PCB/PCBA金线键合失效案例

1、键合参数不当

在键合过程中,超声振动产生水平方向振幅,提供横向切应力,外加压力提供法向应力,两者在键合过程中所起的作用是交互的。它们共同作用,产生定的键合效果,如图4.7所示。

当外加压力一定时,超声波电流从40mA增大到180mA,键合合格率和拉力均呈现先增大后趋于平缓的现象,如图4.8(a)所示。而当超声波电流一定时外加压力从40gf增长至180gf,合格率呈现先增大后趋于平缓的现象,拉力呈现先上升后下降的趋势,如图4.8(b)所示。

键合时间为金线与PCB金层界面键合时的接触时间。在超声波和外加压力一定时, 键合时间长短也会影响键合效果。只有在足够的键合时间下,金线与金层的键合界面才会形成充分的金原子间的键合。

当超声波和外加压力一定时,键合时间从20ms增大至300ms,键合合格率和拉力均呈现先增大后趋于稳定的现象,如图4.9所示。

因此,键合参数设置不当,如超声波电流偏小、压力过小或过大、键合时间偏短,均有可能造成键合不良。

2、焊盘尺寸与金线直径不匹配

由于超声波和压力的相互作用,在形成焊点时,金线会向两侧延展。相关研究证明,随着超声波和压力的增大,焊点尺寸会逐渐增大直至稳定。以25μm(1mil)金线键合为例,如图4.10所示,当超声波电流在100-180mA,压力在60-140gf时,焊点尺寸基本保持一致,为70-85m,约为金线直径的3倍。

图4.11为不同超声波电流下的焊点尺寸测试图。随着超声波电流增大,焊点尺寸逐渐增大,最终达到一个稳定状态。

当PCB焊盘的尺寸过小时,可能会造成焊点悬空,如图4.12所示,从而出现键合不黏、金线焊点起翘、结合力不足等现象。因此,为保证良好的键合效果,焊盘宽度一般应大于3倍的金线直径。

3、镀层异常

PCB焊接一般都是先进行元器件的回流焊 ,再进行金线键合。研究表明，回流焊接过程会加速镍原子向金层扩散,导致金层中的镍含量增加,影响金层纯度,从而导致键合性能下降。

化学镍钯金( ENEPIG)相对于化学镍金(ENIG)而言,在镍层和金层中间多沉积了一层钯。钯是一种常温下比较稳定的金属,400℃以内很难被氧化,化学沉积钯层的晶格排列整齐,晶粒大小均匀,结构致密,其能够有效阻挡镍层向金层扩散。图4.13分别列出了化学镍金和化学镍钯金回流前后的XPS元素分析结果。可见,随着蚀刻深度增大,化学镍金工艺的金层中镍含量在回流后明显增加,而化学镍钯金工艺的金层中镍含量在回流后没有明显增加的迹象。

此外,表面镀层的厚度对键合性能也有一定的影响。研究表明,随着钯层厚度增大,金线拉力会呈现上升趋势,但是当钯层达到一定厚度后,钯层阻挡镍扩散的能力达到极限,键合性能不再持续上升。金层的主要作用是与金线进行键合,当金厚不足时,若钯厚也无法阻挡镍原子扩散,会导致镍扩散至金层,影响键合性能。IPC-6012D中对于镍钯金的镀层厚度给出了相关要求,钯层最小厚度为0.05μm,金层要覆盖并可焊。

4、表面划伤

焊盘的表面粗糙度较大,会导致其与金线触的有效面积变小,容易产生金线不黏,降低键合性能。图4.14为表面粗糙度较大的焊盘与金线键合后的微观截面图,金线与焊盘并没有紧密结合,而是存在一些缝隙。

研究表明,当焊盘表面存在划伤,且导致面粗糙度(评定轮廓的均方根偏差Rq)达到0.68时,键合拉力和合格率就会明显下降,并导致键合不良。图4.15展示了表面粗糙度大小对键合拉力和合格率的影响。

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