在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，引線鍵合工藝的成功與否還與引線與金屬層的硬度匹配有關(guān)。本文科準(zhǔn)測(cè)控小編將從材料力學(xué)角度，為您解析硬度匹配對(duì)可鍵合性的影響。
一、什么是硬度匹配？有什么用？
鍵合時(shí)，引線材料（如金絲、鋁絲、銅絲）與芯片上的金屬層要在超聲和壓力的作用下一起變形、相互嵌合，形成牢固的金屬鍵。兩者的硬度值應(yīng)盡可能接近或處于一個(gè)合理范圍內(nèi)，如果兩者硬度差異太大，會(huì)出現(xiàn)一系列問(wèn)題：
- 引線過(guò)軟：引線變形過(guò)度，線弧塌陷，甚至短路
- 金屬層過(guò)硬：引線難以充分變形，無(wú)法與金屬層充分接觸，導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度低，容易脫落
- 金屬層過(guò)軟：金屬層會(huì)被過(guò)度擠壓，容易產(chǎn)生彈坑（crater），損傷芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)
二、金屬層硬度受哪些因素影響？
金屬層的硬度并非固定值，而是由其材料成分和熱處理工藝共同決定。
以鋁金屬層為例，銅（Cu）含量是影響硬度的關(guān)鍵變量：
含Cu的鋁膜層還存在時(shí)效硬化（age hardening）現(xiàn)象，其實(shí)際硬度會(huì)隨熱處理和時(shí)效條件變化。因此，工程師在評(píng)估可鍵合性時(shí)，不能僅看合金成分，還必須了解金屬層的具體熱處理狀態(tài)。
三、如何測(cè)量微米級(jí)金屬層的硬度？
測(cè)量厚度僅約1μm的薄金屬層硬度，普通顯微硬度測(cè)試儀無(wú)法直接測(cè)量，需要使用超顯微硬度測(cè)試儀（UMH）。不過(guò)引線和焊球上的硬度測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單，可使用標(biāo)準(zhǔn)顯微硬度測(cè)試儀，典型載荷力為 1~4gf。典型可鍵合的純Au絲、Al絲和膜層的硬度范圍約為 50~90 HKN。但需注意，雜質(zhì)和氣體（如氧氣）含量會(huì)迅速提高硬度，從而降低可鍵合性。
HV-1000TPTA顯微維氏硬度計(jì)
四、硬度與可鍵合性的定量關(guān)系
多項(xiàng)研究已明確揭示硬度與可鍵合性之間的關(guān)系：
- Nabatian研究（引線與厚膜層的楔形鍵合）：在其他條件相同的情況下，金屬層硬度越高，可鍵合性越低
- Klein研究（引線與IC金屬層的球形鍵合）：得出相同結(jié)論
更有研究發(fā)現(xiàn)：比較好的可鍵合性的條件是引線和金屬層的硬度基本相等。
所以說(shuō)，單純追求引線或金屬層的某一硬度值是不夠的，關(guān)鍵在于兩者的匹配程度。
五、科準(zhǔn)測(cè)控實(shí)用性建議
基于以上原理分析，科準(zhǔn)測(cè)控小編總結(jié)了幾點(diǎn)提升引線鍵合質(zhì)量的實(shí)用性建議，供大家參考：
1. 獲取金屬層硬度數(shù)據(jù)：向芯片供應(yīng)商了解金屬層的成分與熱處理信息
2. 測(cè)量引線硬度：使用顯微硬度儀獲取實(shí)際引線硬度值
3. 匹配硬度：盡量選擇硬度與金屬層接近的引線材料
4. 工藝驗(yàn)證：通過(guò)鍵合試驗(yàn)和后續(xù)的推拉力測(cè)試，確保鍵合強(qiáng)度滿足可靠性要求
BetaS100推拉力測(cè)試機(jī)
以上就是科準(zhǔn)測(cè)控小編為您介紹的關(guān)于引線鍵合中的硬度匹配問(wèn)題對(duì)鍵合效果的影響，希望對(duì)您有幫助。如果您對(duì)引線鍵合工藝、硬度測(cè)試方法或鍵合質(zhì)量驗(yàn)證以及推拉力測(cè)試機(jī)設(shè)備選型，方案定制，參數(shù)設(shè)置等感興趣，歡迎關(guān)注科準(zhǔn)測(cè)控，我們將為您提供專業(yè)的技術(shù)支持與服務(wù)。
