引線鍵合工藝參數(shù)對(duì)封裝質(zhì)量的影響因素分析

1、引線鍵合工藝參數(shù)對(duì)封裝質(zhì)量的影響因素分析劉長(zhǎng)宏，高健，陳新，鄭德濤（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，廣州）1 引言 目前IC器件在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)封裝工藝的質(zhì)量及檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求，如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜封裝的工藝穩(wěn)定、質(zhì)量保證和協(xié)同控制變得越來(lái)越重要。目前國(guó)外對(duì)引線鍵合工藝涉及的大量參數(shù)和精密機(jī)構(gòu)的控制問(wèn)題已有較為深入的研究，并且已經(jīng)在參數(shù)敏感度和重要性的排列方面有了共識(shí)。我國(guó)IC封裝研究起步較晚，其中的關(guān)鍵技術(shù)掌握不足，缺乏工藝的數(shù)據(jù)積累，加之國(guó)外的技術(shù)封鎖，有必要深入研究各種封裝工藝，掌握其間的關(guān)鍵技術(shù)，自主研發(fā)高水平封裝裝備。本文將對(duì)引線鍵合工藝展開(kāi)研究，分析影響封裝質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，力

2、圖為后續(xù)的質(zhì)量影響規(guī)律和控制奠定基礎(chǔ)。 2 引線鍵合工藝 WB隨著前端工藝的發(fā)展正朝著超精細(xì)鍵合趨勢(shì)發(fā)展。WB過(guò)程中，引線在熱量、壓力或超聲能量的共同作用下，與焊盤(pán)金屬發(fā)生原子間擴(kuò)散達(dá)到鍵合的目的。根據(jù)所使用的鍵合工具如劈刀或楔的不同，WB分為球鍵合和楔鍵合。根據(jù)鍵合條件不同，球鍵合可分為熱壓焊、冷超聲鍵合和熱超聲鍵合。根據(jù)引線不同，又可分為金線、銅線、鋁線鍵合等。冷超聲鍵合常為鋁線楔鍵合。熱超聲鍵合常為金絲球鍵合，因同時(shí)使用熱壓和超聲能量，能夠在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)較好的鍵合質(zhì)量，從而得到廣泛使用。 2.1 鍵合質(zhì)量的判定標(biāo)準(zhǔn) 鍵合質(zhì)量的好壞往往通過(guò)破壞性實(shí)驗(yàn)判定。通常使用鍵合拉力測(cè)試（BPT）

3、、鍵合剪切力測(cè)試（BST）。影響B(tài)PT結(jié)果的因素除了工藝參數(shù)以外，還有引線參數(shù)（材質(zhì)、直徑、強(qiáng)度和剛度）、吊鉤位置、弧線高度等。因此除了確認(rèn)BPT的拉力值外，還需確認(rèn)引線斷裂的位置。主要有四個(gè)位置：第一鍵合點(diǎn)的界面；第一鍵合點(diǎn)的頸部； 第二鍵合點(diǎn)處；引線輪廓中間。 BST是通過(guò)水平推鍵合點(diǎn)的引線，測(cè)得引線和焊盤(pán)分離的最小推力。剪切力測(cè)試可能會(huì)因?yàn)闇y(cè)試環(huán)境不同或人為原因出現(xiàn)偏差，Liang等人 1介紹了一種簡(jiǎn)化判斷球剪切力的方法，提出簡(jiǎn)化鍵合參數(shù)（RBP）的概念，即RBP=powerA forceBtimeC ，其中A，B，C為調(diào)整參數(shù)，一般取0.80， 0.40，0.20。 此外，鍵合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于

4、鍵合點(diǎn)的形狀，如第一鍵合點(diǎn)的直徑、厚度等，也有一定要求，這些將直接影響器件的可靠性。 2.2 電子打火系統(tǒng)（EFO） EFO用于球鍵合工藝中引線球的形成。第二點(diǎn)楔鍵合后，尾絲在電弧放電后熔化，受到重力、表面張力和溫度梯度的作用，形成球體。尾絲的長(zhǎng)度受第二鍵合點(diǎn)工藝參數(shù)的影響，因此第二點(diǎn)鍵合將影響到下一個(gè)第一點(diǎn)鍵合的質(zhì)量。熔球與引線的直徑比對(duì)第一鍵合點(diǎn)尺寸的影響非常大。在引線材質(zhì)不變的條件下，熔球直徑由放電電流、放電時(shí)間、放電距離和線尾露出劈刀的長(zhǎng)度決定。其中，放電電流和放電時(shí)間對(duì)成球影響最大，目前控制精度己分別達(dá)到10 mA和ms級(jí)水平。Qin等人2發(fā)現(xiàn)增加放電電流和減少放電時(shí)間可以減少熱影響

5、區(qū)域（HAZ）的長(zhǎng)度，Tay等人3用有限元方法模擬了引線上瞬間溫度的分布狀況。此外，移動(dòng)打火桿、紫外光輔助熔球、保護(hù)氣系統(tǒng)也應(yīng)用到EFO中，提高熔球質(zhì)量。2.3 超聲系統(tǒng) US作為鍵合設(shè)備的核心部件，由發(fā)生器、換能器和聚能器組成。其中換能器負(fù)責(zé)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換作用，最為重要。通過(guò)調(diào)整換能器可以改變鍵合工具的振動(dòng)軌跡、振動(dòng)幅度。之后耦合的聚能器和鍵合工具部分負(fù)責(zé)超聲能量的放大和傳遞，共同決定了系統(tǒng)諧振頻率。Tsujino等人4設(shè)計(jì)了一種雙向垂直超聲系統(tǒng)（如圖1所示），在雙向垂直桿上分別裝壓電陶瓷A，B，控制兩個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的頻率可以得到不同圖案的振動(dòng)軌跡，試驗(yàn)測(cè)得圓形和方形振動(dòng)軌跡的焊接升溫、變形

6、量和焊接強(qiáng)度高于線性軌跡。在幾何尺寸固定的情況下，鍵合工具的振動(dòng)幅度主要隨超聲功率的增大而增大，受鍵合力的影響很小。并且超聲功率越大，達(dá)到最大鍵合強(qiáng)度的時(shí)間越短，反映出越快的鍵合速度。但是過(guò)大的超聲功率會(huì)導(dǎo)致焊盤(pán)產(chǎn)生裂紋或硬化，降低鍵合強(qiáng)度。良好的自動(dòng)鍵合機(jī)需要對(duì)超聲振幅和鍵合時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。Chiu等人 5研究了壓電換能器里PVDF傳感器的安裝形狀對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。Chu等人6研究了壓電換能器里PZT傳感器的安裝位置，Chu認(rèn)為放在驅(qū)動(dòng)器的后部可以得到最大的信號(hào)噪聲比。Zhong等人 7介紹了使用激光多普勒振動(dòng)計(jì)（如圖2所示）測(cè)量劈刀的振動(dòng)傳遞特性。 2.4 鍵合工具 鍵合工具負(fù)責(zé)

7、固定引線、傳遞壓力和超聲能量、拉弧等作用。其形狀對(duì)質(zhì)量有重要影響，球鍵合使用的劈刀如圖3所示。圖中，為內(nèi)孔，其直徑由引線直徑?jīng)Q定，引線直徑由焊盤(pán)的直徑?jīng)Q定。內(nèi)孔的直徑越小，引線輪廓越接近理想形狀，如果內(nèi)孔直徑過(guò)小則會(huì)增大引線與劈刀間的摩擦導(dǎo)致線弧形狀的不穩(wěn)定；為壁厚，影響超聲波的傳導(dǎo)，過(guò)薄的壁厚會(huì)對(duì)振幅產(chǎn)生影響；為外端面和外圓角，影響第二鍵合點(diǎn)的大小，從而影響第二鍵合點(diǎn)的強(qiáng)度和線弧形狀；為內(nèi)斜面，影響第一鍵合點(diǎn)的中心對(duì)準(zhǔn)、鍵合強(qiáng)度、鍵合點(diǎn)尺寸大小，還影響線弧形狀。為了增大第一鍵合點(diǎn)的鍵合強(qiáng)度，應(yīng)適當(dāng)減小內(nèi)斜面的直徑。超細(xì)鍵合所使用的劈刀無(wú)論在制作工藝和形狀上都有重大改進(jìn)。Zhong等人7對(duì)比分

8、析了相同工藝參數(shù)的情況下，細(xì)頸劈刀與傳統(tǒng)劈刀（如圖4）的超聲傳導(dǎo)差異，顯示出細(xì)頸劈刀的優(yōu)異性能。 2.5 引線輪廓成型（拉?。┻^(guò)程 引線輪廓主要由引線和拉弧參數(shù)決定。引線參數(shù)主要指引線強(qiáng)度（硬度和剛度）和由EFO決定的HAZ。較高的引線強(qiáng)度可以減小HAZ從而增強(qiáng)頸部強(qiáng)度。拉弧參數(shù)包括劈刀運(yùn)動(dòng)軌跡、引線長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)速度。圖5是一種拉弧方式的示意圖8。 合理的拉弧參數(shù)可以降低引線輪廓高度，減少蠕動(dòng)，增強(qiáng)可靠性。Shu等人9運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法描述了引線輪廓，評(píng)估了鍵合參數(shù)的相互作用和影響；Lo等人 10提出了一種全新的連接彈簧模型分析了鍵合引線輪廓，用相互連接的扭轉(zhuǎn)彈簧簡(jiǎn)化鍵合過(guò)程中復(fù)雜

9、的材料非線性和幾何非線性問(wèn)題；范柱子等人 11應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)研究了鍵合頭運(yùn)動(dòng)軌跡中反向段的作用，以及不同的反向段形式對(duì)引線輪廓形狀的影響；Ohno等人12提出了引線輪廓上的硬度分布類似V型；Liu等人8綜合分析了更真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，特別是HAZ至鍵合球的應(yīng)力應(yīng)變，并運(yùn)用動(dòng)態(tài)有限元分析了拉弧過(guò)程，研究引線輪廓的參數(shù)影響和殘余應(yīng)力分布。 2.6 主要工藝參數(shù)介紹 2.6.1 鍵合溫度 WB工藝對(duì)溫度有較高的控制要求。過(guò)高的溫度不僅會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的氧化物影響鍵合質(zhì)量，并且由于熱應(yīng)力應(yīng)變的影響，圖像監(jiān)測(cè)精度和器件的可靠性也隨之下降。在實(shí)際工藝中，溫控系統(tǒng)都會(huì)添加預(yù)熱區(qū)、冷卻區(qū)，提高控制的穩(wěn)定性。鍵合溫度指

10、的是外部提供的溫度，工藝中更注意實(shí)際溫度的變化對(duì)鍵合質(zhì)量的影響，因此需要安裝傳感器監(jiān)控瞬態(tài)溫度。一般使用金-鎳熱電耦，但有時(shí)會(huì)對(duì)工藝條件產(chǎn)生限制。Mayer等人 13介紹了一種環(huán)繞焊盤(pán)的鋁絲環(huán)做成的微傳感器，達(dá)到了1ms的分辨率；Suman等人14介紹了一種放置在焊盤(pán)下方的鋁-多晶硅溫差電堆傳感器，具有靈敏度高、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)。 2.6.2 鍵合時(shí)間 通常的鍵合時(shí)間都在幾毫秒，并且鍵合點(diǎn)不同，鍵合時(shí)間也不一樣。一般來(lái)說(shuō)，鍵合時(shí)間越長(zhǎng)，引線球吸收的能量越多，鍵合點(diǎn)的直徑就越大，界面強(qiáng)度增加而頸部強(qiáng)度降低。但是過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間，會(huì)使鍵合點(diǎn)尺寸過(guò)大，超出焊盤(pán)邊界并且導(dǎo)致空洞生成概率增大，Murali等人

11、15發(fā)現(xiàn)溫度升高會(huì)使頸部區(qū)域發(fā)生再結(jié)晶，導(dǎo)致頸部強(qiáng)度降低，增大了頸部斷裂的可能。因此合適的鍵合時(shí)間顯得尤為重要。 2.6.3 超聲功率與鍵合壓力 超聲功率對(duì)鍵合質(zhì)量和外觀影響最大，因?yàn)樗鼘?duì)鍵合球的變形起主導(dǎo)作用。過(guò)小的功率會(huì)導(dǎo)致過(guò)窄、未成形的鍵合或尾絲翹起；過(guò)大的功率導(dǎo)致根部斷裂、鍵合塌陷或焊盤(pán)破裂。Jeon16研究發(fā)現(xiàn)超聲波的水平振動(dòng)是導(dǎo)致焊盤(pán)破裂的最大原因。超聲功率和鍵合力是相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)。增大超聲功率通常需要增大鍵合力使超聲能量通過(guò)鍵合工具更多的傳遞到鍵合點(diǎn)處，但Rooney等人 17發(fā)現(xiàn)過(guò)大的鍵合力會(huì)阻礙鍵合工具的運(yùn)動(dòng)，抑制超聲能量的傳導(dǎo)，導(dǎo)致污染物和氧化物被推到了鍵合區(qū)域的中心，形成

12、中心未鍵合區(qū)域。 3 高速、高加速度、高精度IC封裝機(jī)構(gòu) 目前音圈電機(jī)因具有較高的分辨率和響應(yīng)速度，已代替伺服電機(jī)，用于X-Y臺(tái)和鍵合頭的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，但其性能仍難滿足高密度引線鍵合的需要。香港ASM正在研究應(yīng)用直線電機(jī)、磁懸浮導(dǎo)軌等先進(jìn)元件在運(yùn)動(dòng)控制上，主要是研究如何消除快速起停引起的寬頻振動(dòng)，主動(dòng)控制定位系統(tǒng)的低頻振動(dòng)是當(dāng)前研究的主要內(nèi)容。機(jī)器視覺(jué)硬件方面，研究集中在光路和照明的優(yōu)化設(shè)計(jì)或配置；軟件方面，主要集中在高性能圖象對(duì)準(zhǔn)算法，如歸一化相關(guān)檢測(cè)技術(shù)、幾何特征匹配技術(shù)等。此外，基于DSP芯片的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、圖像識(shí)別系統(tǒng)也正處于研究階段。 目前國(guó)外先進(jìn)設(shè)備可達(dá)到：定位精度510 m，頻帶寬度

13、300Hz，加速度610g，焊頭往返速度15000次/h；預(yù)計(jì)下一代封裝設(shè)備可達(dá)到：定位精度25m，頻帶寬度400Hz，加速度15g，焊頭往返速度30000次/h。我國(guó)IC 封裝設(shè)備制造業(yè)起步較晚，再加上加工、設(shè)計(jì)能力差，相關(guān)的基礎(chǔ)理論缺乏，因此與其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比，總體水平相差24 代，生產(chǎn)的手動(dòng)型、半自動(dòng)型的鍵合機(jī)，鍵合速度達(dá)到6000線/h，全自動(dòng)焊線機(jī)的鍵合速度達(dá)到10000線/h左右。 4 工藝優(yōu)化方法 封裝工藝的研究方式主要是數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)分析和理論分析。理論方法一般通過(guò)有限元分析，了解鍵合機(jī)理，達(dá)到優(yōu)化工藝參數(shù)的目的。Takahasi等人18用ANSYS軟件模擬了熱壓鍵合中引線變形的過(guò)程；Jeon16對(duì)第一點(diǎn)球鍵合過(guò)程做了比較詳細(xì)的有限元模擬；Lorenzo21對(duì)高頻超聲換能器進(jìn)行模塊有限元模擬；Qin2對(duì)鍵合球的形成進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)工作。 數(shù)據(jù)試驗(yàn)分析經(jīng)常使用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法（DOE）。相關(guān)的軟件有ECHIPTM及Micro-Swiss等。國(guó)內(nèi)外有許多工藝參數(shù)優(yōu)化研究基于DOE 16,18-19。 其中Rooney等人17對(duì)芯片直接貼裝（COB）的第一、二點(diǎn)的鍵合時(shí)間、鍵合壓力、鍵合功率和工藝溫度七個(gè)參數(shù)做了DOE優(yōu)化；楊文建等人19對(duì)超細(xì)間距引線鍵合第一鍵合點(diǎn)的超聲波形、超聲功率、沖擊力保持時(shí)間、沖擊速度、鍵合點(diǎn)直徑，EFO參數(shù)等進(jìn)行了優(yōu)化