银键合丝力学性能对键合质量的影响
周文艳 陈家林 康菲菲 杨国祥 孔建稳 吴永瑾 孙绍霞
摘要:
通过调节微合金元素的含量获得3种具有不同力学性能的银键合丝。利用拉伸试验、键合试验、焊线挑断力、焊球推力测试等手段，研究了银键合丝力学性能对键合质量的影响。结果表明，在延伸率相同的条件下，随着微合金元素含量的降低，3种键合丝的断裂负荷降低，初始模量先减小后增大，键合后焊线挑断力和焊球推力均降低，电极金挤出率先减小后增大。银键合丝初始模量较低时在超声和压力的作用下易于变形，焊线内残余应力较低且第二焊点与引线框架结合较好，因此挑断测试时第二焊点与框架材料界面处不易发生脱离，有利于获得更高的键合成功率。
0引言
键合丝作为连接芯片与基板电路间的引线，是微电子封装的关键材料之一，目前应用的键合丝材料主要包括金丝、铜丝、银丝、合金丝和铝硅丝等，其中银键合丝由于导电性能优良、成本显著低于金丝、线材软度与金丝相近、封装的LED灯亮度和散热性较好等优点，成为替代金丝较为理想的键合丝材料之一。
对于键合丝而言，影响其键合性能(成球性、焊线挑断力及断点位置、焊球推力、电极损伤等)的因素较多，包括成分、断裂负荷、延伸率、热影响区长度、键合参数和环境气氛等，例如，曹军等人研究了钯层厚度、延伸率、拉断力和热影响区长度对键合质量的影响，薛瑞探讨了超声功率和键合压力对金丝热超声键合质量的影响。但是，以上研究涉及的大多是关于键合铜丝、金丝键合性能的研究。随着银键合丝的应用逐渐增多，目前已报道或应用的银键合丝种类较多，且成分多变，包括纯Ag，Ag-Pd，Ag-Au-Pd和AgLa等体系，但文献报道主要针对上述键合丝的变形特性、显微组织和键合界面等，对其键合性能影响因素的研究报道较少。力学性能是键合丝材料生产者的主要评价参数之一，而键合质量则是键合丝使用者的主要评价指标，因此，本文以银键合丝为研究对象，探讨其力学性能对键合性能的影响，为银键合丝的系统评价提供参考。
1试验
1.1材料
试验材料为贵研铂业股份有限公司生产的S5型银基键合丝，丝直径为23μm，在主成分不变的前提下，通过调节微合金元素的含量获得具有不同力学性能的键合丝试样，共制备3组试样，分别标记为键合丝I，II和III，其中微合金元素含量从高到低依次为键合丝I、键合丝II、键合丝III。采用贴片式2835LED灯珠进行键合试验，灯珠芯片中电极材料为金。
1.2试验方法
采用YG001A－1型纤维电子强力仪测量键合丝的拉伸断裂负荷、延伸率和初始模量，此处断裂负荷和初始模量是在具有相同延伸率的条件下测得的。采用大族光电HANS－5201H型平面焊线机进行键合试验，每组样品键合灯珠数量为576个，共键合1152条线，烧球及键合参数为:打火电压为6000V;烧球电流为28mA;烧球时间为7ms;键合功率为18480DAC;键合压力为180g;键合时间为8ms。键合后采用DS2－5N数显推拉力计进行挑断力和焊球推力测试，每组样品分别测试至少10条焊线的挑断力和焊球推力并取其平均值。采用SZM45－T1连续变倍体式显微镜观察第一焊点电极的金挤出情况并计数，以金挤出焊点数占焊点总数的百分比(金挤出率)表征各组参数下的金挤出情况。采用HitachiS－3400N扫描电子显微镜观察银键合丝拉伸测试后的断裂面形貌。
2结果与讨论
2.1银键合丝的力学性能
图1为3种键合丝的拉伸载荷－位移(F-s)曲线。
由图1可见3种键合丝的曲线形状相近，施加载荷后，首先呈现一段弹性变形阶段，随后很快进入塑性阶段，之后随应变的增加应力增长速度放缓，并发生很大的塑性变形。但是，三者的断裂负荷及曲线弹性阶段的斜率存在一定差异。
表1所列为3种银键合丝的退火温度及力学性能结果。表中:t为退火温度;B为断裂负荷;δ为延伸率;E为初始模量。由表1可见，为了达到延伸率相同的目的，3种银键合丝的退火温度呈逐渐降低趋势，表明微合金元素含量的变化使3种键合丝的再结晶温度有所不同，再结晶温度的差异在键合烧球过程中直接影响键合丝一个重要参数———热影响区长度。然而，通过不同退火温度达到相同延伸率的前提下，3种键合丝的断裂负荷逐渐降低，这是由于微合金元素含量降低强化作用减弱的缘故，而初始模量则呈先减小后增大趋势。
图2所示为3组键合丝拉伸测试后断口的形貌。由图2可见，3种键合丝的断裂面均表现为韧性断裂特征，但其中键合丝II断裂面呈针尖状，表明其断面的塑性变形程度最高，这是由于键合丝II中微合金元素所起的强化作用适中，同时微合金元素使晶粒得到细化，因此其塑性变形能力较好，而键合丝I由于微合金元素的强化和硬化作用较高、键合丝III则由于微合金元素含量最低而起到的晶粒细化作用不足，因此二者塑性变形能力较低，断裂面的塑性变形程度低于键合丝II。
2.2力学性能对键合质量的影响
键合试验结束后，通过焊线挑断力(Fp)、焊球推力(Fs)、电极金挤出率(Ｒs)评价上述3种键合丝的键合强度与焊点质量，结果如表2所示。
由表2可见3种键合丝的挑断力、焊球推力呈逐渐降低趋势，电极金挤出率则先减小后增大。
2.2.1焊线挑断力
在键合丝的测试评价中，影响键合拉力测试结果的因素有键合参数、引线特性(材质、直径、强度和刚度)、吊钩位置、弧线高度以及测量中拉钩的移动速度等，由于3种键合丝在完全相同的条件下进行键合和拉力测试，因此上述因素中仅引线特性存在差异，结合表1可知，相同延伸率下3种键合丝的断裂负荷由大到小依次为键合丝I、键合丝II、键合丝III，因此，随断裂负荷降低，3种键合丝的挑断力呈现逐渐降低趋势。
2.2.2焊球推力
由于键合试验所用LED芯片电极的主要成分为金，因此电极与银焊点的界面处无金属间化合物生成，而是通过元素的扩散形成扩散层获得具有一定结合强度的界面。J.H.Li等人通过高分辨率透射电镜(highresolutiontransmissionelectronmicroscopy，HＲTEM)观察到键合界面超声键合层位错密度剧烈增加的现象，位错的增多可有效促进元素的扩散，因此位错密度的增加是形成键合界面并获得有效连接强度的主要因素，而微量元素的添加更有利于键合界面位错密度的增加，由于本文中微合金元素含量由高到低依次为键合丝I、键合丝II、键合丝III，故焊球推力呈逐渐降低趋势。
2.2.3电极金挤出率
电极材料产生挤出现象通常是由于键合压力或功率过大或焊球硬度较高造成的，本文中键合参数均相同，然而由于键合丝I中微合金元素的含量最高，强化效果较好，因此其焊球的硬度一般也较高，当硬度较高的焊球在超声与压力的作用下与金电极接触并经历变形形成焊合的过程中，更易损伤金电极故而造成电极破裂、电极金挤出现象。相比于键合丝I，键合丝II微合金元素含量的降低使焊球的硬度有所降低，其电极金挤出率低于键合丝I。然而，键合丝III虽然微合金元素含量最低，但结合3中键合丝的力学特性及图2对断口形貌的分析可知，键合丝III的初始模量高于且塑性变形能力低于键合丝II，在超声和压力的作用下键合丝III的焊球不易发生变形因而使得金电极承受的应力较大，因此其对电极材料的损伤高于键合丝II。综上，键合丝II对应的电极金挤出率最低。
2.2.4焊线挑断点
然而，仅通过键合后的强度测试来评价键合质量仍是不足的，还需对其失效点进行观察和统计，图3所示为银键合丝的键合线弧形状及失效点示意图。
如图3所示，通常在线弧上定义A，B，C，D和E5个具有代表性的点，分别为焊球与电极界面、焊球颈部、线弧最高点、第二焊点颈部、第二焊点与框架材料界面，其中A和E点断裂属于焊点脱离，说明焊点的键合强度不够，属于不成功的键合，而B，C和D点断裂属于成功键合。本文中银丝键合后挑断力测试过程*共中**观察到3种失效模式:B点断裂、C点断裂、E点断裂，表3所示为3种银键合丝挑断测试过程中上述3种失效模式所占比例(γ)。
结合表2和表3结果可见，键合丝I虽然断挑断力和推力均较高，但其失效模式均发生在E点，出现这种现象的芯片在使用或可靠性测试过程中易发生失效，属于不合格品。结合表1可见，3组样品中键合丝I的初始模量最高，表明键合丝I在小负荷作用下不容易变形，刚性较好。由于键合过程中第二焊点未成球，仅在温度、压力和超声振动的作用下与支架形成键合，其结合强度必然低于第一焊点，此外，引线在瓷嘴的牵引下发生变形形成线弧时，键合丝I由于刚性较高而难于变形，键合后线弧内的残余应力较高，更加不利于第二焊点与支架间的键合，易产生应力集中，因此使得挑断测试时所有引线均在第二焊点界面处发生脱离，键合不成功。相比之下，初始模量最低的键合丝II，在同等负荷作用下更易于变形，形成的线弧内残余应力较低，因此挑断测试断裂均发生在B点附近，而初始模量居中的键合丝III断裂模式为B，C和E点混合断裂，键合成功率介于前两者之间。以上结果表明，对于本文研究的银键合丝，较低的模量有利于获得更高的键合成功率。
综上所述，同等延伸率下银键合丝的断裂负荷提高时，焊线的挑断力、焊球推力提高，初始模量先减小后增大，但初始模量较高时第二焊点与框架材料界面处易脱离，键合成功率降低。
3结论
本文研究了银键合丝力学性能对键合质量的影响，得到以下结论:延伸率相同时随断裂负荷降低，键合丝初始模量先减小后增大，键合后焊线挑断力、焊球推力降低，电极金挤出率先增大后减小;初始模量较高时，挑断测试中第二焊点与框架材料界面处易脱离，因此较低的模量有利于获得更高的键合成功率。