化学镍金基板焊点的失效分析

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   硅麦克风在消费类电子产品中成功应用，近年来得到了迅猛发展。硅麦克风的封装工艺由于MEMS的特殊结构和封装材料的特殊性，与常见IC封装有许多不同点。其中引线键合工序由于所使用的PCB基板材料特殊的加工工艺，使得引线在PCB基板上的焊点失效成为研究硅麦克风封装成品率和可靠性的一个重要课题。文章重点探讨了硅麦克风封装过程中引线键合工序焊点失效问题，通过不同金线键合方式和金线键合参数的分析，确立了适合于硅麦克风封装的金线键合工艺。

1 、引言

      MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业。基于MEMS技术的硅麦克风在消费类电子产品中成功应用，近年来得到了迅猛发展。硅麦克风的封装工艺由于MEMS的特殊结构和封装材料的特殊性，与常见IC封装有许多不同点。其中引线键合工序由于所使用的PCB基板材料特殊的加工工艺，使得引线在PCB基板上的焊点失效成为研究硅麦克风封装成品率和可靠性的一个重要课题。本文通过对硅麦克风引线键合工艺的介绍以及对各种主要失效形式分析的基础上，针对硅麦克风引线键合过程中应该注意的事项加以归纳。

  硅麦克风的设计有两种形式：一种是将MEMS和IC集成在一个芯片上，一个麦克风器件中只有一个芯片，目前这种方式的技术还不是很成熟，成本太高，仍然处在实验室研究阶段；另一种是分立式的，即在一个麦克风器件中有两个芯片，一个MEMS芯片和一个IC芯片，这种设计方式技术相对成熟，目前已投入大规模量产。第二种设计方式的引线键合包括两个工序，首先是用细的金线将IC芯片上的焊盘同PCB基板连接起来，然后再次用金线将MEMS芯片和IC芯片连接起来。本文着重讨论在IC与PCB基板键合过程中PCB基板上的焊点失效分析。

2 、引线键合方式设计

2.1 硅麦克风引线键合方式

  硅麦克风使用的PCB板是化学镍金基板。而通常用于金线键合的PCB板一般是电镀镍金基板，电镀镍金基板不仅镀层软、纯度高（最高可达99.99%），而且具有优良的钎焊性和金线键合功能。遗憾的是它属于电镀型，不能用于非导通线路的印制板。化学镍金基板使用的是全化学镀工艺，它可用于非导通线路的印制板。这种镀层组合的钎焊性优良，但它只适于铝线键合而不适于金线键合。通常的置换镀金液是弱酸性的，它能腐蚀化学镀镍磷层（Ni2P）而形成置换镀金层，并将磷残留在化学镀镍层表面，形成黑色（焊）区（Blackpad），它在焊接时常造成焊接不牢（SolderJointFailure）或金层脱落（Peeling）。试图通过延长镀金时间，提高金层厚度来解决这些问题，结果反而使金层的结合力和键合功能明显下降。

硅麦克风的引线键合使用的是超声热压焊工艺，键合劈刀、键合温度、键合时间、键合压力和键合的超声波功率等是影响键合质量的关键因素。

2.2 硅麦克风引线键合解决方案

   在硅麦克风批量生产初期，其使用的是与普通IC封装一样的引线键合方式。如图1（a）。但是，第二焊点在PCB基板上脱焊的比率非常高，达到4%。为增强焊点在基板上的连接强度，采用了BBOS（BondBallOnStitch）的键合方式，在IC芯片同PCB基板焊接完后，再在PCB基板焊点上植一个金球，如图1（b）所示。不过，BBOS的方式并不能解决第二焊点在键合过程中在PCB基板上脱焊的问题，而且，经过一段时间的生产发现，这种方式有可能造成金线在靠近第二焊点的跟部断裂，存在可靠性的问题。于是第三种键合方式BSOB（BondStitchOnBall）被运用到了硅麦克风的引线键合工艺中，先在PCB基板植一个金球，然后再用金线将IC与PCB基板上的金球连接起来，如图1（c）。

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3、 第二焊点失效模式及解决方案
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3.1 第二焊点主要失效模式

  脱焊、虚焊、引线断裂、金层脱落等是第二焊点常见失效模式，而引线断裂是影响可靠性的最主要失效模式。利用电子显微镜对金线断裂的失效硅麦克风器件进行观察发现在PCB基板和金线之间的金球表面远不如PCB基板表面平整，金线在金球表面突起的地方急剧变形，形成较为集中的应力点，而导致金线在跟部位置断裂，其形状如图2所示。

3.2 第二焊点失效解决方案

3.2.1 键合温度的确定

   键合温度是超声热压焊最基本的参数之一，直接影响PCB基板上焊盘的剪切力。通常温度越高越容易焊接，焊盘的剪切力越大。但键合温度同时受PCB基板的玻璃化温度的制约。PCB基板上焊盘的剪切力可根据下面经验公式推算：

BSRmin=BSS×Ballarea

  这里BSR为焊盘剪切力，BSS是单位面积上焊盘剪切力，对于金丝焊盘而言，一般不小于6g/mil2（1mil=25μm）左右。BCD为焊盘直径，直径为25μm的金线焊接后焊盘直径应该在75μm左右。故焊盘剪切力应该不小于：

BSRmin=6×金球面积=6×[3.14×（3/2）2]=42.39（g）

硅麦克风使用的化学镍金基板玻璃化温度在180℃左右，在其他焊接条件相同的情况下，选用不同键合温度进行实验，焊盘剪切力如图3所示。

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可以看出，在150℃时焊盘剪切力最大，同时剪切力的变差也最小，所以硅麦克风的键合温度设定在150℃±10℃的范围内。

3.2.2 引线键合工艺参数的优化

  为进一步优化金球焊盘剪切力和焊盘表面质量，在键合温度设定在150℃进行实验设计，研究键合时间、键合压力、键合的超声波功率与金球焊盘剪切力连接力、金球焊盘高度以及金球焊盘截面直径之间的关系，并考察金球焊盘的表面平整度。运用Mini-Tab软件设计了表1所示的DOE。

通过Mini-Tab软件的分析，键合时间、键合压力和键合的超声波功率的最佳设定如图4所示。

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3.2.3 劈刀尺寸的影响

  劈刀是影响引线断裂的另外一个重要因素，劈刀的主要参数如图5所示：有劈刀内径H，腔体斜面的直径CD、腔体斜面倒角CA、劈刀端部直径T、斜面角度FA及圆角半径OR。评价第二焊点质量的指标包括焊点连接力和焊点形状，其中T、FA和OR对第二焊点质量有着直接的影响。

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   硅麦克风的第二焊点是将金线键合在金球焊盘上，对劈刀的选择有着特殊要求。首先，金球焊盘的面积限制了有效接触面积，劈刀的T值一般为金球焊盘直径的两倍左右；其次，由于焊盘的平整度不如PCB基板，所以通常选择相对较小的FA以提高连接强度，一般FA在0°~4°左右；最后必须考虑金线跟部形状，为了在金线跟部形成较为平滑的过渡，需要选择较大的OR，提高金线与金球焊盘连接跟部的可靠性。

4 、结束语

本文探讨了不同引线键合方式、引线键合机工艺参数设置和不同劈刀对化学镍金基板上焊点可靠性的影响。主要实验结果如下：

   为提高第二焊点在化学镍金基板上的连接力，在化学镍金工艺和成本允许范围内应尽可能增加化学镍金层厚度。随着键合温度提高，第二焊点在化学镍金基板上的连接力越大，但在接近基板玻璃化温度时，连接力会有所降低，而且变差有所增加，所以键合温度应设置在比基板玻璃化温度稍小的范围内。对于BSOB的键合模式，金球焊盘的质量直接影响第二焊点的可靠性。金球焊盘的面积越大，表面平整度越高，第二焊点的可靠性越好。考虑到硅麦克风第二焊点的特殊性，劈刀的TIP一般选择为金球焊盘直径的两倍左右，FA在0°~4°左右，OR在62.5μm~125μm。

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脱焊、虚焊、引线断裂、金层脱落等是第二焊点常见失效模式