厚膜基板金导体烧结次数对键合可靠性的影响

吴海峰　彭理娟　苏鑫　董立菲

摘  要： 键合工艺的窗口逐渐变小，导致键合界面材料结构、成分的改变对键合工艺的影响越来越明显。本文主要研究了厚膜基板的烧结次数对键 合工艺的影响。通过对烧结10遍的金导体样品1和烧结28遍的金导体样品2的对比分析，发现随着烧结次数的增加，导体表层的单粒金消失、金粒呈团簇 状凝结、小气孔汇聚。通过在两种样品上的金丝球键合试验发现，烧结次数多的导体表面硬度低、金球变形大、外形不标准、键合拉力小、键合性差， 进而改正前期键合时遇到软导带就减小键合参数的调试方法，管控有键合点的布线层设计和印烧次序，从根本上提高键合可靠性。

关键词： 厚膜基板;烧结次数;键合试验;印烧次序

厚膜混合集成电路因其工艺结构灵活、元件参数范围宽、精度高、在 极端环境下出色的高可靠性等特点而广泛应用于航空航天、医疗等领域。 作为所有元件的载体，厚膜基板的质量在很大程度上决定了最终的产品质 量，也影响和制约着其他厚膜混合集成电路生产工艺的发展。厚膜基板通 过丝网印刷的方式将导体浆料、介质浆料、电阻浆料、玻璃浆料等印制在 氧化铝、氮化铝、氧化铍等陶瓷基板上，再通烘干、烧结工艺使得浆料里 的有机载体、挥发，功能项和粘接项附着在基板上。理想的金导体浆料印 烧后，富金层在上层，富玻璃层在下层，但实际生产中印烧的金导体表层会析出不同程度的玻璃，金属成分也会下沉到导体底部。随着集成电路向 着小型化、多功能方向的发展，芯片键合区越来越小，且越来越多的产品 要求将铝丝键合在金导体上，导致键合界面材料结构、成分的改变对键合 工艺的影响越来越明显。本文主要研究了不同烧结次数的金导体微观区别 和对键合可靠性的影响。

1 增加烧结次数后导体表面的变化

1.1  厚膜基板制作工艺

通用厚膜基板的制作流程如下图1。

金导体作为厚膜电路里的主要导电带，其上设置了大量的键合点，一 块普通的厚膜基板印制完毕至少需要10次的印刷和烧结工步，随着制版、 印烧工艺的不断进步和浆料本征特性的不断改良，在厚膜基板上印制的层 数越来越多，多层基板往往需要25次以上的印烧才能完成。按设计人员的 布线习惯和车间生产流程，会将设有大量金丝球键合点的主要布线带金导 带作为第一层导体印烧。

1.2  不同烧结次数厚膜基板的微观区别

导体表面区别：用相同的网版、我司使用的某款金浆料、设备在同 一批陶瓷基板上印刷4片金导体基板，将印好的基板分成2份，样品1烧 结10遍，样品2烧结28遍，烧结工艺参数为：周期：   60 ±10min ，峰值温 度：    ℃，恒温时间：   10 ±3min ，升温速率：   50～ 80℃/min，降温速率 （ 650～300℃）：  30～80℃/min。下图2是500倍显微镜下样品1表面和样 品2表面，图4是1000倍显微镜下样品1表面和样品2表面。对比图3 （a）、 （ b） 发现，  烧结次数增加后，  导体表面析出的玻璃面积明显增大，  气孔 变少。烧结10遍的导体表面有较大的金粒，而且排布较均匀，气孔较多。  烧结28遍以后，晶界发生了明显的变化，金呈团簇状凝结，单粒金消失，  小气孔汇聚。

2 不同烧结次数对键合工艺的影响

2.1  键合试验

用同一台金丝球键合机、同一通用参数、φ25um金丝键合两种样 品，发现烧结10遍的键合球键合过程无异常，烧结28遍的发现金球存在塌边、斜坡球问题，烧结10遍的硬度大于烧结28遍的硬度，且烧结28遍的的 键合球直径比烧结10遍的的键合球直径大5um左右。两种样品上键合丝的 破坏性拉力见下表1 ，烧结28遍的键合拉力平均值比烧结10遍的拉力值小1.13gf。烧结次数越多，键合过程越不稳定，键合可靠性越低。

2.2  试验结果分析

烧结过程中玻璃析出伸入金膜，造成金粒团簇状堆积，因其具有一定 的厚度且排布不均勻，而析出的玻璃高度低于团簇状金，导致键合点底部 不平整，金球出现塌边、斜坡。由于在第一次烧结完后，固化在基板上的 只有玻璃项和金项，玻璃的析出，必然会导致一部分金粒下沉，导体表面 的致密性变低，金球变形变大，劈刀在同样的振幅下，对键合点根部的损 伤程度也变大，键合拉力随之小。

3 厚膜基板烧结次数控制

在键合过程中经常发现厚导带硬，薄导带软，因为厚导带金含量大 于薄导带，正常烧结后富金层在上，导致厚导带界面金的致密度大于薄导 带，所以前期分析原因时经常将问题定位在导带厚度上，不太考虑烧结次 数对导体界面的影响。从本次试验中发现，增加烧结次数后，直观的反馈 给键合的现象是导带变软，从键合工艺的角度出发，对于软导体必须要减 小工艺参数键合，但因为烧结次数增加造成的软导带界面并不平整，且金 排布不均匀、含量低，如果减小工艺参数，势必会减小键合点与导体的结 合力。为了键合工艺的稳定性和可靠性，必须控制烧结次数，建议产品设 计之初，将有键合点的布线层放在最后烧结。

参考文献：

[1]冯爱军，王磊，董永平，等.基于成组技术的厚膜混合集成电路（HIC）基板生产 研究[J].物流科技，2018（6）：46-49.

[2]李世鸿.厚膜金导体浆料[J].贵金属，2001，22（1）：57-62.