影响因素，并优化键合参数，对于提升微波组件的整体性能和可靠性具有重大意义。
本文科准测控小编旨在探讨金丝键合工艺中的关键影响因素，并通过实验研究来确定最佳的键合参数。通过对25μm金丝进行的键合实验和拉力测试，我们收集了大量实验数据，并确保所有测量结果均符合军标GJB548B-2005的要求。这些数据不仅验证了金丝键合工艺的可靠性，而且为实际生产提供了宝贵的参考和指导。
一、金丝键合简介
键合是一种在接头处施加压力、机械振动、电能或热能等不同形式能量，以实现连接的方法，它属于压力焊接的范畴。在这一过程中，金属本身不会熔化，但在连接界面之间会发生原子扩散现象，表明连接面已经达到了足以产生原子间结合力的接近程度。直接将未封装的半导体裸芯片安装到微波多芯片组件（MCM）的基板上，标志着微组装技术迈出了重要的一步。在裸芯片的互连过程中，键合技术是组装MCM的核心环节。通过热压、超声或热超声等技术，将铝丝或金丝键合或点焊到裸芯片和基板的对应焊盘上。
随着技术要求的不断提升，铝丝键合的使用逐渐减少，金丝键合已经成为微组装技术中的一项关键工艺。热超声键合作为超声波键合的一种衍生技术，通过增加热能输入，融合了热压和超声的优点，特别适合于18至100微米范围的金丝。在本文的研究中，我们特别选择了25微米的金丝，并采用热超声键合技术进行实验和分析。
二、金丝键合的分类
从键合工具及对引线端部的工艺处理不同可将金丝键 合 分 为 球 形 键 合 （ＢａｌｌＢｏｎｄ）和 楔 形 键 合（ＷｅｄｇｅＢｏｎｄ）。
球形键合过程中，劈刀产生电火花使金丝端部熔化形成球状，球径约为金丝直径的2至3倍。随后，劈刀下降将金球压在焊盘上完成第一个焊点。劈刀移动至第二点，以楔形方式完成第二个焊点，并通过扯线使金丝断裂。接着，劈刀调整至适当高度，准备下一次键合循环。球形键合适用于360°任意角度焊接，通常使用直径75μm以下的金丝，适用于焊盘间距大于100μm的情况。
楔形键合时，金丝通过劈刀背面的通孔，在热、压力或超声波的作用下与焊盘金属接触形成连接。这是一种单向焊接工艺，第二焊点需与第一焊点同方向。
三、金丝键合质量分析
1、金丝质量要求
金丝纯度需达到99.99%以上。
金丝尺寸需精确，表面需均匀且无污染。
金丝应满足标准的拉断力和延展率要求。
2、金丝直径的影响
不同集成电路对金丝直径有不同要求。
本文实验以常用的25μm金丝为例进行键合质量分析。
3、工艺参数优化
基于经验确定工艺参数的范围边界，确保键合点完整且不压断金丝。
在参数边界范围内均匀设计实验参数组合，形成实验方案。
4、实验材料与方案
选取陶瓷和罗杰斯5880两种基板板材。
芯片选用GaAs芯片。
使用进口25μm金丝。
根据常用键合类型制定实验方案。
5、实验过程
每组工艺参数使用全新劈刀进行键合。
键合后进行拉力测试，以拉力值作为参考标准。
6、参数组合与测试
对每个方案设计12组参数组合。
每种组合键合10根金丝。
剔除因人为因素造成的不合格焊点，如尾丝过长、焊点不完整、金丝拱弧过低等。
7、拉力测试与数据分析
1）检测设备
Alpha-W260键合推拉力测试机
键合推拉力测试机是一种专用于微电子引线键合后焊接强度测试、焊点与基板粘接力测试及其失效分析的动态测试仪器，具备高速力值采集系统，能够根据测试需求更换相应的测试模组，系统会自动识别模组量程，实现不同产品的灵活测试。该设备每个工位都设有独立安全高度位和安全限速，以防止误操作损坏测试针头，具有动作迅速、准确、适用面广的优势。它广泛应用于半导体IC封装、LED封装、光电子器件封装、PCBA电子组装、汽车电子、航空航天及军工等领域，同时也适用于电子分析研究单位的失效分析以及院校的教学和研究。
2）检测标准
按照GJB548B-2005中方法2011.1进行破坏性键合拉力实验。
3）检测流程
a、实验准备
校准推拉力测试机，确保测试数据准确可靠。
准备测试记录表，用于记录测试数据和结果。
b、设备配置
根据国际标准或工艺要求，设定测试机参数，如测试速度和最大拉力。
调整夹具，保证金丝正确稳固夹持，测试方向与金丝键合方向一致。
c、样品安装
将待测软基板样品固定在测试机工作台上，确保样品平整稳定。
调整夹具使金丝居中，保证测试精确性。
d、实验操作
启动测试机，逐渐施加拉力，模拟金丝在实际使用中的受力情况。
观察金丝在拉力作用下的形变和断裂现象。
记录金丝在不同拉力下的形变情况，直至断裂或脱落。
e、数据记录与分析
记录金丝断裂时的最大拉力值，评估金丝键合强度。
记录金丝断裂位置，识别金丝键合的弱点。
分析数据，确定金丝键合的可靠性，并提出改进措施。
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