WB工藝技術課件

WB工藝報告一、IC封裝發(fā)展趨勢1.1芯片封裝工藝1.2芯片與封裝的互連1.3微電子封裝和PCB板之間的互連1.4封裝密度正愈來愈高二、IC封裝工藝2.1等離子清洗工藝2.2WB工藝2.3推拉力測試一、IC封裝發(fā)展趨勢1.1芯片封裝工藝從逐個管芯封裝到出現(xiàn)了圓片級封裝，即先將圓片劃片成小管芯，再逐個封裝成器件，到在圓片上完成封裝劃片后就成器件。1.2芯片與封裝的互連從引線鍵合（WB）向倒裝焊（FC）轉變。1.3微電子封裝和PCB板之間的互連已由通孔插裝(PTH)為主轉為表面貼裝（SMT）為主。1.4封裝密度正愈來愈高封裝密度的提高有三方面：（1）硅片的封裝效率=硅芯片面積/封裝所占印制板面積=Sd/Sp不斷提高；（2）封裝的高度不斷降低；（3）引線節(jié)距不斷縮小；引線布置從封裝的兩側發(fā)展到封裝的四周，到封裝的底面。這樣使單位封裝體積的硅密度和引線密度都大大提高。等離子體清洗技術的最大特點是不分處理對象的基材類型，均可進行處理，對金屬、半導體、氧化物和大多數(shù)高分子材料，如聚丙烯、聚脂、聚酰亞胺、聚氯乙烷、環(huán)氧、甚至聚四氟乙烯等都能很好地處理，并可實現(xiàn)整體和局部以及復雜結構的清洗。正確的等離子體清洗不會在表面產(chǎn)生損傷層，表面質量得到保證；由于是在真空中進行，不污染環(huán)境，保證清洗表面不被二次污染。2.1.2.1等離子清洗分類等離子體與固體表面發(fā)生反應可以分為物理反應（離子轟擊）和化學反應。物理反應機制是活性粒子轟擊待清洗表面，使污染物脫離表面最終被真空泵吸走；化學反應機制是各種活性的粒子和污染物反應生成易揮發(fā)性的物質，再由真空泵吸走揮發(fā)性的物質。（1）物理反應主要是利用等離子體（如Ar）里的離子作純物理的撞擊，把材料表面的原子或附著材料表面的原子打掉，由于離子在壓力較低時的平均自由程較長，有得能量的累積，因而在物理撞擊時，離子的能量越高，越是有的作撞擊，所以若要以物理反應為主時，就必須控制較低的壓力下來進行反應，這樣清洗效果較好。（2）化學反應在化學反應里常用的氣體有氫氣（H2）、氧氣（O2）、甲烷（CF4）等，這些氣體在電漿內反應成高活性的自由基，這些自由基會進一步與材料表面作反應。其反應機理主要是利用等離子體里的自由基來與材料表面做化學反應，在壓力較高時，對自由基的產(chǎn)生較有利，所以若要以化學反應為主時，就必須控制較高的壓力來近進行反應。例如氧氣等離子體形成過程如下：2.1.2.2等離子種類（1）低溫及高溫等離子體

等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體兩類，在等離子體中，不同微粒的溫度實際上是不同的，所具有的溫度是與微粒的動能即運動速度質量有關，把等離子體中存在的離子的溫度用Ti表示，電子的溫度用Te表示，而原子、分子或原子團等中性粒子的溫度用Tn表示，對于Te大大高于Ti和Tn的場合，即低壓體氣的場合，此時氣體的壓力只有幾百個帕斯卡，當采用直流電壓或高頻電壓做電場時，由于電子本身的質量很小，在電池中容易得到加快，從而可獲得平均可達數(shù)電子伏特的高能量，對于電子，此能量的對應溫度為幾萬度（K），而弟子由于質量較大，很難被電場加速，因此溫度僅幾千度。由于氣體粒子溫度較低（具有低溫特性），因此把這種等離子體稱為低溫等離子體。當氣體處于高壓狀態(tài)并從外界獲得大量能量時，粒子之間的相互碰撞頻率大大增加，各種微粒的溫度基本相同，即Te基本與Ti及Tn相同，我們把這種條件下得到的等離子體稱為高溫等離子體，太陽就是自己界中的高溫等離子體。由于高溫等離子體對物體表面的作用過于強烈，因此在實際應用中很少使用，目前投入使用的只有低溫等離子體。2.1.2.3等離子體與物體表面的作用在等離子體中，除了氣體分子、離子和電子外，還存在受到能量激勵狀態(tài)的電中性的原子或者原子團（又稱自由基），以及等離子體發(fā)射出的光線，其中波的長短、能量的高低在等離子體和物質表面相互作用時有著重要作用。（1）原子團等自由基與物質表面的反應由于這些自由基呈電中性，存在壽命較長，而且在等離子體中的數(shù)量多于離子，因此自由基在等離子體中發(fā)揮著重要作用，自由基的作用主要表現(xiàn)在化學反應過程中能量傳遞的“活化”作用，處于激發(fā)狀態(tài)的自由基具有較高的能量，因此易與物質表面分子結合時形成新的自由基，新形成的自由基同樣處于不穩(wěn)定的高能量狀態(tài)，很可能發(fā)生分解反應，再變成較小分子的同時生成新的自由基，這種反應過程還可能繼續(xù)進行下去，最后分解成水、二氧化碳之類的簡單分子。在另一些情況下，自由基與物質表面分子結合的同時，會釋放出大量的結合能，這種能量又成為引發(fā)新的表面反應推動力，從而引發(fā)物質表面上的物質發(fā)生化學反應而被除去。

2.1.3等離子清洗應用在微電子封裝的生產(chǎn)過程中，由于指印、助焊劑、各種交叉污染、自然氧化等，器件和材料表面會形成各種沾污，這些沾污會明顯地影響封裝生產(chǎn)過程中的相關工藝質量。使用等離子體清洗可以很容易清除掉生產(chǎn)過程中所形成的這些分子水平的污染，保證工件表面原子與即將附著材料的原子之間緊密接觸，從而有效地提高引線鍵合強度，改善芯片粘接質量，減少封裝漏氣率，提高元器件的性能、成品率和可靠性。國內某單位在鋁絲鍵合前采用等離子體清洗后，鍵合成品率提高10％，鍵合強度一致性也有提高。在微電子封裝中，等離子體清洗工藝的選擇取決于后續(xù)工藝對材料表面的要求、材料表面的原有特征、化學組成以及污染物的性質等。通常應用于等離子體清洗的氣體有氬氣、氧氣、氫氣、四氟化碳及其混合氣體等。（2）等離子體清洗對基板焊盤的影響

引線鍵合是基板和芯片之間的主要連接方式之一，在微電子封裝中，基板和芯片之間有大量的引線鍵合。除了引線絲質量、超聲能量、時間、壓力和溫度對引線鍵合產(chǎn)生影響外，基板上焊盤的表面特性對其也有重要的影響?；搴副P上的污染物（如氧化物和碳氫化合物）會降低表面質量和明顯地降低引線鍵合的成功率，彌散于空間中的污染含量達到1g/m3就會極大地影響引線鍵合的強度。因此在引線鍵合前清洗焊盤表面是十分重要的。(3)等離子體清洗銅引線框架引線框架封裝仍是目前封裝的主流，銅合金由于具有良好的導熱性能、電性能、加工性能以及較低的價格被用作主要的引線框架材料。但是銅的氧化物和其他的一些污染物會造成模塑料與銅引線框架分層，降低器件的可靠性，進而影響到芯片粘接和引線鍵合的質量。因此保持引線框架的清潔是保證封裝可靠性重要的一步。試驗結果表明，氧化時間的增長會降低拉力。氧化物厚度的增長也會降低引線鍵合區(qū)上鍵合絲的拉力。當引線框架經(jīng)過預氧化和等離子體清洗后，拉力得到了大幅度的提高，尤其是經(jīng)過Ar等離子體清洗2.5min的樣品提高更加明顯。上述結果的一個可能的解釋是，氬等離子體濺射增加了表面的微小粗糙度，從而使機械性能增強和增大了化學反應的表面積?？捎迷恿︼@微鏡（AFM）觀察表明的形貌和微粗糙度。經(jīng)過氬等離子體清洗，短時間清洗后表面非常明顯地變粗糙了，長時間的清洗后表面變得光滑。而采用氬氫等離子體清洗，表面的形貌不發(fā)生變化，并且時間不對其產(chǎn)生影響，這可以解釋為什么氬氫等離子體清洗對拉力沒有顯著的影響。(4)陶瓷封裝電鍍前等離子體清洗

陶瓷封裝中通常使用金屬漿料印制線作鍵合區(qū)、蓋板密封區(qū)。在這些材料的表面電鍍Ni、Au前采用等離子體清洗，可去掉有機物沾污，明顯提高鍍層質量。2.1.4結論

濕法清洗雖然在現(xiàn)有的微電子封裝生產(chǎn)中占據(jù)主要地位，但是其帶來的環(huán)境以及原料消耗問題不容忽視。而作為干法清洗中最有發(fā)展?jié)摿Φ牡入x子體清洗，則具有不分材料類型均可進行清洗、清洗質量好、對環(huán)境污染小等優(yōu)點。等離子體清洗技術在微電子封裝中具有廣泛的應用，主要用于去除表面污物和表面刻蝕等，工藝的選擇取決于后序工藝對材料表面的要求、材料表面的原有特征、化學組成以及表面污染物性質。將等離子體清洗引入微電子封裝中，能夠顯著改善封裝質量和可靠性。但是采用不同的工藝，對鍵合特性、引線框架的性能等的影響有很大差異。例如，對鋁鍵合區(qū)采用氬氫等離子體清洗一段時間后，鍵合區(qū)的粘接性能有明顯提高，但是過長的時間也會對鈍化層造成損害；對焊盤采用物理反應機制等離子體清洗會造成“二次污染”，反而降低了焊盤的表面特性；對銅引線框架采用兩種不同機制的等離子清洗，拉力測試的結果有很大差異。因此，選擇合適的清洗方式和清洗時間，對提高封裝質量和可靠性是十分重要的。2.2WB工藝2.2.1WB定義引線鍵合是一項運用微細金屬線以及通過熱量、壓力及超聲波能的組合作用達到電氣互連的技術。其亦是將兩種金屬材料（金線與鍵合襯墊表面）“親密接觸”的固相熔接技術。一旦兩種金屬緊密結合，將會產(chǎn)生電子的跨區(qū)遷移、共享以及不同原子的互相擴散，于是便形成了引線鍵合工藝的打點抑或連接點。

2.2.2WB種類（1）熱壓焊接（TCB）利用微電弧使φ25~φ50um的Au絲端頭熔化成球狀,通過送絲壓頭將球狀端頭壓焊在裸芯片電極面的引線端子,形成第1鍵合點；然后送絲壓頭提升，并向基板位置移動且在基板對應的導體端子上形成第2鍵合點，完成引線連接過程。2.2.3WB形式（1）楔形焊接這種方法因劈刀形狀為楔形而得名。劈刀的截面一般是圓形和矩形。這種方法常用來焊接較細的引線和較小的電極。由于楔形辟刀的壓力使引線產(chǎn)生凹槽，如果焊接參數(shù)控制不當，凹槽太深就會削弱焊點的鍵合強度。并且，楔壓焊不易做到自動送絲。因此，這種方法的生產(chǎn)效率會比較低。如圖3.1所示圖3.1楔形焊接示意圖圖3.2球形焊接示意圖（2）球形焊接這種方法又稱為針頭熱壓焊或金絲球焊法。它可以避免凹槽現(xiàn)象的產(chǎn)生。還可以在不增大引線直徑的情況下，提供較大的焊接面積，并可以做到自動送絲。如圖3.2所示金絲我們主要用純度、線徑、延展性、抗拉強度和熱影響區(qū)域等幾個參數(shù)來描述金線的性能。線徑：根據(jù)不同產(chǎn)品的要求,我們通常所用線徑有0.6mil、1.0mil、1.2mil、1.3mil、2.0mil等幾種。延展性：我們知道，金是一種延展性很好的金屬，在引線鍵合工藝中，延展性指的是一米的金線所能拉伸最大余量所占原長的百分比?？估瓘姸龋褐附鹁€拉伸至斷裂所用力的臨界值。熱影響區(qū)域：在超聲波-熱壓-金球焊過程中，打火成球的一瞬間，金線是暴露在高溫下的。在金球成型后，露于劈刀外的球頸由于高溫的作用，相較于金線的其他部分晶粒變大且硬度減小將近20%，我們把這部分暴露在外的脆弱的金線叫做熱影響區(qū)。熱影響區(qū)的長度和其晶粒大小很大程度上影響到了線弧的形狀和強度。鋁絲和硅鋁絲

鋁絲和硅鋁絲是微電子器件內引線的主要材料之一，廣泛運用于平面型器件及集成電路中。用作器件內引線的鋁絲的純度為99.999%，由于鋁的表面容易生成堅硬的高熔點氧化層(AL2O3），所以加工成極細的鋁絲比較難。純鋁絲在使用前應進行退火處理，退火可在或真空氣氛中進行，退火溫度為400~500oC，如果退火不當，鋁絲顯得太硬，影響焊接。純鋁絲的主要缺點是抗拉強度低。為了改善純鋁絲的抗拉強度，目前采用硅鋁絲，即在純鋁中摻入1%的硅，這樣既便于拉絲加工，也有利于焊接。2.2.5WB主要參數(shù)影響（1）超聲功率超聲功率是超聲波熱壓焊的基本條件。焊接依靠超聲規(guī)律使劈刀振動，從而使引線塑性變形和去除界面的氧化層，使焊點實現(xiàn)真正的冶金鍵合。功率過大，引線過多磨損而導致行變太大，造成焊點抗拉強度減弱，嚴重的損壞鋁層破壞芯片表面。功率太小，則起不到焊接作用。不同直徑的引線所需的功率不同，直徑粗的引線要求超聲波功率大一些。（2）鍵合溫度鍵合溫度也是熱壓焊的基本條件。在一定的壓力和焊接持續(xù)時間下，若溫度過低則不能形成鍵合；若溫度過高，焊點變形很厲害，以致減弱鍵合的機械強度。并且管芯在過高的溫度下進行焊接，其電參數(shù)會變壞，甚至成為廢品。（3）鍵合壓力鍵合壓力是超聲波焊的必要條件。這里所指的是焊點處的垂直靜壓力。施加壓力的目的是為了使引線與電極金屬化層緊密地接觸。壓力太小，劈刀不能牢固地壓住引線，超聲功率不能傳遞到引線與電極金屬化層的交界面，不能使引線與電極金屬化層產(chǎn)生相對摩擦，以致焊不牢。壓力過大時，引線的變形增大，會切斷引線或破壞電極金屬化層。因此，選擇適當?shù)膲毫κ呛附拥年P鍵。在一定的超聲波功率和焊接持續(xù)時間的情況下，不同規(guī)格直徑的金絲，在焊接時需加的靜壓力也不同，粗的引線需加的壓力要大些。（4）鍵合時間鍵合時間是超聲焊的充分條件。在一定的超聲功率與壓力下，焊接持續(xù)時間太短，焊點處的引線與電極區(qū)金屬化層的表面吸附層和氧化膜還沒有清除，或者還沒有形成原子間的冶金鍵合超聲振動就停止了，這樣都會造成焊不牢的現(xiàn)象。如果焊接持續(xù)時間太長，使金絲和鋁層在長時間的超聲振動下摩擦，造成引線與金屬層損傷很厲害，輕者使焊點機械強度減弱，重者會被破壞焊點。在具體熱壓焊接過程中，超聲波功率、焊接溫度、壓力及焊接持續(xù)時間四者之間，只能在可焊情況下適當調整。其中任何一參數(shù)的增加或減少都可以用其它幾個參數(shù)來補償。但是，不能在一個很大范圍內變動。此外，為了在低溫實驗中不至于因引線的收縮而繃斷壓點，在熱壓焊接時引線走向要略有弧度，不可太松或太緊。（2）表面污染，原子擴散受影響焊盤上及厚膜導體的雜質污染是引線鍵合可焊性和可靠性下降的一個主要原因。包括芯片、管殼、劈刀、金絲、鑷子各個環(huán)節(jié)均可能造成污染。外界環(huán)境凈化度不夠，可造成灰塵污染；人體凈化不良，可造成有機物及鈉污染等；芯片、管殼等未及時處理干凈，殘留鍍金液，可造成鉀及碳污染等，這種污染屬于批次性問題；金絲、管殼存放過久，不但易被污染，而且易老化，金絲硬度和延展率也會發(fā)生變化。（3）鍵合參數(shù)不合理金絲鍵合中影響金球與基板鍵合強度的因素多種多樣，除了超聲、溫度以及壓力之外，燒球質量、劈刀質量、金絲線的拱度、手動操作時的平穩(wěn)性以及運動機構的穩(wěn)定性等因素都直接影響鍵合的效果。（4）金屬間合金化合物隨著時間的延長和溫度的升高，鍵合界面總會產(chǎn)生這些金屬間化合物，金屬間化合物的晶格常數(shù)、膨脹系數(shù)及形成過程中體積的變化都是不同的，而且多是脆性的，導電率較低，少量的金屬間化合物，對界面鍵合強度起一定強化作用，過多的金屬間化合物就出現(xiàn)鍵合強度降低、變脆、以及接觸電阻變大等情況，最終可導致器件在開路或器件的電性能退化，所以必須適當控制工藝盡金屬間化合物的生成。在Au-A1鍵合系統(tǒng)中，采用的是Au絲熱壓焊工藝，由于在高溫(300℃以上)下，金向鋁中迅速擴散，金的擴散速度大于鋁擴散速度，結果出現(xiàn)了在金層一側留下部分原子空隙，這些原子空隙自發(fā)聚積，在金屬間化合物與金屬交界面上形成了空洞，形成柯肯德爾效應。當柯氏效應一空洞增大到一定程度后，將使鍵合界面強度急劇下降，接觸電阻增大。（5）人為因素引線表面骯臟；金屬絲傳送角度不對；楔通孔中部分堵塞；用于夾斷引線的工具骯臟；夾具間隙不正確；夾具所施加的壓力不對；金屬絲拉伸錯誤。現(xiàn)象故障原因排除方法金絲壓不牢劈刀位置未安裝在最佳點調整劈刀位置金絲氧化調換金絲框架鍍金層疏松，不緊密改進電鍍工藝鋁層太薄或發(fā)灰改進蒸發(fā)工藝器件松動緊固器件金絲不變形金絲、劈刀、焊件可能沾上油污或水等臟物用丙酮、無水乙醇清洗，并烘干金絲較硬金絲退火或調換壓力太小增加壓力金絲易斷劈刀端面太小或劈刀端面不平調換劈刀功率，壓力太大；焊接持續(xù)時間太長適當調整三者關系金絲滑脫壓力太小增加壓力金絲直徑大于劈刀端面調換劈刀劈刀不平調換劈刀金絲粘劈刀劈刀端粗糙調換劈刀壓點發(fā)黑壓力不夠增大壓力2.2.7WB出現(xiàn)的問題及其解決方案2.2.8總結隨著IC封裝尺寸的減小，新材料、新封裝形式COB、MCM等的應用，對于引線鍵合技術提出了更高的要求。當前先進的IC封裝設備基本上被國外大公司所壟斷，如美國的US、瑞士的ESEC、日本的TOSOK，NEC等。面對國外的技術封鎖，迫切需要掌握關鍵封裝技術，自主開發(fā)高性能的封裝設備。因此，有必要進一步加深WB技術的開發(fā)。2.3推拉力測試2.3.1拉力測試（BPT)集成電路內引線鍵合質量，檢驗的內容包括鍵合位置的檢驗、焊點狀態(tài)的檢驗、鍵合引線的質量檢驗和鍵合強度(引線拉力試驗)等幾個方面。本次試驗通過考察鍵合強度(引線拉力試驗)來評定引線鍵合質量，