引线键合工艺及其影响因素的研究完整版新.pdf

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1、1 成都电子机械高等专科学校 毕业论文 题目引线键合工艺及其影响因素的研究 研究引线键合工艺及其影响因素 着重金丝球键合分析 内容提要 引线键合就是用非常细小的线把芯片上焊盘和引线框架(或者基板 )连接起来的 过程。金线焊接工艺， 是引线键合工艺的一种。 它是利用金线将芯片上的信号引 出到封装外壳的管脚上的工艺过程。 本文主要探讨集成电路封装中金丝球键合工 技术以及影响因素。 关键字引线键合工艺热超声焊球形焊接步骤引线键合线弧技术影响因 素 WB与塑封的关系 目录 绪论 一 集成电路封装 测试工艺流程简介 前道工艺后道工艺 2 贴膜注模 研磨激光打印 抛光烘烤 晶片装裱电镀 切割电镀后烘烤 第

2、二道外观检查料片装裱 焊片切割 银浆烘烤去粘 等离子清洗拣装 焊线 （wire bond ）第四道检查 第三道外观检查测试，包装，出货 二 金丝球焊线机简述 2.1 ,引线键合工艺介绍 2.2,引线键合机的介绍 2.2.1,键合机校正系统设计与实现 金球引线键合（ Gold Ball Wire Bonding） 循序渐进的键合工艺 2.2.2 ,校正系 统设计 2.2.2.1 ,伺服系统校 正 2.2.2.2 ,图像系统校正（PRS ） 2.2.2.3 ,物料系统校正（MHS ） 2.2.2.4 ,热台压板电动机校正 2.2.2.5 ,前后导轨电动机校正 2.2.2.6 ,进出料电动机校正 2

3、.2.2.7 ,键合头十字坐标校正 2.2.2.8 ,EFO 打火高度校正 2.2.2.9 ,USG 校正 2.2.2.10 ,键合压力校正 三. 引线键合的质量检 测 3.1 ,对键合焊球形貌外观检测 3.1.1 ,两键合点的形状 3.1.2 ,键合点在焊盘上的位置 3 3.1.3 ,键合点根部引线的变形情况 3.2 ,对键合点引线与焊盘的粘附情况的测试 3.2.1 ,Intermetallic实验 3.2.2 ,Cratering 实验 3.2.3 ,Wire pull Test ( 破坏性键合拉力测试 ) 四. 分析金线焊接的影响因素 五. 浅谈金丝球键合对注模的影响 致谢 参考文献 绪

4、论 集成电路的封装就是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安 放、固定、密封、保持芯片和增强电热性能的作用，而且芯片上的接点用导线连 接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接， 从而实现内部芯片与外部电路的连接。因为芯片必须与外界隔离， 以防止空气中 的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便 于安装和运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连 接的 PCB( 印制电路板 ) 的设计和制造，因此它是至关重要的。 集成电路封装过程中， 引线键合工艺是用线将芯片上的信号引出到封装外壳 的管脚上建立有效的电气连接的工

5、艺过程。封装工艺发展到今天， 主要有以下几 种封装形式： SLP ，SOIC ，TSSOP ，QFP ，BGA ，LGA等等封装类型，上面介绍的是 一些市场上比较常见的相关芯片的封装方式，随着技术的发展以及生产工艺的成 熟，各种新的封装技术将会不断出现，而且新的封装技术也会更可靠，促进行业 朝更小，更易操作化的方向发展。 引线和两焊点的的质量和引线线键合机参数设置则是决定引线键合质量的 主要因素。此外，还有诸多因素会对其造成影响。 本文将重点解释键合工艺和影响因素。 第 1 章 芯片封装工艺流程介绍 4 以塑胶封装中 SLP的引线键合为例，其步骤依序为： FRONT OF LINE （前段）

6、： TAPE( 给整张芯片着膜 ) BACK GRINDING( 晶片背面磨削 ) DETAPE( 去出整 张芯片上的膜) WAFER MOUNT(晶片绷膜 ) WAFER SAW(切割芯片 ) SECOND OPTICAL INSPECTION( 第二道视觉检查 ) DIE BOND( 芯片粘贴 )OVEN( 烘烤 ) PLASMA CLEAN(氩 气 清 洁 ) WIRE BONDER( 金 线 键 合 ) THIRD OPTICAL INSPECTION( 第三道视觉检查 )。 END OF LINE （中段和后段）： MOLD( 注 模 ) LASER MARK( 激 光 标 注 )

7、PMC OVEN( 高 温 烘 烤 ) TIN PLATING( 纯锡电镀 ) ANNEALING( 退火 ) UVCURE( 清洁 ) STRIP MOUNT&SAW SINGULATION( 切割在框架上的颗粒 ) PACKAGE PICK& PLACE(拾取和装管 )。 FINAL TEST(终测) 。 下面简单说明几道比较关键的工序的作用。 1.1 晶片背面磨削 (BACK GRINDING) ：研磨晶圆背部，减薄厚度至客户要求。 1.2 切割芯片（ WAFER SAW） ：切割晶圆，将晶粒分开，有利后面工序。 1.3 芯片粘贴（ DIE BOND ） ：将分开的晶粒放置在框架上并用银

8、胶粘着固定。 1.4 金线焊接（ WIRE BOND ） ：按照客户要求，将金线焊接到指定的焊点上，以完 成电路的互连 1.5 注模 Molding ：将芯片用模具塑封起来。 第 2 章 金丝球焊线机工艺与设备简述 2.1 引线键合工艺介绍 1：定义引线键合就是用非常细小的线把芯片上焊盘和引线框架( 或者基板 ) 连接起来的过程。 2：原理 WB 过程中，引线在热量、压力或超声能量的共同作用下，与焊盘金 属发生原子间扩散达到键合的目的。 5 3： 有两种引线键合技术： 球形焊接（ball bonding ） 和楔形焊接（wedge bonding） 。 对这两种引线键合技术，基本的步骤包括：形

9、成第一焊点（通常在芯片表面）， 形成线弧，最后形成第二焊点（通常在引线框架/ 基板上）。 球形焊接工艺流程基本的球形焊接工艺包括以下步骤：第一点焊接（通常在芯 片表面）线弧成型到第二点焊接（通常在引线框架/ 基板的表面）。 对于楔形焊 接，引线在压力和超声能量下直接焊接到芯片的焊盘上。两种键合的不同之处在 于：球形焊接中在每次焊接循环的开始会形成一个焊球（Free Air Ball ，FAB ）， 然后把这个球焊接到焊盘上形成第一焊点； 4： 主要运用 丝球焊是引线键合中最具代表性的焊接技术，它是在一定的温度 下，作用键合工具劈刀的压力， 并加载超声振动， 将引线一端键合在 IC芯片的金 属法

10、层上，另一端键合到引线框架上或PCB 的焊盘上，实现芯片内部电路与外围 电路的电连接，由于丝球焊操作方便、灵活、而且焊点牢固，压点面积大（为金 属丝直径的 2.5 3倍） ，又无方向性，故可实现高速自动化焊接。而其中丝球焊 广泛采用金引线，金丝具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，广泛应用于集成 电路。 5：引线键合大约始源于1947 年。如今已成为复杂，成熟的电子制造工艺。 根据引线不同，又可分为金线、铜线、铝线键合等。 根据键合条件不同，球键合可分为热压焊、冷超声键合和热超声键合 热压焊（TC ）是引线在热压头的压力下，高温加热（250）发生形变焊接。它 首先将穿过以氧化铝、 碳化钨等高温耐

11、火材料制成的毛细管状键合工具（Bonding Tool/Capillary,也称为瓷嘴或焊针）的金属线末端以电子点火（Electrical Flame-off,EFO ）或氢焰（ Hydrogen Torch ）烧灼成球，键合工具再引导金属球 至第一键合点位置上借热压扩散键合效应进行球形键合（Ball Bond ） 超声焊（ U/S）在不加热（通常是室温）利用楔焊工具的超声运动，在楔焊工具 的压力下，发生形变焊接。 热压超声焊 （TS ）焊接工艺包括热压焊与超声焊两种形式的组合。在焊接工具的 压力下，加热温度较低（低于 TC 温度值，大约 150），与楔焊工具的超声运动， 发生形变焊接。 热超

12、声键合常为金丝球键合，因同时使用热压和超声能量，能够 在较低的温度下实现较好的键合质量，从而得到广泛使用。 6：附属讲解超声波焊接另称“ 键合“ ，是利用超声频率 (16120 kHz)的机械 振动能量，连接同种或异种金属、 半导体、塑料及陶瓷等的一种特殊的焊接方法， 6 是以键合楔头 (Wedge)引线金属线使其迫紧于键合点上， 再输入 20kHz 至 60KHz, 振幅 20m至 200m的超声波，借助声波震动与迫紧压力产生冷焊效应而完成 键合，输入的超声波除了能磨除键合点表面的氧化层与污染之外，主要的功能在 形成所谓的声波弱化（ Acoustic Weakening）的效应，以促进接合界

13、面动态回复 （Dynamic Recovery）与再结晶（ Recrystallization）等现象的发生而形成键 合。超声波焊接现已广泛地应用于集成电路、电容器、超高压变压器屏蔽构件、 微电机、电子元器件及电池、 塑料零件的封装等生产中。 与传统的焊接技术相比， 超声波焊接技术具有高速、 高效和高自自动化等优点， 成为半导体封装内互联的 基本技术。超声波键合 7：主要所谓热超声焊，往往是需要采用加热的方式，通过加热块对工件进 行加热，所以焊接温度往往成为需要控制的工艺参数。此外，该工艺需要对焊接 金属丝 ( 主要是金线 ) 末端通过火花放电和表面张力作用预先烧制成球，故又成为 金丝球压焊，

14、 所以对放电电流、 时间和距离的控制也是要求比较高的。我们采用 热压超声波键合， 即超声波键合与热压键合的混合技术，热声引线接合器工艺要 求热、超声功率和力。金球和芯片焊盘上的铝在热作用下，同时施加超声功率， 压到一起，结果得到金属间的连接（熔焊）。该工艺往往大量运用于大规模、超 大规模集成电路的内互联，是一种比较成熟的工艺。 8：金丝球焊是最常用的方法，在这种工艺中，一个熔化的金球粘在一段线上， 压下后作为第一个焊点，然后从第一个焊点抽出弯曲的线再以新月形状将线(第 二个楔形焊点 ) 连上，然后又形成另一个新球用于下一个的第一个球焊点。金丝 球焊被归为热超声工艺，也就是说焊点是在热( 一般为

15、 150)、超声波、压力以 及时间的综合作用下形成的。 图1：球形焊接步骤 7 Ball Bonding Process Flow 在球形焊接循环的开始，焊接工具（劈刀）移动到第一点焊接的位置。第一点焊 接通过热和超声能量实现在芯片焊盘表面焊接一个圆形的金属球。之后劈刀升高 到线弧的顶端位置并移动形成需要的线弧形式。第二点焊接包括针脚式键合 （stitch bond）和拉尾线（ tail bond）。 第二点焊接之后进行拉尾线是为了 形成一尾线（ wire tail），是为下一个键合循环金属球的形成做准备。焊接工 具（劈刀）升高到合适的高度以控制尾线长度，这时尾端断裂，然后劈刀上升 到形成球的

16、高度。形成球的过程是通过离子化空气间隙的“电子火焰熄灭” （Electronic Flameoff ，EFO) 过程实现的，形成的金属球就是所谓自由空气 球（Free Air Ball，FAB ）。 9：因为在第一焊点到第二焊点间的拱丝没有方向的限制，这使得球形焊接拱丝 非常灵活。 另外球形焊接也能实现非常好的精度控制。对于精确的焊点， 焊线机 需要能够进行识别和维持精确性，调整视觉系统的光学中心和设备中心的误差。 在球形焊接中仅仅需进行X和 Y方向的补偿，引线轮廓主要由引线和拉弧参数 决定。拉弧参数包括劈刀运动轨迹、引线长度、转角、转角长度和运动速度。合 理的拉弧参数可以降低引线轮廓高度，减

17、少蠕动， 增强可靠性。 图 5 是一种拉弧 方式的示意图。 8 10引线键合线弧技术 有两种基本的拱丝类型：前向拱丝 (Forward Loop) 和反向拱丝 (Reverse Loop) 前向拱丝工艺打第一焊点在芯片焊盘上，然后在引线框架上进行第二焊点。反向 拱丝与前者不同，先在芯片焊盘上打一个凸点（Bump ），在形成凸点之后，在基 板上进行球焊，然后在凸点上进行针脚式键合（stitch bond）。 低线弧的要求 促进了反向拱丝的发展，虽然它比正常的前向拱丝效率低一些。 目前通常的线弧方式都是前向拱丝方式，但是对于一些高级的封装形式， 前向拱 丝方式不能满足越来越高的要求，为此就需要使用

18、反向拱丝方式。 下面具体分析 两种拱丝方式的特性和区别。 10.1 前向拱丝 前向拱丝需要在球形键合位置有较高的线弧高度以保证与下面的引线之间足够 的间距。传统的前向拱丝键合工艺由于操作时间最短而受到欢迎，但是它并不适 用于超低线弧的情况。金线HAZ 区域在球形焊点之上，如果拱丝过低，线弧容易 在球形键合的颈部断裂，会造成金线拉拔强度过低，甚至导致封装可靠性不良， 因此一般的正向拱丝线弧的高度比较高（大于100um ）。 为了使得传统的拱丝能满足低线弧的要求，开发出了一些新的拱丝技术， 通过调 整线弧形状的办法来避免反向动作可以起到一定的作用，可以通过加强反向动 作，弯曲第一次键合位置的顶部为

19、最终的线弧来行程一个高度较低的起点，这样 可以制作超低线弧， 但是形成这种线弧需要劈刀进行额外的动作，降低了引线键 合的效率。虽然这种线弧可以消除颈部断裂的可能性，但是代价是牺牲了第一次 键合点的抗拉强度。 10.2 反向拱丝 另一种线弧成型的选择是反向键合或者针脚支撑键合（SSB ）线弧，这属于反向 拱丝技术。由于工艺过程最慢，反向拱丝线弧在量产中很少被采用，另外，将引 9 线反向键合到芯片表面上也会产生引线与芯片边缘和上层引线之间的间距问题。 为了解决与芯片边缘的间距问题，可以采用改进凸点的方法， 即首先在芯片键合 焊盘上制作出凸点来提高线弧的高度。 线弧技术的发展， 尤其是超低线弧的实现

20、， 使得堆叠式芯片和多排引线键合的设 计和应用成为可能。 前向拱丝和反向拱丝技术的结合使用，能设计出多种堆叠式 芯片的结构，满足高性能封装的要求。 2.2 引线键合机的介绍 . . 引线键合机设备作用 图（）例机： Kulicke & Soffa Maxum -UItra 引线键合设备是通过Capillary(陶瓷细管 ) 引导 Gold Wire （金线）在三维空间 中作复杂、高速的运动以形成各种满足不同封装形式需要的特殊线弧形状，将已 做好电路的芯片快速粘接于引线框架上的设备。 a. 金球引线键合（ Gold Ball Wire Bonding） 对于封装互连部分， 金球引线键合设备构成固

21、定资产的最大部分。金引线比其它 键合材料具有许多优点。 金是现有最好的室温导体， 具有杰出的传热性。 它的特 性大大地限制了氧化和腐蚀，确保在无尘室条件下得到一个可靠的引线键合工 艺，而不要求保护性气体。热超声引线键合器工艺要求热、超声功率和力，金球 和芯片焊盘上的铝在热作用下，同时施加超声功率， 压到一起去。 结果得到金属 间的连接（容焊）。对于基于铜引线框架的元件，典型的键合温度大约为180 250。有机基板（ BGA ）要求温度，大约100150。在相同的频率上较 10 高的超声功率补偿较低的键合温度，以保证坚固和高剪切力值 （键合的球从铝焊 盘上移开所要求的力） 。 在今天的生产中最常

22、使用的金引线是25.4 微米 （1mil ） 。 引线键合是一个复杂的装配操作。几百根引线必须完美地定位在芯片上，并焊接 到外界。由于更高的集成化， 芯片焊盘之间的距离变得越来越小。一个键合球到 焊盘的失误都会造成故障连接， 戏剧性地减低生产效率。 金球引线键合的灵活性 和可靠性使它成为最广泛使用的技术。 b. 循序渐进的键合工艺 在硅片安装到引脚框架（leadframe ）或基板之后，互连工艺开始了。引线 键合器将金球焊接到芯片上， 把细小的金线连接到引脚并键合。成功的超密键合 要求许多条件 , 包括一致的无空气球的成型、闭环键合工艺控制、低于4m 的球 放置精确度、高生产率、高频率、精确的

23、与可重复的引线连结、合灵活的材料处 理。 1 一致的无空气球的形成： 电子火焰熄灭（EFO ， electronic flame off ） 单元的精确控制的电流电压对无空气球（free air ball,在键合工艺中实际 成形之前的熔化球）的形成有直接的影响。EFO产生熔化金引线的尾端形成小球 的火花。 2闭环键合工艺控制：不变的球与榫的尺寸对于连接品质是重要的。所 形成的球尺寸稍微的变化都会造成合格率损失。在键合期间， 键合力，以及超声 波能量，是闭环控制的（即施加的键合力是按照预设定的值检查合控制的）。这 个键合力合超声波能量的过程控制系统与相同的方式精确的形成每一个球和榫； 它保证在芯

24、片焊盘和引线手指上的球和榫的最佳连接。m以下的精确的球的 贴装：考虑到超密间距的工业需求，球贴装是一个关键的因素。 想象一下一个 m 的芯片焊盘开口，放一个m 的键合球：定位该球的贴装范围只有 m 。 大多数精密的键合贴装可以通过使用空气轴承技术来达到。空气轴承没有象 线性轴承的滑动黏附现象（当静态摩擦突然出现时的不可预见的键合头停顿）。 空气轴承的键合头准确的停在正确的位置，不管速度如何。 高分辨率的直 位置测量和一个精密的焊盘识别系统是准确的球贴装的另外前提。另外，在 设备上的温度补偿系统最后补偿键合头零件的温度膨胀，以防止几个微米的贴装 偏移。在机器内使用的闭环贴装纠正，在做超密键合时，

25、纠正最后的误差。 3高频率：封装中持续的趋势产生对较低键合温度的需求。在键 合工艺中应用的超声波频率增加可以补偿温度的下降。 4连结：为了满足现在生产中超密间距的要求，精密的和可重复的引线 连结是需要的。 基本的是， 在键合头上的毛细管完成球和榫之间准确的轨线。任 何缠绕的和松弛的引线都会产生相邻引线之间的短路。由于的缩小减少了硅 的大小，较长的引线自动的补偿到榫座的较长距离。 5材料处理：在自动引线键合设备上，料盒（Magazine）处理器将料盒 拾取，带到分度器（ Indexer ） 。然后基板被推出到分度器的倒轨之间。分度器将 引线框架传送倒完全可变程的工件夹具，该夹具在键合期间将框架固

26、定在位。在 11 摄像机 键合之后，工件移动一个输出堆叠料盒内。 c. 设备原理 由 Kulicke & Soffa 有限公司研发的 WireBonderMax m Ultra全自动引线 键合机（如图） 是金丝球引线键合机 ，其工作原理是使用电火花使金丝端部成 球形， 然后对金丝和压焊点（芯片上的铝电极和基座镀银或金的引线）同时加热、 加超声，使接触面产生变形并破坏了界面的氧化膜使其活性化，最后在IC 芯片 上完成球焊，在管壳基片上完成楔焊。完成芯片和管壳的连接。高性能、高可靠 性、高稳定性是电子元器件的生命线，而元器件封装是保证其高可靠性的直接因 素，其中键合设备是封装环节最关键的设备。键合

27、机的原理是将用集成式平面工 艺制造的需进行电性外连接的元器件芯片固定在引线框架上，对其进行外引线焊 接，其中芯片可以是复杂的集成电路芯片，也可以是简单的分离器件芯片（如三 极管芯片等）。因此键合效果的好坏（如引线焊点、压力一致性等）将直接影响 器件的可靠使用。 键合的过程是机械电气软件全面配合的过程，光学和图像系统 完成自动定位， x、y、z 工作台和精密定位驱动完成复杂空间拉弧运动，MHS 物 料系统完成自动上下料， EFO电子打火形成金球，在超声波和热台以及键合压力 的作用下完成焊点焊线过程。各个部分的校正组成了整个设备的校正系统。键 合机工作原理简图见图（）. 伺服工作台 EFO电子打火

28、 引线供给USG 超声波 工作台 Material Handing System（物料系统 ） 图（）键合机工作原理图 . . 校正系统 a. 伺服系统校正 伺服校正是调整或调和x、y 与 z 轴的伺服增益，有关键合头的所有移位均是此 项校正数值。因此所有依赖焊线头作为校正工具的校正项目需要先执行伺服校 图 像 处 理 PRS 键合头 BOND HEAD 出 料 部 分 进 部 料 分 芯片 显微镜 12 正，以达到最佳的校正成效。整个伺服系统是由直线电动机、直线电动机驱动， 以及运动控制卡组成。 b. 图像系统校正（ Picture Revise System） 图像辨识功能在提供图像所包含

29、的像素多少与实际物理位置距离之间的相对关 系。这些信息是将被用在PRS 位置位移的计算。 除非 PRS校正已经完成， 否则眼 点（eye point ）将无法被识别。不好的PRS校正可能造成焊点不准确。焊点位 置可能从一个产品到下个产品间形成不规则性的偏移，特别是在靠近眼点附近的 焊点，焊点不准确或偏移的情形将较严重。图像系统校正主要是由工作台实际坐 标向图像的映射。 校正后的图像系统将对应精确的图像坐标和工作台坐标的关系，使得焊点更为准 确。 c. 物料系统校正（ MHS ） 物料系统的可靠性、精度和效率关系整个设备的可靠性、稳定性、精度和效率。 所以物料系统的校正在整个设备中也非常重要。其

30、中包括热台压板电机校正、 前 后导轨电机校正和进出料电机校正。 d. 热台压板电动机校正 热台是键合机工作的中心， 要加工的芯片将放置在热台上。 校正热台是为了得到 合适的热台工作高度。 因为热台的工作高度和Z 电动机的工作水平工作点是一致 的。在校正好 Z 电动机水平工作原点的基础上让Z电动机走到水平工作原点， 然 后点动热台电动机到Z 电动机水平工作原点直到接触， 通过检测 Z 电动机的电流 可以检测热台电动机是否接触。此位置便为热台电动机的工作位置。校正过热 台电动机位置后，让热台电动机到工作位，点动压板电动机到接触热台电动机， 此位置减去可设定的料条厚度和加上一定量的变形量便是压板电动

31、机的工作位。 此形变量为在不影响破坏料条和焊接的情况下得出的最好压合效果的统计结果。 e. 前后导轨电动机校正 13 轨道的校正在定义出前后轨道的原点位置到焊线区中心位置的距离（工作台的 y 方向）。 在校正过伺服系统、 PRS以及键合头十字坐标的基础上，把十字坐标移动到热台 后位置处和热台前位置处，这样便得到热台中心和伺服系统x、y 坐标的关系， 记录热台中心的坐标。 然后把前后导轨电动机分别运动到初始位（已经定义好的 不会接触热台的位置） 。然后把十字坐标移动到前后导轨的初始位，建立前后导 轨原点坐标和伺服系统坐标的关系，然后和热台中心的坐标对应起来。把热台中 心和前后导轨统一建立在伺服系

32、统的坐标下。 f. 进出料电动机校正 进出料电动机的校正为在空料盒的情况下使用特定夹具使得进料部分的进料口 和出料部分的出料口和导轨面保持水平。 g. 键合头十字坐标校正 键合头十字坐标校正是针对由光学镜头所标识的位置与实际上劈刀接触工作表 面的 x 轴与 y 轴的打点位置补偿。 此项补偿在确保镜头所看到的影像标点与实际 上劈刀接触物体表面的位置是同一个。 校正过程为在物体表面上打一点 （x0， y0） ， 然后通过图像系统看到的实际点与键合头十字坐标不一致，把键合头十字坐标移 动到所打到的实际点上，这时的坐标为（x1，y1）。校正的补偿值为： xx1x0 (8) yy1y0 (9) 校正后的

33、系统 x、y 坐标每点补偿 x、y。 h. EFO 打火高度校正 14 EFO用于球键合工艺中引线球的形成。 第二点楔键合后， 尾丝在电弧放电后熔化， 受到重力、 表面张力和温度梯度的作用，形成球体。 尾丝的长度受第二键合点工 艺参数的影响， 因此第二点键合将影响到下一个第一点键合的质量。熔球与引线 的直径比对第一键合点尺寸的影响非常大。在引线材质不变的条件下， 熔球直径 由放电电流、放电时间、放电距离和线尾露出劈刀的长度决定。其中，放电电流 和放电时间对成球影响最大，目前控制精度己分别达到10 mA和 ms级水平。 Qin 等人2 发现增加放电电流和减少放电时间可以减少热影响区域（HAZ ）

34、的长度， Tay 等人3 用有限元方法模拟了引线上瞬间温度的分布状况。此外，移动打火 杆、紫外光辅助熔球、保护气系统也应用到EFO中，提高熔球质量。 EFO打火高度校正主要是为了使劈刀的尖端与打火棒保持有一个适当距离以利 金球的被烧出。 当劈刀或打火棒须更换时， 此校正项目被执行。 校正过程为选择 z 向运动到与打火棒平行的位置，系统记录此坐标，以后系统打火时z 向将走到 此位置。 i. USG 校正. USG 作为键合设备的核心部件，由发生器、换能器和聚能器组成。其中换能器负 责电能到机械能的转换作用， 最为重要。通过调整换能器可以改变键合工具的振 动轨迹、振动幅度。之后耦合的聚能器和键合工

35、具部分负责超声能量的放大和传 递，共同决定了系统谐振频率。Tsujino 等人4 设计了一种双向垂直超声系统 （如图 1 所示），在双向垂直杆上分别装压电 陶瓷 A，B，控制两个振动系统的频率可以得 到不同图案的振动轨迹， 试验测得圆形和方形 振动轨迹的焊接升温、 变形量和焊接强度高于 线性轨迹。 15 在几何尺寸固定的情况下，键合工具的振动幅度主要随超声功率的增大而增大， 受键合力的影响很小。 并且超声功率越大， 达到最大键合强度的时间越短，反映 出越快的键合速度。 但是过大的超声功率会导致焊盘产生裂纹或硬化，降低键合 强度。良好的自动键合机需要对超声振幅和键合时间等参数进行实时的监控。 C

36、hiu 等人 5 研究了压电换能器里PVDF 传感器的安装形状对测量结果的影响。 Chu等人6 研究了压电换能器里PZT传感器的安装位置， Chu认为放在驱动器的 后部可以得到最大的信号噪声比。Zhong等人 7 介绍了使用激光多普勒振动计 （如图 2所示） 测量劈刀的振动传递特性。 j. 键合压力校正 . 在键合机的工艺参数中，键合机键合的压 力、超声功率以及弧高等参数都需要根据 芯片的实际情况进行适当调校，并对外观 进行检验确定，在确定后需通过试产一定小批量来确定最终参数。 第 3 章引线键合的质量分析 2.1 键合质量的判定标准 Wirebond 工艺 在半导体封装各工艺中属最复杂装配工

37、艺。从以往统计数据来 看，Wirebond 是出现次品率最高的环节。 所以 Wirebond 的质量分析控制是必不 可少的。 第一： 键合质量的好坏往往通过破坏性实验判定。通常使用键合拉力测试（WPT ）、键 合剪切力测试（ BST ）。影响 BPT结果的因素除了工艺参数以外，还有引线参数 （材质、直径、强度和刚度）、吊钩位置、弧线高度等。因此除了确认BPT的拉 力值外，还需确认引线断裂的位置。主要有四个位置：第一键合点的界面； 第一键合点的颈部；第二键合点处；引线轮廓中间。 第二： BST是通过水平推键合点的引线，测得引线和焊盘分离的最小推力。剪切力测试 可能会因为测试环境不同或人为原因出现

38、偏差，Liang 等人 1 介绍了一种简化 判断球剪切力的方法， 提出简化键合参数（RBP ） 的概念，即 RBP=powerA forceB timeC ，其中 A，B，C为调整参数，一般取0.80， 0.40 ，0.20 。 此外，键合标准对于键合点的形状，如第一键合点的直径、厚度等，也有一定要 求，这些将直接影响器件的可靠性。 16 引线和两焊点的的质量要受到加工环境与工作环境的影响，而引线线键合机参数 设置则是决定键合质量的主要因素。 将键合以后的产品从键合焊球的形貌和键合点引线与焊盘的粘附情况两大 方面对引线键合质量进行实验测试，从而确定引线键合机的最佳参数设置。 测试流程如下： 3

39、.1 对键合焊球 SEM 形貌外观检测 对键合焊球形貌的测试，采用SEM 扫描电子显微镜观测 主要测试内容： 3.1.1 两键合点的形状 17 Qual001C-1 Qual001C-2 图（） 电子枪发射电压 20KV， 放大 800倍, 倾斜 80的条件下 SEM 所获得的第一焊点的形 貌图 图（） 电子枪发射电压 20KV， 放大 600 倍, 倾斜 60的条件下 SEM 所获得的第二焊点的 形貌图 3.1.2 在焊盘上的位置 如图（）： 18 Qual001A 图（3-3） 电子枪发射电压 20KV, 放大 300倍 的条件下 SEM 俯视图 焊球偏离焊盘中心、 超出焊盘范围， 容易造

40、成电路短路， 降低产品的可靠性。 3.1.3 键合点根部引线的变形情况 Qual001C-1 Qual001C-2 图(3-4) 电子枪发射电压 20KV， 放大 1500倍, 倾斜 80的条件下 SEM 所获得的第一焊点（First ball ）的形貌图 而键合点引线与焊盘的粘附情况则从焊球与焊点间的金属间化合物的形 成情况，是否出现弹坑失效，以及键合强度（键合拉力，与键合剪切力）等方面 进行实验测试。 观测金属间化合物的形成情况采用 Intermetallic 实验。 19 而键合强度则用 Wire pull test和 BS实验测量。 3.2 对键合点引线与焊盘的粘附情况的测试 3.2.

41、1 Intermetallic实验 Intermetallic实验用于初步定量的测试出金属间化合物的含量。 3.2.2 Cratering 试验 Crtering 实验目的：检查铝焊片上是否有弹坑和失铝失效。弹坑与失铝是 在封装过程中压焊芯片时产生的一种现象， 3.2.3Wire pull Test ( 破坏性键合拉力测试 ) 3.2.3.1试验方法 第一：键合强度用 wirepull test( 键合拉力 测试实验 )测得。 夹紧样品，在引线下引线的最高处插入一个 钩并子施加拉力， 该力的方向， 与芯片表面 垂直。当出现失效时， 纪录引线失效的力的 大小和失效类别。 第二： BS实验 第 4

42、 章：分析金线焊接的影响因素 2.6 主要工艺参数介绍 焊线在半导体封装中占有举足轻重的地位，影响焊线品质的因素有：焊接温度、 20 超音波功 率、焊接力量、焊接时间金球大小、路径长度及路径高度等。对应于这些参数在 焊线机制 程的关键技术，可分为金线结球及焊线路径稳定性两个部分。 影响金线结球好坏的参数有：（1）线尾长度（ 2）CAPI型式（ 3）金线材质（ 4） 放电产生 器的电压、电流、时间的大小长短（5）金线与电击板的间隙大小（6）电击板和 CAPI的相 对位置。 影响路径稳定性的参数则有（1）FAB 的热影响区长度（ 2）一焊点 Smash Ball 大 小及剪力强 度（3）一、二焊点

43、拉力强度（ 4）路径转折长度（ 5）路径转折角度（ 6）三轴同 动的参数控制。 以下是主要影响因素介绍： 2.6.1 键合温度 WB 工艺对温度有较高的控制要求。过高的温度不仅会产生过多的氧化物影响键 合质量， 并且由于热应力应变的影响， 图像监测精度和器件的可靠性也随之下降。 在实际工艺中，温控系统都会添加预热区、冷却区，提高控制的稳定性。键合温 度指的是外部提供的温度， 工艺中更注意实际温度的变化对键合质量的影响，因 此需要安装传感器监控瞬态温度。一般使用金-镍热电耦，但有时会对工艺条件 产生限制 2.6.2 键合时间 通常的键合时间都在几毫秒，并且键合点不同，键合时间也不一样。一般来说，

44、 键合时间越长， 引线球吸收的能量越多， 键合点的直径就越大， 界面强度增加而 颈部强度降低。 但是过长的时间， 会使键合点尺寸过大， 超出焊盘边界并且导致 空洞生成概率增大，发现温度升高会使颈部区域发生再结晶，导致颈部强度降低， 增大了颈部断裂的可能。因此合适的键合时间显得尤为重要。 2.6.3 超声功率与键合压力 超声功率对键合质量和外观影响最大，因为它对键合球的变形起主导作用。过小 的功率会导致过窄、 未成形的键合或尾丝翘起； 过大的功率导致根部断裂、 键合 塌陷或焊盘破裂。 研究发现超声波的水平振动是导致焊盘破裂的最大原因。超声 功率和键合力是相互关联的参数。 增大超声功率通常需要增大

45、键合力使超声能量 通过键合工具更多的传递到键合点处，发现过大的键合力会阻碍键合工具的运 动，抑制超声能量的传导， 导致污染物和氧化物被推到了键合区域的中心，形成 中心未键合区域。 2.6.4 高速、高加速度、高精度IC 封装机构 21 目前国外先进设备可达到：定位精度510 m ，频带宽度 300Hz，加速度 6 10g，焊头往返速度 15000次/h ；预计下一代封装设备可达到：定位精度25 m ，频带宽度 400Hz ，加速度 15g，焊头往返速度 30000 次/h 。 2.6.5 键合工具 键合工具负责固定引线、 传递压力和超声能量、 拉弧等作用。 球形焊线所使用的 工具我们称为毛细管

46、劈刀（capillary），它是一种轴形对称的带有垂直方向孔 的陶瓷工具。 劈刀的尺寸影响引线键合质量和生产的稳定性，因此劈刀的选择是 非常重要的。其形状对质量有重要影响， 球键合使用的劈刀如图3 所示。图中， 为内孔， 其直径由引线直径决定， 引线直径由焊盘的直径决定。内孔的直径越 小，引线轮廓越接近理想形状， 如果内孔直径过小则会增大引线与劈刀间的摩擦 导致线弧形状的不稳定； 为壁厚， 影响超声波的传导， 过薄的壁厚会对振幅产 生影响；为外端面和外圆角， 影响第二键合点的大小， 从而影响第二键合点的 强度和线弧形状；为内斜面，影响第一键合点的中心对准、键合强度、键合点 尺寸大小， 还影响线

47、弧形状。 为了增大第一键合点的键合强度，应适当减小内斜 面的直径。超细键合所使用的劈刀无论在制作工艺和形状上都有重大改进。 2.6 6 引线材料 大部分使用在球形焊接上的引线是99.99纯度的金线， 这个通常指 4Ns金线。为 了满足一些特殊的应用要求，例如高强度，有时候也使用合金线（99.99 或者 更低的纯度）。研究表明某一些搀杂物（金线里的其他物质）能降低金和铝的界 面层扩散生长的速度。为了提高封装系统的可靠性，有时候考虑使用3Ns 和2Ns 金线。金线主要分为两种：掺杂金线和合金化金线。掺杂金线比4Ns金线具有更 好的机械性能；合金化金线具有更好的强度，但是会损失一定的电性能。 需要特

48、别考虑的是焊线工艺的热影响区域（HeatAffected Zone，HAZ ）的长度， 这个和 EFO 时产生的热量导致的金属再结晶过程有关。这个HAZ 通常会使线变得脆 弱。通常具有长 HAZ 的金线会使用在高的线弧中。一些低线弧应用要求使用高强 度和低 HAZ 的金线。低 HAZ的金线能提高拱丝能力，能满足更低线弧的要求。 22 第 5 章：浅谈金丝球键合对注模的影响 5.1 总概 键合过程是先将安装在基片或热沉上的IC 传送到键合机上，机器的图像识别系 统识别出芯片， 计算和校正每一个键合点的位置，然后根据键合图用金线来键合 芯片和基片上的焊盘，以实现芯片与基片的互连。它是单点、单元化操作。 半导体封装模具业对模具的要求是：一是要求精加工模具， 目前电子产品不断集 成化、小型化，