引線鍵合工藝參數(shù)對封裝質(zhì)量的影響因素分析

1、引線鍵合工藝參數(shù)對封裝質(zhì)雖的影響因素分析劉長宏，高健，陳新，鄭德濤（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，廣州510090） 1引言目前IC器件在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，對封裝工藝的 質(zhì)雖及檢測技術(shù)提出了更高的要求，如何實現(xiàn)復(fù)雜封裝的 工藝穩(wěn)定、質(zhì)雖保證和協(xié)同控制變得越來越重要。目前國 外對引線鍵合工藝涉及的大雖參數(shù)和精密機(jī)構(gòu)的控制問題 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。我國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。本文將對引線鍵合工藝展 開研究，分

2、析影響封裝質(zhì)雖的關(guān)鍵參數(shù)，力圖為后續(xù)的質(zhì) 雖影響規(guī)律和控制奠定基礎(chǔ)。2引線鍵合工藝WEM著前端工藝的發(fā)展正朝著超精細(xì)鍵合趨勢發(fā)展。WEB±程中，引線在熱雖、壓力或超聲能雖的共同作用下，與焊盤金屬發(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，W盼為球鍵合和楔鍵合。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，乂可分為金線、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，因同時使用熱壓和超聲能能夠在較低的溫度下 實現(xiàn)較好的鍵合質(zhì)雖，從而得到廣泛使用。2.1鍵合質(zhì)H的判定標(biāo)準(zhǔn)鍵合質(zhì)雖的好壞往往通過破壞性實驗判定

3、。通常使用鍵合拉力測試（BPD、鍵合剪切力測試（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是通過水平推鍵合點(diǎn)的引線， 測得引線和焊盤分離的最 小推力。剪切力測試可能會因為測試環(huán)境不同或人為原因出現(xiàn)偏差，Liang等人1介紹了一種簡化判斷球剪切力的 方法，提出簡化鍵合參數(shù)（RBB的概念，即RBP=powerAx forceB x timeC ,其中A, B, C為調(diào)整參數(shù)，一般取0.80

4、, 0.40 , 0.20。此外，鍵合標(biāo)準(zhǔn)對于鍵合點(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)（EFQEFO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第一點(diǎn)鍵合的質(zhì)雖。熔球與引線的直徑比對第一鍵合點(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、放電時間、放電距離和線尾露出劈刀的長度決定。其中，放電電流和放電時間對成球影響最大，目前控制精度己分另U達(dá)到10 mA和ms級水平。Qin等人2發(fā)

5、現(xiàn)增加放電電流和減少放電時 間可以減少熱影響區(qū)域（HAZ的長度，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，移動打火桿、紫外光輔助熔球、保護(hù)氣系統(tǒng)也應(yīng)用到EFQ中，提 高熔球質(zhì)雖。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。通過調(diào)整換能器可以改變鍵合工具的振動軌跡、振動 幅度。之后耦合的聚能器和鍵合工具部分負(fù)責(zé)超聲能H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,控制兩個振動系統(tǒng)的頻率可 以得到不同圖

6、案的振動軌跡，試驗測得圓形和方形振動軌 跡的焊接升溫、變形雖和焊接強(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)度的時間越短，反映出越快的鍵 合速度。但是過大的超聲功率會導(dǎo)致焊盤產(chǎn)生裂紋或碩化， 降低鍵合強(qiáng)度。良好的自動鍵合機(jī)需要對超聲振幅和鍵合時間等參數(shù)進(jìn)行實時的監(jiān)控。Chiu等人5研究了壓電換能器里PVDF#感器的安裝形狀對測雖結(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)動器的后部可以得到最大的信號噪聲比。Zhong等人7介紹了使用激光多普勒振動計（如圖

7、 2所示）測雖 劈刀的振動傳遞特性。2.4鍵合工具鍵合工具負(fù)責(zé)固定引線、傳遞壓力和超聲能雖、拉弧等作用。其形狀對質(zhì)雖有重要影響，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)孔直徑過小則會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)， 過薄的壁厚會對振幅產(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)

8、鍵合所使用的劈刀無論在制作工藝和形狀上都有重大改進(jìn)。Zhong等人7對比分析了相同工藝參數(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?。┻^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（碩度和剛度）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) 動軌跡、引線長度、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角長度和運(yùn)動速度。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，增強(qiáng)可靠性。Shu等人9運(yùn)用統(tǒng)計分析方法描述了引線輪廓,評估了鍵合參數(shù)的相互作用和影響；Lo等人10提出了一種全

9、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)彈簧簡化鍵合過程中復(fù)雜的材料非線性和幾何非線 性問題；范柱子等人11應(yīng)用仿真實驗研究了鍵合頭運(yùn)動 軌跡中反向段的作用，以及不同的反向段形式對引線輪廓 形狀的影響；Ohn。等人12提出了引線輪廓上的碩度分布 類似V型；Liu等人8綜合分析了更真實的應(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)用動態(tài)有限元分析 了拉弧過程，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WBC藝對溫度有較高的控制要求。過高的溫度不僅會產(chǎn)生 過多的氧化物影響鍵合質(zhì)雖，并且由于熱應(yīng)力應(yīng)變的影響， 圖像監(jiān)測精度和器件的可靠性也隨

10、之下降。在實際工藝中， 溫控系統(tǒng)都會添加預(yù)熱區(qū)、冷卻區(qū)，提高控制的穩(wěn)定性。鍵合溫度指的是外部提供的溫度，工藝中更注意實際溫度 的變化對鍵合質(zhì)雖的影響，因此需要安裝傳感器監(jiān)控瞬態(tài) 溫度。一般使用金-鐐熱電耦，但有時會對工藝條件產(chǎn)生限 制。Mayer等人13介紹了一種環(huán)繞焊盤的鋁絲環(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 鍵合時間通常的鍵合時間都在幾毫秒，并且鍵合點(diǎn)不同，鍵合時間 也不一樣。一般來說，鍵合時間越長，引線球吸收的能雖 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

11、 低。但是過長的時間，會使鍵合點(diǎn)尺寸過大，超出焊盤邊 界并且導(dǎo)致空洞生成概率增大，Murali等人15發(fā)現(xiàn)溫度升高會使頸部區(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。因此合適的鍵合時間顯得尤為重要。2.6.3 超聲功率與鍵合壓力超聲功率對鍵合質(zhì)M和外觀影響最大，因為它對鍵合球的 變形起主導(dǎo)作用。過小的功率會導(dǎo)致過窄、未成形的鍵合 或尾絲翹起；過大的功率導(dǎo)致根部斷裂、鍵合塌陷或焊盤 破裂。Jeon16研究發(fā)現(xiàn)超聲波的水平振動是導(dǎo)致焊盤破 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雖通過鍵合工具更多的傳遞到鍵合點(diǎn)處，但 Rooney等人1

12、7發(fā)現(xiàn)過大的 鍵合力會阻礙鍵合工具的運(yùn)動，抑制超聲能雖的傳導(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臺和鍵合頭的驅(qū)動設(shè)備，但其性能仍難滿足高密度引線鍵合的需要。香港ASME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)動控制上，主要是研究 如何消除快速起停引起的寬頻振動，主動控制定位系統(tǒng)的 低頻振動是當(dāng)前研究的主要內(nèi)容。機(jī)器視覺碩件方面，研 究集中在光路和照明的優(yōu)化設(shè)計或配置；軟件方面，主要 集中在高性能圖象對準(zhǔn)算法，如歸一化相關(guān)檢測技術(shù)、幾 何特征匹配技術(shù)等。此外

13、，基于 DSP芯片的運(yùn)動控制系統(tǒng)、 圖像識別系統(tǒng)也正處于研究階段。目前國外先進(jìn)設(shè)備可達(dá)到：定位精度510 p m頻帶寬度300Hz,加速度610g,焊頭往返速度15000次/h ;預(yù)計下 一代封裝設(shè)備可達(dá)到：定位精度25p m頻帶寬度400Hz,加速度15g,焊頭往返速度30000次/h。我國IC封裝設(shè)備 制造業(yè)起步較晚，再加上加工、設(shè)計能力差，相關(guān)的基礎(chǔ) 理論缺乏，因此與其他發(fā)達(dá)國家相比，總體水平相差24代，生產(chǎn)的手動型、半自動型的鍵合機(jī)，鍵合速度達(dá)到6000 線/h，全自動焊線機(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)實驗分析和理論分析。理 論方法一般

14、通過有限元分析，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ANSY嗽件模擬了熱 壓鍵合中引線變形的過程；Jeon16對第一點(diǎn)球鍵合過程做了比較詳細(xì)的有限元模擬；Lorenzo21對高頻超聲換能器進(jìn)行模塊有限元模擬；Qin2對鍵合球的形成進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗工作。數(shù)據(jù)試驗分析經(jīng)常使用試驗設(shè)計方法（DOE。相關(guān)的軟件有ECHIPThM Micro-Swiss 等。國內(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對芯片直接貼裝（COB的第一、二點(diǎn)的鍵合時間、鍵合壓力、 鍵合功率和工藝溫度七個參數(shù)做了DOEft化；楊文建等人19對超細(xì)間距引線鍵合第一鍵合點(diǎn)的超聲波形、超聲功率、沖擊力保持時間、沖擊速度、鍵合點(diǎn)直徑，EFO參數(shù)等進(jìn)行了優(yōu)化試驗；Shu等人20對細(xì)焊盤引線鍵合機(jī)的工 藝參數(shù)做了優(yōu)化。5結(jié)語隨