FPC邦定工艺技术改善研究

admin · 发表于 2019-9-27 15:51

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前言邦定-COB（chip on board）技术是指将裸芯片直接贴在PCB 板上，然后用铝线或金线进行电子连接的技术。随着业内企业的竞争，且人工成本的持续增加，需要封装芯片的PCB 产品成本越来越高，客户的利润越来越低，为了降低成本增加利润，客户研究了诸多方法，其中邦定技术是芯片直接通过金属线与PCB 连接，节省了载板和封装的费用，能够大幅降低客户产品成本；另外高速传输技术的发展，也迫切需求邦定技术，例如25G 及其以上速率的芯片，其工艺基本上都是邦定工艺。不仅PCB 上对邦定技术急切需求，FPC产品同样对邦定技术急切需求。
而 FPC 产品由于其迥异于PCB 产品可挠曲性及立体安装性，其制造材料和加工过程与PCB 板有着很大差别，这也就造成了FPC 产品做成成品后，其邦定性能测试与PCB 产品不同，其邦定不良表现也相差很大，因此并不能采用解决PCB邦定不良的方法改善FPC产品的邦定性能。
FPC 厂家在生产过程中在邦定性能测试的具体问题表现为，打线合格率低下、打线可靠性差（主要表现在打线结合力），为了解决这些难题，本文通过对邦定过程机理进行分析，并根据FPC产品的材料特性及加工过程，总结了FPC 邦定不良的根源，并提出了提高FPC 产品的邦定性能的的改善方法。

试验部分

试验条件
试验物料：有胶FCCL 板材：1mil PI，20μm AD ，18/18μm Cu；无胶 FCCL板材：1milPI，18/18μm Cu；CVL：1milPI，20μm AD
测试工具：金相显微镜，Dage 4000推拉力测试仪

试验设计
流程设计开料→外层干膜→掩孔蚀刻→外层AOI→测量涨缩→假接CVL→快压→烘烤→沉镍钯金→假接补强→层压→激光外形→数据收集
图形设计

注：试验图形设计：中间模拟芯片规格4mm*6mm，模拟芯片四周设计不同线宽间距（最小4mil/4mil）的绑定盘，绑定盘在模拟芯片方向的端部距离模拟芯片1mm。
结果表征：①邦定打线合格率：打线100根，打上线为合格。
②引线拉力：采用Dage 4000 推拉力测试仪进行引线拉力测试，测试方式如下图所示，本文以测试点3 的拉力值评估引线拉力。

结果与讨论

FPC 产品绑定过程影响因素分析按现有生产条件统计十款FPC邦定不良板，其邦定不良的影响源分布如图2 中所示，按分布比例排序，前三的影响源依次为：柔性基材、焊盘粗糙、金面污染。

为了分析上述统计的邦定不良影响源，首先分析一下邦定工艺原理。邦定工艺是在超声波（USG）、压力（FORCE）及一定时间（TIME）的条件下，使引线与焊盘金属产生原子间键合，从而使引线与焊盘结合在一起。其示意图如下图3：当引线与焊盘金属产生原子键合后，劈刀就会将多余线给斩掉，完成绑定。

通过上述邦定可知原理可知，满足绑定时，承载邦定盘的介质层的承压能力必须大于劈刀斩引线的压力，如果承压能力小于劈刀斩引线的压力，就会导致引线斩不断，进而在邦定头移动过程中拉扯引线，促使邦定面裂开而邦不上的现象；完成邦定还必须满足另一个必要前提：引线原子与焊盘金属原子距离≤引线或者焊盘本身金属原子距离。达到这个必要前提，除了邦定工艺参数以外，邦定盘本身必须平整，能够提供引线与焊盘较大的接触面积，提高两者原子键合概率；其次邦定盘必须洁净，污染物会隔离引线与焊盘金属原子接触，阻碍金属原子键合。而FPC邦定盘的承载介质层与PCB有很大差别，其结构示意图如下图4，从图中可以看出，FPC绑定盘的承载介质层是PI+AD 或者纯PI，而PCB绑定盘的承载介质层是FR4。

将图4 中几种绑定盘承载材质编号：（a）PI+AD、（b）PI、（c）FR4，统计绑定合格率（标准模式Ball-Wedge，一端球焊、一端楔焊，打线100根，打上线为合格），结果如下图5所示：

从图5 中可以看出，承载介质层为有胶板材（PI+AD）的绑定合格率最差，分析认为：承载介质有胶板材中的AD 层为单纯纯胶层，其塑性变形能力强，远大于PI 及FR4，在绑定过程中的压力作用下，AD发生塑性变形，带动邦定盘一起变形，如图6 所示，从而导致劈刀无法斩断引线，绑定不上。而承载介质层为无胶板材（PI）的绑定合格率与FR4 相差不多，证明无胶板材的承压能力完全满足邦定需求。

FPC 产品除了承载邦定盘介质层与PCB有很大不同，在加工过程中也与PCB 有很大的差异，图7是两种产品镍钯金表面处理后的大致流程对比。

图7 FPC 与PCB流程对比

从图7 对比中可以看出，FPC 流程在镍钯金表面处理后与PCB 流程最大的不同便是补强压合与激光外形。在补强压合过程中，由于离型膜与邦定盘表面接触，离型膜会残留硅油于金面上；而激光外形过程中，激光炭黑溅射，落在金面上；如图8 所示，由于硅油和炭黑遗留在金面上会隔离引线与焊盘表面金原子的接触，从而影响原子的键合。

激光外形遗留的炭黑不仅影响绑定，而且还会造成产品的短路，为此FPC 产品激光外形后会经过喷砂处理炭黑，但是喷砂后金面形成不同的凹坑，金面很粗糙如图9（a）所示，甚至金面有些地方金原子流失如图9（b）所示（红色线为金原子含量，黄色线为）；金面粗糙不平整必然导致引线原子与焊盘原子接触不充分，影响键合，而金面金原子的流失点，也会影响原子键合。

综合上述分析可知：FPC 邦定不良主要影响是有胶板材无法承受劈刀斩线的压力导致打线不上，其次是FPC特殊加工流程导致金面污染和金面粗糙影响引线与焊盘的原子键合。
FPC 邦定不良的改善措施基于以上分析，保证FPC 产品的邦定性能主要从基材与金面质量改善出发，在保持邦定参数不变的情况下，主要有以下几个改善方向：基材选型、补强压合、激光外形三个方面。
1基材选型

针对有胶板材，采用两种打线方式进行绑定，一种是标准模式Ball-Wedge（一端球焊、一端楔焊），一种是BSOB模式（两端球焊），其邦定合格率（打线100 根，打上线为合格）对比如下图10。

从上图10 中可以看出有胶板材在BSOB（两端球焊）绑定模式下邦定良好，分析认为：此模式下，键合压力先在邦定面形成焊球，然后在两个球间拉引线，引线从焊球端点拉出，当劈刀斩断多余引线时，压力直接作用在焊球上，而焊球为纯软金，金层很厚，能够很好的将劈刀压力缓冲掉，如图11 所示两种绑定模式示意图，因此BSOB模式能够很好在有胶板材上完成邦定。

因此 FPC 产品选择基材需要很谨慎，有胶板材只能选择BSOB 模式，而无胶板材则可以选择Ball-Wedge和BSOB两种模式。
2 金面质量的改善

补强压合的影响补强压合时对FPC 邦定的影响，主要是所用离型膜在压合过程中的高温高压下遗留有硅油，导致金面污染；硅油污染物阻碍了引线原子与焊盘原子的键合。如图12 所示，补强压合后，不仅打线合格率下降，并且引线拉力也减弱了很多。

为此引入了无硅型离型膜，压合后其打线合格率明显优于有硅离型膜，并且引线的平均拉力也高于有硅离型膜，如图13所示。分析认为，无硅离型膜比较耐层压过程中的高压及高温，压合后无硅油等杂物遗留在金面上，保证了金面的洁净，从而不影响打线。

激光外形的影响激光外形对于邦定影响主要体现在两个方面，首先是激光碳黑污染金面，其影响邦定机理与补强压合的影响机理相似，都是污染金面造成邦定不良，其次是激光外形后的后处理-喷砂造成金面的粗糙，而影响邦定性能。激光外形、喷砂后邦定打线合格率及引线拉力会明显弱于激光外形前，如
图14 所示。

图14 激光外形对邦定的影响

为了改善激光外形对邦定影响，在激光外形后对产品采用等离子清洗，清洗效果如图15 所示，清洗后切割缝及金面上炭黑明显没有了，说明等离子能够有效去除激光外形后的炭黑，激光外形后可以采用等离子清洗代替喷砂处理。

图16 是等离子清洗激光外形后的邦定性能对比，从图中可以看出，等离子清洗后，邦定打线合格率接近100﹪，并且引线拉力也在8g左右，明显高于激光外形后及喷砂后，等离子清洗后不仅去除了炭黑，还可以去除金面上所占有的其他污染物，能够有效提高邦定性能。

结论

通过以上对FPC 产品邦定性能的影响分析研究及改善对比，可总结出如下结论：
（1）FPC邦定不良主要是由于FPC 本身材质的承压能力较弱，以及FPC产品特殊的加工流程带来的金面污染和粗糙造成的。
（2）确定了FPC 产品邦定时，要跟据所用材料类型选择邦定模式：有胶板材只能采用BSOB 模式，无胶板材两种模式都可行。
（3）通过压合时引入无硅离型膜，激光外形后做等离子清洗等措施能够有效避免金面污染和粗糙，提高邦定打线合格率及引线拉力。

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