電子連接線-微連接技術(shù)中的壓焊方法介紹
在微連接技術(shù)中,壓焊方法主要用于微電子器件中固態(tài)電路內(nèi)部互連接線的連接,即芯片(表面電極,金屬化層材料主要為Al)與引線框架之間的連接。按照內(nèi)引線形式,可分為絲材鍵合、梁式引線技術(shù)、倒裝芯片法和載帶自動(dòng)鍵合技術(shù)。
1.絲材健合(wire-bonding) 這種方法把普通的焊接能源(熱壓、超聲或兩者結(jié)合)與健合的特殊工具及工藝(球-劈刀法、楔-楔法)相結(jié)合,形成了不同的健合方法,從而實(shí)現(xiàn)了直徑為10~200μm的金屬絲與芯片電極-金屬膜之間的連接。
(1)絲材熱壓鍵合 這是最早用于內(nèi)引線鍵合的方法。熱壓鍵合是通過(guò)壓力與加熱,使接頭區(qū)產(chǎn)生典型的塑性變形。熱量與壓力通過(guò)毛細(xì)管形或楔形加熱工具直接或間接地以靜載或脈沖方式施加到鍵合區(qū)。該方法要求鍵合金屬表面和鍵合環(huán)境的潔凈度十分高。而且只有金絲才能保證鍵合可靠性,但對(duì)于Au-Al內(nèi)引線鍵合系統(tǒng),在焊點(diǎn)處又極易形成導(dǎo)致焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度減弱的“紫斑”缺陷。
(2)絲材超聲波鍵合 超聲波鍵合是在材料的鍵合面上同時(shí)施加超聲波和壓力,超聲波振動(dòng)平行于鍵合面,壓力垂直于鍵合面。該方法一般采用Al或Al合金絲,既可避免Au絲熱壓焊的“紫班”缺陷和解決Al-Al系統(tǒng)的焊接困難,又降低了生產(chǎn)成本。缺點(diǎn)是尾絲不好處理,不利于提高器件的集成度,而且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的難度較大,生產(chǎn)效率也比較低。
(3)絲球焊 絲材通過(guò)空心劈刀的毛細(xì)管穿出,然后經(jīng)過(guò)電弧放電使伸出部分熔化,并在表面張力作用下成球形,然后通過(guò)劈刀將球壓焊到芯片的電極上。該方法一般采用Au絲。近年來(lái),國(guó)際上一直尋求采用Al絲或Cu絲替代Al絲球焊,到80年代,國(guó)外Cu絲球焊已在生產(chǎn)中應(yīng)用。國(guó)內(nèi)研制的Cu絲球焊裝置,采用受控脈沖放電式雙電源形球系統(tǒng),并用微機(jī)控制形球高壓脈沖的數(shù)、頻率、頻寬比以及低壓維孤時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)形球能量的jq控制和調(diào)節(jié),在氬氣保護(hù)條件下確保了Cu絲形球質(zhì)量。
2.梁引線技術(shù)(beam-lead) 采用復(fù)式沉積方式在半導(dǎo)體硅片上制備出由多層金屬組成的梁,以這種梁來(lái)代替常規(guī)內(nèi)引線與外電路實(shí)現(xiàn)連接。這種方法主要在軍事、宇航等要求長(zhǎng)壽命和高可靠性的系統(tǒng)中得到應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)在于提高內(nèi)引線焊接效率和實(shí)現(xiàn)高可靠性連接,缺點(diǎn)是梁的制造工藝復(fù)雜,散熱性能較差,且出現(xiàn)焊點(diǎn)不良時(shí)不能修補(bǔ)。
3. 倒裝芯片法(flip-chip)和載帶自動(dòng)鍵合技術(shù)(TAB) 隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,微電子器件內(nèi)引線的數(shù)目也隨之增加。絲球焊作為一種點(diǎn)焊技術(shù),不論是焊接質(zhì)量、還是焊接效率都不能適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的要求,群焊技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。 倒裝芯片法在60年代由IBM公司開(kāi)發(fā),主要用于厚膜電路。這種方法在硅片上電極處預(yù)制釬料凸點(diǎn),同時(shí)將釬料膏印刷到基板一側(cè)的引線電極上,然后將硅片倒置,使硅片上的釬料凸點(diǎn)與之對(duì)位,經(jīng)加熱后使雙方的針料熔為一體,從而實(shí)現(xiàn)連接。這種方法適用于微電子器件小型化、高功能的要求,但釬料凸點(diǎn)制作復(fù)雜,焊后外觀檢查困難,并且需要焊前處理和嚴(yán)格控制釬焊規(guī)范,所以應(yīng)用有限。 載帶自動(dòng)健合技術(shù)是在類似于135膠片的柔性載帶粘結(jié)金屬薄片,在金屬薄片上經(jīng)腐蝕作出引線框圖形,而后與芯片上的凸點(diǎn)進(jìn)行連接。目前的TAB中,廣泛采用的是電鍍Au的Cu引線框和芯片上的Au凸點(diǎn),進(jìn)行熱壓焊接。其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高,缺點(diǎn)是工藝也很復(fù)雜,成本較高,且芯片的通用性差。
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