半導(dǎo)體銅線鍵合工藝研究

1、研究生姓名 湯 振 凱申請(qǐng)學(xué)位類別工程碩士學(xué)科專業(yè)電子與通信工程研究方向半導(dǎo)體元器件的球焊工藝答辯委員會(huì)主席林明導(dǎo)師姓名學(xué) 位授予單位論 文提交日期論文答辯日期評(píng)閱人朱志宇江蘇科技大學(xué)2014 年 4 月 19 日2014年 6月 7日10289TN606級(jí)：公開號(hào)： 103030005江蘇科技大學(xué)（在職攻讀專業(yè)學(xué)位）半導(dǎo)體銅線鍵合工藝研究2014 年 4 月 22 日II分類號(hào)：TN606密 級(jí)： 公開學(xué)號(hào)： 103030005碩士學(xué)位論文（工程碩士）半導(dǎo)體銅線鍵合工藝研究學(xué)生姓名湯 振 凱指導(dǎo)教師朱志宇教授江蘇科技大學(xué)O 一四年四月A Thesis Submitted in Fulfill

2、ment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringResearch of semiconductor copper wire bonding processSubmitted byTang ZhenkaiSupervised byProfessor Zhu ZhiyuJiangsu University of Science and TechnologyApril, 2014 I #摘要摘要在當(dāng)今 21世紀(jì)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，半導(dǎo)體IC和半導(dǎo)體器件已經(jīng)在各行各業(yè)廣為使用，從衛(wèi)星通信、軍事產(chǎn)品、信息工業(yè)至普通家用產(chǎn)品、

3、小家電，同時(shí)伴隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和器件的發(fā)展，人們的生活愈來愈便捷和智能。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在發(fā)展的過程中，分工逐漸精細(xì)，而半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)也成為了一個(gè)在半導(dǎo)體產(chǎn)品中占據(jù)較大比例的產(chǎn)業(yè)，如何能夠提高半導(dǎo)體封裝的效率和性能，降低成本， 就擺在了所有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)人員面前。隨著產(chǎn)品的I/O 口變多， 半導(dǎo)體封裝中的鍵合成本也占據(jù)著較大比例，在鍵合中采取新的材料，新的工藝，在保證產(chǎn)品性能和可靠性的前提下，降低材料成本，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。隨著設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，采用銅絲代替原來的金絲作為焊絲，已經(jīng)成為了可能。由于金和銅的材料價(jià)格存在著較大差異，很多公司和研究人員投入了很大精力，進(jìn)行各方面的嘗試，經(jīng)過多年的研究，長(zhǎng)電科技

4、已經(jīng)在這方面取得了較大的突破。本文主要研究用銅絲代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金絲材料，采用新的技術(shù)和工藝參數(shù)，運(yùn)用DOE試驗(yàn)法， 找到了最佳的銅線球焊的工藝參數(shù)（主要是球焊功率、球焊壓力、球焊時(shí)間）窗口，加上設(shè)備的改進(jìn)（原有將焊線高溫熔化時(shí)加上氫氣和氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置），并將做出來的成品與原來的產(chǎn)品進(jìn)行性能和可靠性的比較，發(fā)現(xiàn)銅線球焊產(chǎn)品的主要電性能參數(shù)與原來金線產(chǎn)品的參數(shù)分布一致，可靠性能還能避免原有的金鋁合金的脆化現(xiàn)象，推進(jìn)了半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)和半導(dǎo)體器件的不斷發(fā)展。關(guān)鍵詞 球焊；焊接工藝；封裝；銅線球焊；可靠性Abstract IIIAbstract IIAbstractIn twenty-first Centur

5、y, the semiconductor industry with development, IC and semiconductor device has been widely used in all walks of life to carry out, from the satellite communications, military products, information technology industry and ordinary household products, small household electrical appliances, accompanie

6、d by the development of the semiconductor industry and devices, peoples life more and more convenient and intelligent.The semiconductor industry in the development process, gradually fine division, and semiconductor packaging industry has also become a occupy a larger proportion of semiconductor pro

7、ducts in the industry, how to improve the efficiency and performance, semiconductor packaging cost reduction, is placed in front of all of our semiconductor industry personnel. Along with the product I/O port number, bonding the semiconductor package also occupy a great proportion, adopt new materia

8、ls in the bonding process, new technology, in order to ensure the product performance and reliability, reduce the cost of the materials, is an industry trend. Instead of the original with gold as the wire, the wire material and technology, with the development of equipment and technology, has become

9、 possible, since there are large differences between gold and copper material prices, many companies and researchersh ave devoted great energy, trying various aspects, after years of research, with the experience accumulation, JCET technology has made a great breakthrough in this respect.This paper

10、mainly studies the copper wire instead of the traditional gold wire material, the technology and the new process parameters, plus improvement of equipment performance and reliability, compared to do out of the finished product and the original product, promote the continuous development of semicondu

11、ctor device and semiconductor packaging industry.Keywords wire bonding; bonding technology; packaging; copper ball bonding, reliability;江蘇科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 #江蘇科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 II I目錄摘 要 I TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark14 o Current Document Abstract II HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 第一章 緒論 1 HY

12、PERLINK l bookmark20 o Current Document 引言 1 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)1 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 本文的內(nèi)容安排3 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 第二章 半導(dǎo)體封裝中引線鍵合的基本原理4 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 引言 4 HYPERLINK l bookmark30 o Current Docum

13、ent 半導(dǎo)體封裝介紹5 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 鍵合工藝的特點(diǎn) 5超聲波球焊的原理 6 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 超聲波球焊的過程 7初始位置 8第一焊接檢查 9第一焊接 9拉線位置 9第二焊接瞄準(zhǔn) 9第二焊接檢查位置 9第二焊接 9扯絲 9成球位置 10 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 本章小結(jié)10 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 第三章 超聲波球焊設(shè)備的結(jié)構(gòu)和作用11

14、HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 引言 11 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document KS 公司球焊機(jī)介紹11 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 第四章 銅線超聲球焊工藝的幾個(gè)重要因素14 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 引言 14 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 銅線超聲球焊的劈刀 14 HYPERLINK l bookmark52 o Curre

15、nt Document 鍵合的工藝參數(shù) 15鍵合超聲能量 15鍵合壓力溫度時(shí)間 16 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 銅線 16 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 焊盤 17 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 本章總結(jié) 17 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 第五章 銅線工藝設(shè)備和參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整18 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 引言 18

16、HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 銅線焊接工藝要求18焊接位置 18焊點(diǎn)狀況 18弧度要求 18焊線要求 18芯片外觀 19鍵合強(qiáng)度 19 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 銅線材料的性能 19銅線的力學(xué)性能 19銅線的電性能 20銅線的熱學(xué)性能 20銅線優(yōu)勢(shì) 21試驗(yàn)材料及方法 21球焊機(jī)設(shè)備與改進(jìn) 21用 DOE試驗(yàn)法對(duì)銅線球焊參數(shù)進(jìn)行改進(jìn) 22 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 試驗(yàn)結(jié)果與分析 30剪切力與拉力 30弧度 31可靠性 31不

17、良品 31金銅絲球焊焊點(diǎn)金屬間化合物生長(zhǎng) 31金銅絲球焊焊點(diǎn)剪切斷裂載荷和失效模式 32金銅絲球焊拉伸斷裂載荷和失效模式 32 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 銅絲球焊產(chǎn)品的電性能 33銅絲球焊產(chǎn)品的電性能可靠性 33 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 結(jié)論 34 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 本章小結(jié) 34 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 總結(jié)與展望 35 HYPERLINK l boo

18、kmark78 o Current Document 參考文獻(xiàn) 36致 謝 38第一章 緒論 -江蘇科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 第一章 緒論引言隨著半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展，摩爾定律接近失效的邊緣。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上IC 設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測(cè)試各個(gè)環(huán)節(jié)的難度不斷加大，技術(shù)門檻也越來越高，資本投入越來越大。由單個(gè)企業(yè)覆蓋整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈工藝的難度顯著加大。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈向?qū)I(yè)化、精細(xì)化分工發(fā)展是一個(gè)必然的大趨勢(shì)。全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)整體成長(zhǎng)放緩，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整，產(chǎn)能在區(qū)域上重新分配。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)和不發(fā)達(dá)地區(qū)將會(huì)根據(jù)自身的優(yōu)勢(shì)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中有不同側(cè)重地發(fā)展。封裝產(chǎn)能轉(zhuǎn)移將持續(xù)，外包封裝測(cè)試行業(yè)

19、的增速有望超越全行業(yè)。芯片設(shè)計(jì)行業(yè)的技術(shù)壁壘和晶圓制造行業(yè)的資金壁壘決定了，在現(xiàn)階段，封裝測(cè)試行業(yè)將是中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。在傳統(tǒng)封裝工藝中，黃金的成本占比最高。目前采用銅絲替代金絲是一個(gè)大的趨勢(shì)。用銅絲引線鍵合的芯片產(chǎn)品出貨占比的上升有助于提高封裝企業(yè)的盈利能力。半導(dǎo)體封裝的發(fā)展朝著小型化和多I/O 化的大趨勢(shì)方向發(fā)展。具體的技術(shù)發(fā)展包括多I/O 引腳封裝的BGA 和小尺寸封裝的CSP等。WLSCP和 TSV等新技術(shù)有望推動(dòng)給芯片封裝測(cè)試帶來革命性的進(jìn)步。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)品腳位的變多，I/O 口的增多，對(duì)焊線材料的性能要求和成本要求也越來越高。中國(guó)本土的大型封裝測(cè)試企業(yè)為以下幾個(gè)，各有特點(diǎn)：

20、通富微電最直接享受全球產(chǎn)能轉(zhuǎn)移；長(zhǎng)電科技在技術(shù)上穩(wěn)步發(fā)展、鞏固其行業(yè)龍頭地位，產(chǎn)業(yè)規(guī)模全球第七；華天科技依托地域優(yōu)勢(shì)享受最高毛利率的同時(shí)通過投資實(shí)現(xiàn)技術(shù)的飛躍。在半導(dǎo)體分立器件行業(yè)中，封裝成本占了很大比例，而傳統(tǒng)球焊材料金絲在其中占了封裝成本的較大比例。由于近幾年國(guó)際金價(jià)等原材料價(jià)格不斷上升，電子產(chǎn)品的小型化發(fā)展趨勢(shì)越來越明顯，分立器件產(chǎn)品的引腳數(shù)不斷增加，電流特性的增大、焊線絲的變多，導(dǎo)致金絲材料在分立器件產(chǎn)品成本中的所占比例越來越大。而銅金屬相對(duì)金而言，成本只是金價(jià)的1/5000， 并且從材料特性上來看，銅絲的熱傳導(dǎo)性和導(dǎo)電性能比金好，可以考慮用銅絲代替金絲。但因?yàn)殂~線容易被空氣中的氧氣氧

21、化，易引起接觸不良，并且銅硬度較高，只要克服了這些困難就可以大批量的用銅線代替金線，節(jié)約大量的成本。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)在半導(dǎo)體芯片后段封裝工藝中，用金屬線將半導(dǎo)體芯片上的電極焊盤與引線框架焊線工藝是一個(gè)最為重要而且具有挑戰(zhàn)性的工藝環(huán)節(jié)。 傳統(tǒng)的焊線工藝包括熱超聲焊 ， 熱壓焊 ， 超聲楔焊。超聲波壓焊(Wire Bonding) 是一種初級(jí)內(nèi)部互連方法，用作連到實(shí)際的裸片表面或器件邏輯電路的最初一級(jí)的內(nèi)部互連方式，這種連接方式把邏輯信號(hào)或芯片的電訊號(hào)與外界連起來。其它的初級(jí)互連方式包括倒裝芯片和卷帶自動(dòng)焊接 (TAB)，但是超聲波壓焊在這些連接方法中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，所有互連方式中有90%以

22、上都是用這種方法。在這個(gè)數(shù)字中又有約90%采用金線超聲波壓焊，其余的則使用鋁及其它貴金屬或近似貴金屬的材料。近些年來 , 半導(dǎo)體芯片的開發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展非常迅速，單個(gè)芯片的內(nèi)部連線數(shù)已增加到 600 線以上， 而且每個(gè)內(nèi)部連線允許焊接的區(qū)域也隨之縮小到44 微米。 所有這些關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)的改變，都意味焊線工藝技術(shù)需要有一個(gè)全面的改進(jìn)和提升以適應(yīng)新要求，焊線工藝全面改進(jìn)和提升將包括相應(yīng)焊線關(guān)鍵原材料的改進(jìn)，工藝參數(shù)的優(yōu)化和全面質(zhì)量控制。鍵合絲主要應(yīng)用與晶體管、集成電路等半導(dǎo)體器件和微電子封裝的電極部位或芯片與外部引線的連接。銅鍵合絲由于其較高的電導(dǎo)率，優(yōu)良的力學(xué)性能和熱學(xué)性能，在很大程度上提高了

23、芯片頻率和可靠性，適應(yīng)了低成本、細(xì)間距、高引出端元器件封裝的發(fā)展，成為替代傳統(tǒng)鍵合絲的最佳材料。早在 10 年前， 就有人試著用銅線代替金絲作為半導(dǎo)體球焊的引線材料，但當(dāng)時(shí)由于工藝有缺陷，對(duì)該工藝研究不是非常熟悉，在生產(chǎn)過程中控制不好，引起產(chǎn)品質(zhì)量有缺陷，并且由于當(dāng)時(shí)對(duì)產(chǎn)品的體積、密度要求、電流特性要求不是非常高，球焊間距也相對(duì)較大，對(duì)銅絲替換金絲的要求不是太迫切。但隨著近年來對(duì)產(chǎn)品成本、質(zhì)量、電流密度的要求越來越高，金絲占整個(gè)產(chǎn)品比例越來越高，對(duì)銅絲成熟替換金絲的迫切需求也越來越明顯擺在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠家的面前。按照2011 年世界封裝材料市場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)：2011 年全世界封裝材料市場(chǎng)的規(guī)模達(dá)到

24、了228 億美元。而其中鍵合絲的市場(chǎng)規(guī)模大概占整個(gè)材料市場(chǎng)的18.9%，僅次于剛性封裝基板，位于十一種封裝材料的第二位。隨著半導(dǎo)體線寬從90 納米降低到65 甚至 45 納米，提高輸入輸出密度成為必需，要提高輸入輸出密度需要更小鍵合間距，或者轉(zhuǎn)向倒裝芯片技術(shù)，銅線連接時(shí)一個(gè)很好的解決方案，它可以規(guī)避應(yīng)用倒裝芯片所增加的成本。以直徑為20um的焊絲為例，純銅線的價(jià)格是同樣直徑的金線的10%左右，并且隨著金價(jià)的不斷上漲，鍵合銅絲制造技術(shù)的不斷提高與應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，這種鍵合銅絲取代鍵合金絲的競(jìng)爭(zhēng)更加緊迫。除了較低的成本之外，銅線在導(dǎo)電性方面也是優(yōu)于金絲的。銅線比金線導(dǎo)電性強(qiáng)33%。 就機(jī)械性能而

25、言，銅絲的強(qiáng)度也大于金絲的強(qiáng)度。銅線形成高穩(wěn)定線型的能力強(qiáng)過金線，特別是在模壓注塑的過程中，當(dāng)引線收到注塑料的外力作用時(shí)，銅線的穩(wěn)定性強(qiáng)過金線，原因是因?yàn)殂~材料的機(jī)械性能優(yōu)于金材料的機(jī)械性能。正因?yàn)槿绱?，所以?yīng)用要認(rèn)真研究銅線鍵合工藝。與金絲球焊技術(shù)相比，銅絲球焊技術(shù)中存在幾個(gè)主要問題亟待解決：銅絲易氧化，氧化后可焊性差。由于銅線自身的高金屬活性，銅線在高壓燒球時(shí)極易氧化。銅的氧化有兩種情況，一種是在室溫下由于其外表面長(zhǎng)期與空氣接觸而產(chǎn)生的氧化現(xiàn)象，其成分是CU2O， 另一種是在焊接過程中高溫作用下銅與氧氣發(fā)生的反應(yīng)，其成分為CUO，銅線在焊線過程中存在這2 種氧化物，影響了銅線的焊接性能。銅

26、絲及銅球硬度高，在鍵合過程中易對(duì)芯片形成損傷，造成彈坑，而這種彈坑比較難以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品在產(chǎn)線上檢測(cè)測(cè)試時(shí)可能還是好品，但隨著時(shí)間的變化和使用的外界環(huán)境的影響，而最終形成開短路或者軟擊穿，帶來一系列的可靠性問題；形球過程中銅球表面易形成銅氧化物層；封裝后銅絲易受到塑封材料中鹵化物的腐蝕，造成可靠性不合格，焊線形成虛焊等，正是因?yàn)榇嬖谶@些問題，所以必須要研究利用銅線作為鍵合絲的工藝技術(shù)，揚(yáng)長(zhǎng)避短， 形成可靠的電性和機(jī)械物理性能的連接，從而適應(yīng)半導(dǎo)體行業(yè)和器件的發(fā)展。本文的內(nèi)容安排本課題主要研究了在半導(dǎo)體產(chǎn)品封裝鍵合的工藝中，用銅線球焊的工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金線焊接工藝，在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中，克服銅線材料的

27、容易氧化和硬度高的弊端，采用設(shè)備改進(jìn)和工藝參數(shù)調(diào)整的方法，取得產(chǎn)品的更高性能價(jià)格比。本文以 K&S 公司的打線機(jī)設(shè)備為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了工藝參數(shù)和設(shè)備改進(jìn)方法，并研究了產(chǎn)品的電性能、可靠性性能等，對(duì)打線過程中出現(xiàn)的問題提出了改進(jìn)方法，并付諸實(shí)施，明顯改善了產(chǎn)品的穩(wěn)定性并提高了產(chǎn)品的性能價(jià)格比，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了公司的信譽(yù)度和知名度。第 1 章首先介紹了課題研究背景、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)、并闡述了本文主要研究?jī)?nèi)容。第 2章首先介紹半導(dǎo)體封裝引線鍵合的原理和概念，介紹了半導(dǎo)體封裝的各個(gè)工藝流程，指出了引線鍵合的特點(diǎn)，超聲波球焊的原理，詳細(xì)介紹了超聲波球焊的過程，并分析了其基本工作原理。第 3

28、 章介紹了KS公司的球焊設(shè)備的工作原理和主要關(guān)鍵部分的結(jié)構(gòu)。第 4 章討論了銅線超聲球焊過程中銅球形成的原理和銅絲氧化的機(jī)理，首先介紹了劈刀對(duì)銅線超聲球焊的影響，然后介紹了超聲球焊過程中各個(gè)參數(shù)對(duì)銅線球焊過程的影響。第 5 章討論了優(yōu)化調(diào)整銅線產(chǎn)品工藝參數(shù)和設(shè)備的方法，并針對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了性能和可靠性對(duì)比。首先介紹了銅線工藝要求和標(biāo)準(zhǔn)，然后討論了如何改進(jìn)焊線設(shè)備，消除弊端，討論了試驗(yàn)材料和方法，并對(duì)球焊設(shè)備進(jìn)行了具體的調(diào)整與優(yōu)化，對(duì)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)和研究，并對(duì)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品進(jìn)行了綜合性能的評(píng)估，包括電性能和可靠性方面。第二章 半導(dǎo)體封裝中引線鍵合的基本原理2.1 引言自然界的物質(zhì)，按導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱可

29、分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三類。物質(zhì)的導(dǎo)電能力可以用電導(dǎo)率或電阻率 來衡量，二者互為倒數(shù)。物質(zhì)的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，其電 TOC o 1-5 h z 導(dǎo)率越大，電阻率越小1。導(dǎo)電能力很強(qiáng)的物質(zhì)稱為導(dǎo)體。金屬一般都是導(dǎo)體，如銀、銅、鋁、鐵等。原因是其原子最外層的電子受原子核的束縛作用很小，可以自由移動(dòng)，成為自由電子。在外電場(chǎng)個(gè)用下，自由電子逆電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)而形成電流。導(dǎo)體的主要特征是電阻率很小，例如銅的電阻率為1.75 10-8m。絕緣體是導(dǎo)電能力極弱的物質(zhì)。這種物質(zhì)的核外電子被束縛得很緊，因而不能自由移動(dòng)。如橡膠、塑料、陶瓷、石英等都是絕緣體。絕緣體的電阻率大于1014m。半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣

30、體之間的物質(zhì)。其電阻率在10 1013m之間。如硅、 鍺、 硒、 砷化鎵等都屬于半導(dǎo)體。例如， 在 27時(shí)， 純硅的電阻率為21 108m；純鍺的電阻率為47 108m。本章重點(diǎn)研究的是半導(dǎo)體產(chǎn)品的制程。半導(dǎo)體產(chǎn)品從原材料加工成為可以使用的半導(dǎo)體器件需要經(jīng)過半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體芯片制程和半導(dǎo)體產(chǎn)品的封裝測(cè)試等主要 3個(gè)方面的流程。芯片設(shè)計(jì)主要是由設(shè)計(jì)者通過了解當(dāng)前的工藝能力，根據(jù)電子產(chǎn)品線路的需要，利用計(jì)算機(jī)工具軟件，對(duì)芯片的功能和具體線路圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。芯片流片廠主要是通過現(xiàn)有的大規(guī)模投資，具備了時(shí)代最前沿的設(shè)備和工廠，根據(jù)芯片設(shè)計(jì)者的要求，將硅片通過光刻、掩模、腐蝕、擴(kuò)散、再光刻、掩模、腐蝕

31、、擴(kuò)散、蒸鋁等步驟，將單純的硅片變成具有特定功能的半導(dǎo)體芯片2。因?yàn)樾酒旧肀容^脆弱，并且對(duì)環(huán)境要求很高，不能直接在線路板上使用，所以必須要通過封裝等工藝將芯片本身封裝起來，并且引出電性腳出來，便于使用時(shí)候與外部線路進(jìn)行電路的連接。最后還需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行電性測(cè)試，正品出貨給客戶使用。隨著科技的進(jìn)步，產(chǎn)業(yè)化也趨向于專業(yè)加工生產(chǎn)為主，在現(xiàn)代的半導(dǎo)體企業(yè)中，一般都具有比較大型的企業(yè)對(duì)這些步驟進(jìn)行加工：如專門進(jìn)行芯片流片的中芯國(guó)際、華虹 NEC、臺(tái)積電、臺(tái)聯(lián)電等，這些都是芯片制成中的大型企業(yè)，而專門以封裝測(cè)試為主的也有一些，如臺(tái)灣的日月光、美國(guó)的Amkor、大陸的長(zhǎng)電科技等都是業(yè)界的專業(yè)工廠。本文這里主

32、要研究封裝工序中最重要的一個(gè)工序：焊線。第二章 半導(dǎo)體封裝中引線鍵合的基本原理 -江蘇科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 2.2 半導(dǎo)體封裝介紹半導(dǎo)體封裝是指將通過測(cè)試的晶圓按照產(chǎn)品型號(hào)及功能需求加工得到獨(dú)立芯片的過程。封裝過程為：來自晶圓前道工藝的晶圓通過劃片工藝后被切割為小的晶片( Die)，然后將切割好的晶片用膠水貼裝到相應(yīng)的基板(引線框架)架的小島上，再利用超細(xì)的金屬(金錫銅鋁)導(dǎo)線或者導(dǎo)電性樹脂將晶片的接合焊盤(Bond Pad)連接到基板的相應(yīng)引腳(Lead)，并構(gòu)成所要求的電路；然后再對(duì)獨(dú)立的晶片用塑料外殼加以封裝保護(hù)，塑封之后還要進(jìn)行一系列操作，封裝完成后進(jìn)行成品測(cè)試，通常經(jīng)過入檢 In

33、coming、測(cè)試Test和包裝Packing等工序，最后入庫(kù)出貨3。具體流程如下圖 2.1 所示。2.1 半導(dǎo)體封裝流程圖Fig2.1 semiconductor packaging flow chart2.3 鍵合工藝的特點(diǎn)如上圖2.1所示工序中，焊線是將芯片的內(nèi)引線通過金屬線鍵合工藝，連接到半導(dǎo) 體 IC 或 器 件 的 外 引 腳 的 工 序 ， 該 焊 線 工 藝 一 共 分 為 3種 ： 熱 壓 鍵 合(Thermo compression Bonding)，超聲波鍵合(Ultrasonic Bonding與熱壓超聲波鍵合(Thermo sonic Bonding)。 熱壓鍵合是引

34、線在熱壓頭壓力下，高溫加熱(250 )金屬線發(fā)生形變，通過對(duì)時(shí)間、溫度和壓力的調(diào)控進(jìn)行的鍵合方法4。鍵合時(shí)，被焊接的金屬無論是否加熱都需施加一定的壓力。金屬受壓后產(chǎn)生一定的塑性變形，而兩種金屬的原始交界面處幾乎接近原子力的范圍，兩種金屬原子產(chǎn)生相互擴(kuò)散，形成牢固的焊接。超聲波鍵合不加熱（通常是室溫），是在施加壓力的同時(shí)，在被焊件之間產(chǎn)生超聲頻率的彈性振動(dòng)，破壞被焊件之間界面上的氧化層，并產(chǎn)生熱量，使兩固態(tài)金屬牢固鍵合。這種特殊的固相焊接方法可簡(jiǎn)單地描述為：在焊接開始時(shí)，金屬材料在摩擦力作用下發(fā)生強(qiáng)烈的塑性流動(dòng)，為純凈金屬表面間的接觸創(chuàng)造了條件。而接頭區(qū)的溫升以及高頻振動(dòng)，又進(jìn)一步造成了金屬品格

35、上原子的受激活狀態(tài)。因此，當(dāng)有共價(jià)鍵性質(zhì)的金屬原子互相接近到以納米級(jí)的距離時(shí)，就有可能通過公共電子形成了原子間的電子橋， 即實(shí)現(xiàn)了所謂金屬 “鍵合” 過程 5。 超聲波焊接時(shí)不需加電流、焊劑和焊料，對(duì)被焊件的理化性能無影響，也不會(huì)形成任何化合物而影響焊接強(qiáng)度，且具有焊接參數(shù)調(diào)節(jié)靈活，焊接范圍較廣等優(yōu)點(diǎn)。熱壓超聲波鍵合工藝包括熱壓鍵合與超聲波鍵合兩種形式的組合。就是在超聲波鍵合的基礎(chǔ)上，采用對(duì)加熱臺(tái)和劈刀同時(shí)加熱的方式，加熱溫度較低（大約150 ）， 加熱增強(qiáng)了金屬間原始交界面的原子相互擴(kuò)散和分子（原子）間作用力，金屬的擴(kuò)散在整個(gè)界面上進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)金屬線的高質(zhì)量焊接。熱壓超聲波鍵合因其可降低加熱溫

36、度、提高鍵合強(qiáng)度、有利于器件可靠性而取代熱壓鍵合和超聲波鍵合成為引線鍵合的主流。引線鍵合有兩種基本形式：球形鍵合與楔形鍵合。這兩種引線鍵合技術(shù)的基本步驟包括：形成第一焊點(diǎn)（通常在芯片表面），形成線弧，最后形成第二焊點(diǎn)（通常在引線框架基板上）。兩種鍵合形式的不同之處在于：球形鍵合中在每次焊接循環(huán)的開始會(huì)形成一個(gè)焊球，然后把這個(gè)球焊接到焊盤上形成第一焊點(diǎn)，而楔形鍵合則是將引線在加熱加壓和超聲能量下直接焊接到芯片的焊盤上7。2.4 超聲波球焊的原理球形鍵合時(shí)將金屬線穿過鍵合機(jī)毛細(xì)管劈刀（capillary） ， 到達(dá)其頂部，利用氫氧焰或電氣放電系統(tǒng)產(chǎn)生電火花以熔化金屬線在劈刀外的伸出部分，在表面張力

37、作用下熔融金屬凝固形成標(biāo)準(zhǔn)的球形（Free Air Ball ， FAB），球直徑一般是線徑的2 3 倍，緊接著降下劈刀，在適當(dāng)?shù)膲毫投ê玫臅r(shí)間內(nèi)將金屬球壓在電極或芯片上。鍵合過程中， 通過劈刀向金屬球施加壓力，同時(shí)促進(jìn)引線金屬和下面的芯片電極金屬發(fā)生塑性變形和原子間相互擴(kuò)散，并完成第一焊點(diǎn)，然后劈刀運(yùn)動(dòng)到第二點(diǎn)位置，第二點(diǎn)焊接包括楔形鍵合、扯線和送線，通過劈刀外壁對(duì)金屬線施加壓力以楔形鍵合方式完成第二焊點(diǎn)，之后扯線使金屬線斷裂，劈刀升高到合適的高度送線達(dá)到要求尾線長(zhǎng)度，然后劈刀上升到成球的高度。成球的過程是通過離子化空氣間隙的打火成球過程實(shí)現(xiàn)的。球形鍵合是一種全方位的工藝（即第二焊點(diǎn)可相對(duì)

38、第一焊點(diǎn)360o任意角度），球形鍵合一般采用直徑75 m以下的細(xì)金絲，因?yàn)槠湓诟邷厥軌籂顟B(tài)下容易變形、抗氧化性能好、成球性好，一般用于焊盤間距大于100 m 的情況下。球形鍵合工藝設(shè)計(jì)原則：（1） 焊球的初始直徑為金屬線直徑的2 3 倍。 應(yīng)用于精細(xì)間距時(shí)為1 5 倍， 焊盤較大時(shí)為3 4 倍； (2) 最終成球尺寸不超過焊盤尺寸的3 4， 是金屬線直徑的2 5 5 倍；(3) 線弧高度一般為150 um，取決于金屬線直徑及具體應(yīng)用；(4) 線弧長(zhǎng)度不應(yīng)超過金屬線直徑的100 倍； (5) 線弧不允許有垂直方向的下垂和水平方向的搖擺。超聲波球焊的過程焊絲球焊機(jī)是一款利用超聲波焊線技術(shù)，在壓力和

39、超聲波能量共同作用下，用細(xì)小的金線連接IC 芯片電極與框架上的焊盤，從而實(shí)現(xiàn)封裝前的芯片(硅片 )內(nèi)部引線焊接的高科技機(jī)電一體化設(shè)備。主要應(yīng)用于發(fā)光二極管、中小型功率三極管、集成電路及一些特殊半導(dǎo)體器件等內(nèi)部引線的焊接。首先對(duì)焊線機(jī)的動(dòng)作過程作適當(dāng)了解。在焊線前，必須先做好準(zhǔn)備工作，包括機(jī)器的自檢、劈刀的安裝、劈刀穿線，調(diào)整尾絲長(zhǎng)度，手動(dòng)打火燒球一次，將尾絲燒制成一個(gè)金絲直徑2- 5 倍的金球。焊線機(jī)焊一條線的動(dòng)作流程如下圖所示，主要包括以下動(dòng)作：圖 2.2 球焊示意圖Fig2.2 bonding sketch map初始位置開機(jī)或復(fù)位后劈刀停留的位置，或者每次第二焊點(diǎn)焊接完成后，劈刀上升回到

40、的一般要求在初始位置時(shí)，劈刀尖到焊接面距離要大于5 且小于7mm，第一焊接檢查焊頭架開始下降，線夾張開，劈刀下降把金絲拉至劈刀尖端，同時(shí)拉下金絲，當(dāng)劈刀尖下降至焊件一定距離時(shí)停止，該距離調(diào)整為2 倍金球高度，這一位置稱第一焊接檢查位置，此時(shí)線夾處于張開狀態(tài)，在此位置可檢查焊點(diǎn)與劈刀是否對(duì)準(zhǔn)，如果劈刀未對(duì)準(zhǔn)焊打，可移動(dòng)工作臺(tái)，對(duì)準(zhǔn)焊點(diǎn)位置。第一焊接第一焊接檢查完成后，劈刀慢速下移，劈刀碰到被焊面，使變幅桿前端上抬，焊頭尾部檢測(cè)觸打斷開，焊頭停止下移，此時(shí)第一焊接壓力、第一超聲功率通過劈刀施加于焊件上，進(jìn)行第一打焊接，并計(jì)時(shí)。此時(shí)，劈刀在焊件上停留的時(shí)間稱為第一焊接時(shí)間， 第一焊接時(shí)間結(jié)束后，超聲

41、功率輸出結(jié)束，此時(shí)金球焊于IC 芯片內(nèi)部相應(yīng)的焊盤上。拉線位置第一焊接時(shí)間結(jié)束后（ 即第一焊接完畢后） ，焊頭架快速回升，此時(shí)線夾張開，金絲處于釋放狀態(tài)，劈刀上升至預(yù)定位置，這一位置稱拉線位置，也叫拱絲位置。第二焊接瞄準(zhǔn)移動(dòng)工作臺(tái)，用聚光點(diǎn)瞄準(zhǔn)第二焊打，此時(shí)線夾處于張開狀態(tài)，焊絲拉移一定角度，第二焊點(diǎn)移至劈刀下。第二焊接檢查位置在第二焊接瞄準(zhǔn)位置，焊頭架下降至焊件一定距離停下，該距離應(yīng)調(diào)整為2 倍金絲高度，此位置稱第二焊接檢查位置，可進(jìn)行檢查和調(diào)整。第二焊接第二焊接檢查完成后，劈刀慢速下移，劈刀碰到被焊面，使變幅桿前端上抬，焊頭尾部檢測(cè)觸打斷開，焊頭停止下移，此時(shí)第二焊接壓力、第二超聲功率通過

42、劈刀施加于焊件上，進(jìn)行第二打焊接，并計(jì)時(shí)。此時(shí)，劈刀在焊件上停留的時(shí)間稱為第二焊接時(shí)間， 第二焊接時(shí)間結(jié)束后，超聲功率輸出結(jié)束，此時(shí)金線焊于IC 芯片內(nèi)部相應(yīng)的焊盤上。扯絲第二焊接完成后，焊頭快速上升，線夾夾緊金線并將其扯斷。成球位置金線被扯斷的瞬間，打火桿尖對(duì)金線高壓放電，將劈刀尖下的金線燒成金球，(10)回到初始位置打火燒球工序完成后，焊頭回到初始位置，完成一條焊線的焊接。本章小結(jié)本章主要介紹了半導(dǎo)體封裝和其中焊接工藝的概念和特點(diǎn)，從中可以知道，超聲球焊工藝在半導(dǎo)體封裝中起到舉足輕重的作用，因此，要將傳統(tǒng)的金絲球焊改成銅絲球焊，就必須從設(shè)備、材料、工藝、性能等方面進(jìn)行研究和驗(yàn)證，保證產(chǎn)品的

43、性能和可靠性，從而提高半導(dǎo)體器件的性能價(jià)格比。第四章 銅線超波球焊工藝的幾個(gè)重要因素 -江蘇科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第四章 銅線超波球焊工藝的幾個(gè)重要因素 第三章 超聲波球焊設(shè)備的結(jié)構(gòu)和作用引言金絲球焊機(jī)，是一款利用超聲波焊線技術(shù)，在壓力和超聲波能量共同作用下，用細(xì)小的金線連接IC芯片電極與框架上的焊盤，從而實(shí)現(xiàn)封裝前的芯片（硅片）內(nèi)部引線焊接的高科技機(jī)電一體化設(shè)備。它的功能主要在封裝前，用金絲連接芯片內(nèi)部電路或?qū)?nèi)部電路與管腳連接。KS 公司球焊機(jī)介紹1、了解球焊機(jī)器上的設(shè)備原理。下圖 3.1 所示設(shè)備是KS公司生產(chǎn)的球焊設(shè)備。該設(shè)備廣泛應(yīng)用于各半導(dǎo)體公司的焊線工序，一般來說包括以下幾個(gè)部

44、分：圖 3.1 KS 公司球焊機(jī)Fig 3.1 wire bonding of KS圖 3.2 KS 公司球焊機(jī)結(jié)構(gòu)Fig 3.2 structure of wire bonding machine（ 1）電源控制臺(tái)包括電源供應(yīng)器、資料存儲(chǔ)系統(tǒng)、電路控制以及散熱系統(tǒng)。（ 2） XY工作臺(tái)（XY Table）包括有二個(gè)線性伺服馬達(dá)以驅(qū)動(dòng)整個(gè)工作臺(tái)到達(dá)定點(diǎn)位置。（ 3）焊線頭（Bond Head） ：位于XY工作臺(tái)上，主要是完成產(chǎn)品的焊線動(dòng)作。（4） 影像處理系統(tǒng)：將產(chǎn)品的影像進(jìn)行辨認(rèn)工作并將影像傳送到屏幕，包含有兩個(gè)改良掃描的鏡頭、直斜燈裝置、透鏡與反射鏡與影像控制板，主要作用為辨識(shí)及搜尋芯片與

45、引線框架，控制影像的亮度以及提供軟件與硬件所支援影像和圖像的使用界面。（ 5）送線系統(tǒng)：提供焊線到焊線頭以進(jìn)行焊線動(dòng)作，送線系統(tǒng)控制板處理光學(xué)感應(yīng)器的訊號(hào)驅(qū)動(dòng)。12 英寸直徑的線軸，提供充足的焊線完成送線的動(dòng)作。并且提供真空清潔焊線，另外還有偵測(cè)焊線的質(zhì)量的功能。6） 進(jìn)料系統(tǒng)：將待焊線產(chǎn)品從進(jìn)料區(qū)導(dǎo)入焊線工作區(qū)以及完成的產(chǎn)品退料到成品區(qū)，包含有進(jìn)料升降機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)和退料升降機(jī)構(gòu)。7）緊急停止按鈕：在緊急狀態(tài)下，停止機(jī)臺(tái)的電源供應(yīng)。8）人機(jī)界面：提供操作者與機(jī)臺(tái)的溝通界面。9）顯微鏡：在調(diào)試機(jī)器時(shí)，觀察機(jī)器的各個(gè)動(dòng)作是否正常。10）信號(hào)燈塔：設(shè)置的各個(gè)信號(hào)燈的控制和顯示，主要是在正常工作時(shí)能及

46、時(shí)起到提示操作人員和維修員便捷的知道機(jī)器的狀態(tài)。11）蜂鳴器：與信號(hào)燈塔一起工作，提示該機(jī)臺(tái)處于何種狀態(tài)下。12）工作燈：起到照明作用。13）屏幕：人機(jī)交互界面，輸入輸出工作設(shè)置和機(jī)臺(tái)的參數(shù)與狀態(tài)。13.3 本章小結(jié)本章主要介紹了KS公司的球焊機(jī)的設(shè)備構(gòu)成，包括總體架構(gòu)和關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)兩部分，介紹了各個(gè)部分構(gòu)成和功能。第四章 銅線超聲球焊工藝的幾個(gè)重要因素引言銅線超聲球焊工藝是在金線球焊工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但由于銅線與金線的物理性質(zhì)的區(qū)別，所以，需要對(duì)各項(xiàng)工藝因素進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。如果只是按照金線球焊的 設(shè)備和工藝參數(shù)進(jìn)行銅線球焊工藝，會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成很嚴(yán)重的影響。因此，需要先了解 有哪些重要的材料和參

47、數(shù)需要優(yōu)化，做什么樣的優(yōu)化，從而才能對(duì)銅線超聲球焊工藝 試行批量性的生產(chǎn)。本章針對(duì)銅絲球焊技術(shù)的鍵合因素，包括劈刀、工藝參數(shù)（超聲 能量、壓力、溫度）以及銅絲、焊盤制造工藝等幾個(gè)方面開展了一系列研究工作。銅線超聲球焊的劈刀銅絲球焊中所使用的鍵合設(shè)備與金絲球焊大致相同。為解決形球過程中銅球易氧化的問題，研究人員研制出銅絲球焊形球防氧化保護(hù)裝置，如Kulicke&Sofa 開發(fā)的“ Copper Kit ”。該裝置在形球過程中引入純氮或氮?dú)浠旌蠚怏w，對(duì)銅球進(jìn)行保護(hù)以防氧化物的形成。銅絲鍵合技術(shù)對(duì)鍵合工具劈刀的設(shè)計(jì)也提出了新的要求。劈刀的主要結(jié)構(gòu)特征有內(nèi)腔、劈刀嘴部外圓直徑、面角度、劈刀嘴部表面拋光

48、度、中心角等。與金絲球焊用劈刀相似，銅絲球焊用劈刀設(shè)計(jì)主要考慮因素有焊盤間距、焊盤窗口尺寸以及金屬絲直徑等。銅絲球焊技術(shù)對(duì)劈刀面角度以及劈刀嘴部外圓直徑要求更高，合適的面角度與外圓直徑匹配能夠鍵合出理想的第一、二焊點(diǎn)，并有效提高焊點(diǎn)可靠性。銅絲球焊中劈刀的面角度適用范圍為011O度。另外，由于銅球、銅絲硬度較高，銅絲球焊用劈刀需要進(jìn)行表面耐磨處理，選擇更耐磨的陶瓷作為劈刀材料，以提高銅絲球焊用劈刀的使用壽命。隨著塑封材料的發(fā)展，無鹵化物環(huán)保型塑封料成功取代傳統(tǒng)塑封料，封裝后銅絲易受腐蝕的問題得到有效緩解。球焊所使用的劈刀外形與焊線過程的位置如下圖4.1 所示。圖 4.1 焊線劈刀的外形與焊線過

49、程的位置Fig 4.1 shape of capillary and position for bonding鍵合的工藝參數(shù)鍵合超聲能量鍵合超聲能量是焊點(diǎn)質(zhì)量的主要影響因素。超聲能量的作用包括增加金屬球的變形，擠壓焊盤上金屬層，增加金屬原子的遷移率和晶格位錯(cuò)密度，減小金屬材料的屈服強(qiáng)度以利于金屬間的擴(kuò)散連接。銅絲球焊中由于銅絲、焊盤表面附著氧化物、污染物，必須依靠超聲能量去除它們以改善可焊性能。超聲能量過大將導(dǎo)致焊點(diǎn)疲勞，降低其連接強(qiáng)度；能量過小，去除污染物不充分，導(dǎo)致焊點(diǎn)連接失敗或形成虛焊。針對(duì)這一矛盾，Nguyen等人提出采用兩階段的超聲施加方式，第一階段能量主要用來去除污染物和氧化物，第

50、二階段能量主要用于連接，第二階段超聲能量為第一階段的3050。研究結(jié)果表明這種超聲能量施加方法可以提高銅球焊點(diǎn)連接強(qiáng)度。另外， 結(jié)果還顯示銅球焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度與第一階段的超聲能量大小有直接關(guān)系，與第二階段關(guān)系不大。研究發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)方向?qū)Φ诙更c(diǎn)的抗拉強(qiáng)度有著較大的影響，當(dāng)振動(dòng)方向平行于線弧方向時(shí)，低溫銅氧化物會(huì)直接影響到第二焊點(diǎn)與引線框架的連接質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)方向?qū)更c(diǎn)尺寸也有較大的影響，在金焊盤或陶瓷焊盤上，振動(dòng)方向平行于線弧方向的第一焊點(diǎn)的直徑要大于垂直方向的焊點(diǎn)直徑。超聲振動(dòng)頻率對(duì)鍵合質(zhì)量也有一定影響。目前，絲球焊中使用的超聲頻率多為60140 kHz。研究發(fā)現(xiàn)在金焊盤上和鋁焊盤上，

51、采用100 kHz超聲頻率獲得的焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于60 kHz超聲頻率下的焊點(diǎn)。盡管采用超聲振動(dòng)頻率為60 kHz后所獲得的工藝參數(shù)窗口要大于超聲振動(dòng)頻率為100 kHz 的工藝參數(shù)窗口，但100 kHz 超聲振動(dòng)的顯著優(yōu)點(diǎn)是使鍵合時(shí)間降低 20工藝參數(shù)窗口增大60%，并保持焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度不變。鍵合壓力溫度時(shí)間鍵合工藝參數(shù)除超聲能量以外，鍵合溫度、鍵合壓力以及鍵合時(shí)間等對(duì)焊點(diǎn)性能也有著很大的影響。鍵合壓力控制著銅球變形量，對(duì)焊點(diǎn)形貌影響很大。鍵合壓力又決定了銅球底部與焊盤的實(shí)際接觸面積，對(duì)焊點(diǎn)連接強(qiáng)度有著很大的影響。在超聲施加之前用一個(gè)較大的壓力使銅球充分變形，并在超聲能量施加后適當(dāng)減小鍵合壓

52、力以減輕對(duì)芯片的損傷。兩階段的壓力大小比例在24： 1 左右。鍵合時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)引起焊點(diǎn)尺寸、連接強(qiáng)度的變化。時(shí)間過短，能量輸入不足，焊點(diǎn)連接不充分；時(shí)間過長(zhǎng)，能量輸入過大，銅球變形過于嚴(yán)重，內(nèi)部出現(xiàn)滑移、重結(jié)晶等現(xiàn)象，還可能引起焊點(diǎn)連接疲勞效應(yīng)，另外焊點(diǎn)和焊盤之間產(chǎn)生較有影響的內(nèi)應(yīng)力，給銅球焊點(diǎn)可靠性帶來隱患。如果銅絲表面出現(xiàn)較多的氧化物時(shí)，可以適當(dāng)加長(zhǎng)鍵合時(shí)間，以保證充分去除氧化物。鍵合溫度的主要作用有：軟化金屬表面上的氧化層，確保金屬氧化物層在較小的載荷下被撕裂開來；軟化金屬本身，使得它們?cè)谕饬ψ饔孟赂菀装l(fā)生塑性變形；促進(jìn)連接面上金屬原子的擴(kuò)散能力；提供除鍵合能量、壓力等以外的能量，促進(jìn)

53、鍵合過程的順利進(jìn)行。銅絲球焊中，過高的鍵合溫度會(huì)加重銅絲的氧化，不利于連接并對(duì)產(chǎn)品的可靠性產(chǎn)生不良影響；但過低的鍵合溫度不能保證銅球焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度。針對(duì)超聲功率以及鍵合壓力對(duì)銅球焊點(diǎn)質(zhì)量的影響作了相應(yīng)研究，結(jié)果表明在適當(dāng)范圍內(nèi)，銅球焊點(diǎn)的剪切力及直徑隨超聲能量的增大而增大，而焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度隨之減?。绘I合壓力對(duì)銅球焊點(diǎn)剪切力的影響不明顯，但對(duì)銅球焊點(diǎn)外形有較大影響。隨著鍵合壓力的增大，銅球焊點(diǎn)直徑增大，剪切強(qiáng)度下降過大或過小的鍵合壓力都可能導(dǎo)致芯片出現(xiàn)芯片損傷8。銅線銅材料在常溫下極易氧化，在溫度高于40的環(huán)境中氧化速度更快，并因沒有自保護(hù)能力而向縱深發(fā)展。銅絲球焊工序中有許多場(chǎng)合的環(huán)境溫度遠(yuǎn)高于

54、40oC，銅絲的氧化將不可避免并導(dǎo)致銅絲可焊性的退化。銅絲組織結(jié)構(gòu)對(duì)第二焊點(diǎn)的形狀、強(qiáng)度也有較大的影響。研究發(fā)現(xiàn)銅絲球焊第二焊點(diǎn)的形狀主要由銅絲晶粒尺寸與銅絲直徑的比例所決定的，如果在銅絲橫截面上能同時(shí)存在數(shù)個(gè)晶粒并相互交錯(cuò)將能獲得可靠的第二焊點(diǎn)。另外當(dāng)銅絲晶粒尺寸與銅絲直徑不匹配時(shí)會(huì)削弱銅絲拉弧的穩(wěn)定性。以上問題對(duì)銅絲制造工藝提出新的要求。通過摻雜、回火工藝可以使銅絲的機(jī)械性能、晶粒組織發(fā)生改變，從而提高其可焊性。焊盤金屬焊盤作為芯片電路與外界電路聯(lián)系的窗口，承擔(dān)著傳送電流、疏散熱量等任務(wù)，在鍵合過程中還須能有效緩沖外界壓力以保護(hù)芯片不受損傷。目前焊盤材料多為鋁及鋁合金焊盤。鋁焊盤表面易形成

55、氧化物，對(duì)焊點(diǎn)連接有一定的影響，鋁焊盤上氧化物層厚度若超過20nm會(huì)嚴(yán)重降低焊盤的可焊性能。采用等離子清洗法對(duì)焊盤上氧化物及污染物進(jìn)行表面處理，發(fā)現(xiàn)焊盤表面的微觀組織有所改變，焊盤表面上的氧成分明顯減少。這種方法可以有效去除焊盤表面的氧化物及污染物，但會(huì)對(duì)焊盤周圍的散熱層造成一定的傷害。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，鋁焊盤不能很好的滿足更快、更可靠的電學(xué)性能要求，因此銅絲與銅焊盤的直接連接形式成為新的發(fā)展方向。銅焊盤的主要優(yōu)勢(shì)在于低電阻率、低電遷移、高響應(yīng)速度等，銅焊盤的應(yīng)用對(duì)絲球焊工藝提出挑戰(zhàn)，其關(guān)鍵問題就是如何防止銅焊盤被氧化。裸露的銅焊盤表面極易形成氧化物層，如果銅焊盤上氧化物層超過5 nm后

56、其可焊性將大大削弱。通過研究發(fā)現(xiàn)銅焊盤上的氧化物萌生于晶粒邊緣區(qū)域并向內(nèi)部逐漸發(fā)展，其氧化速度與晶面取向有關(guān)。銅焊盤上氧化面積超過1020時(shí)，焊盤可焊性將明顯下降。針對(duì)以上問題，在銅焊盤上加上保護(hù)層，鍵合過程中再利用超聲振動(dòng)將保護(hù)層去除，實(shí)現(xiàn)銅絲到銅芯片的直接連接而不需要中介層的過渡?，F(xiàn)行發(fā)展的保護(hù)層材料有金屬材料、有機(jī)材料和無機(jī)材料，研究發(fā)現(xiàn)在銅焊盤上覆蓋有機(jī)材料進(jìn)行防氧化保護(hù)可以獲得性能很好的銅球焊點(diǎn)，連接后銅焊盤上的有機(jī)材料能被充分去除，形成的銅焊點(diǎn)連接強(qiáng)度高。本章總結(jié)在實(shí)現(xiàn)銅線球焊的過程中，涉及到的設(shè)備和工藝參數(shù)的要求都比較高，在利用銅絲的優(yōu)良的電性能達(dá)到產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)性能時(shí)，也同時(shí)需要解

57、決銅線不耐氧化和硬度高的問題。通過各項(xiàng)工藝參數(shù)和設(shè)備的調(diào)整，可以使銅線球焊工藝達(dá)到一個(gè)較高的性能水平。第五章 銅線工藝設(shè)備優(yōu)和參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整 -江蘇科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第五章 銅線工藝設(shè)備和參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整引言前面一章介紹的是銅線工藝涉及到的各個(gè)因素，由于材料不同，相比于傳統(tǒng)的金 絲球焊工藝，需要調(diào)整和優(yōu)化設(shè)備和工藝參數(shù)，根據(jù)該工藝的特性，需要制定不同的 檢驗(yàn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。本一章對(duì)調(diào)整的具體參數(shù)、如何調(diào)整，成品的性能和可靠性方面進(jìn)行 研究，找到最為合理的工藝要求和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并檢驗(yàn)了產(chǎn)品的性能和可靠性。銅線焊接工藝要求焊接位置焊接面積不能有1/4 以上在芯片壓點(diǎn)之外，或觸及其他金屬體和沒有鈍化層

58、的劃片方格； TOC o 1-5 h z 在同一焊點(diǎn)上進(jìn)行第二次焊接時(shí)，重疊面積不能大于之前焊接面積的1/3 ；引線焊接后與相鄰的焊點(diǎn)或芯片壓點(diǎn)相距不能小于引線直徑的1 陪。焊點(diǎn)狀況鍵合面積的寬度不能小于引線直徑的1 倍或大于引線直徑的3 倍；焊點(diǎn)的長(zhǎng)度不能小于引線直徑的的1 倍或大于引線直徑的4 倍；不能因?yàn)槿蔽捕斐涉I合面積減少1/4 ，絲尾的總長(zhǎng)度不能超出引線直徑2 倍；鍵合的痕跡不能小于鍵合面積的2/3 ，且不能有虛焊和脫焊；焊球大?。汉盖虻闹睆綉?yīng)該大于2 倍金線直徑，小于4 陪金線直徑。焊球厚度：焊球的厚度應(yīng)該大于1.2 倍金線直徑，小于2.5 倍金線直徑?；《纫?最低：第一點(diǎn)的高

59、度應(yīng)該高出低二點(diǎn)的高度，形成第一由點(diǎn)到第二點(diǎn)的拋物線形狀；最高：不能高出晶片本身厚度的2 倍。拉力控制：焊線要求引線不能有任何超過引線直徑1/4 的刻痕，損傷，死彎等；引線不能有任何不自然拱形彎曲，且拱絲高度不小于引線直徑的6 倍，彎曲后拱絲最高點(diǎn)離芯片的距離不應(yīng)小于2 倍引線直徑；不能讓引線下垂，在芯片邊緣上或其距離小于引線直徑的1 倍；引線松動(dòng)而造成相鄰兩引線間距小于引線直徑的1 倍或穿過其他引線和壓點(diǎn)；焊點(diǎn)預(yù)引線之間不能有大于的30 度的夾角。芯片外觀不能因?yàn)殒I合而造成芯片的開裂，傷痕和銅線短路；芯片表面不能因?yàn)殒I合而造成的金屬熔渣，斷絲和其他不能排除的污染物； 芯片壓點(diǎn)不能缺絲，重焊或

60、未按照打線圖的規(guī)定造成錯(cuò)誤鍵合。鍵合強(qiáng)度對(duì)于 25 um線徑拉力應(yīng)該大于5g， 23 um線徑拉力應(yīng)該大于4g， 30um銅線線徑拉力應(yīng)該大于7g(當(dāng)做破壞性試驗(yàn)時(shí)，斷點(diǎn)不應(yīng)該發(fā)生在焊點(diǎn)上)；對(duì)于 25 um 線徑要求銅線剪切力度大于25g；框架不能有明顯的變形，管腳，基底鍍層表面應(yīng)該致密光滑，色澤均勻呈白色，不允許有沾污，水跡，異物，發(fā)花，起皮，起泡等缺陷。銅線材料的性能銅絲與金絲相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，采用銅絲超聲鍵合不但可以大大降低器件制造成本，提高競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而且銅絲各種優(yōu)良的性能也加速了其在電子封裝業(yè)的應(yīng)用。銅絲優(yōu)良的性能主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：銅線的力學(xué)性能鍵合絲的力學(xué)性能，即絲的破斷力