（机械电子工程专业论文）超细间距引线键合第一键合点影响因素研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 引线键合是应用时间最长、技术最为成熟且目前市场占有率最高的：芯片封装技 术。由于市场对小体积、高集成度和高散热率芯片的需求量与日俱增，引线键合工 艺的关键参数焊盘间距也不断缩小以满足市场要求。因此，除了需要不断提高 键合机硬件性能外，开发满足超细间距引线键合要求且性能稳定的键合工艺也十分 必要。为此，本课题组对影响超细间距引线键合第一键合点质量各主要因素进行了 深入分析，采用正交试验法对相关因素进行了试验研究并得到相应的试验结果。 对当前主要的三种芯片连接技术引线键合、载带焊和倒装焊的工艺过程进行 了详细的阐述，从i o 点的密集程度、电气性能、工艺复杂性和成本等方面比较了不 同工艺的优缺点，指出超细间距引线键合技术在今后相当长的时间内仍将占据市场 主导地位。 引线键合过程中有很多因素会对键合质量产生影响。从硬件( p r s 系统，劈刀， 超声系统) 、键合参数和环境等方面对第一键合点的影响程度和规律进行了分析，为 正交试验中各因素的选取提供了依据。 对试验平台各组成功能模块进行了详细的介绍。基于对影响第一键合点质量因素 的分析和预试验结果确定了试验研究因素及各自的水平值，并针对试验因素数量较 多的特点将试验设计分为两阶段。按照正交试验法进行试验，并利用极差分析法、 方差分析法和趋势图对试验数据进行了分析，对影响键合球直径的各因素的影响程 度进行了排序，得出影响键合球直径的关键参数，并对参数进行优化组合以满足 6 0 9 m 超细间距引线键合的需要，为深入了解第一键合点质量的影响机理和规律提供 了依据。 系统总结了全文的工作，对后续的研究工作提出了建议，为今后的工作制订了目 标。 关键词：超细间距引线键合芯片封装正交试验法 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i r eb o n d i n gi st h em o s tc l a s s i c a la n dm a t u r et e c h n i q u ef o ri c p a c k a g e ，w h i c hp l a y s t h em o s t i m p o r t a n t r o l ei ni cp a c k a g em a r k e t a st h ed e m a n d i n c r e a s i n gs t e a d i l y f o rs m a l l v o l u m e h i g hd e n s i t y a n d h i g h h e a t - d i s s i p a t i o nr a t ei c ，t h ek e yp a r a m e t e ro fw i r eb o n d i n g 一p a dp i t c hh a st os h r i n ki n a c c o r d a n c e w i t hs u c hu n d e r s t a n d i n g ，i na d d i t i o nt oi m p r o v e m e n t si nw i r eb o n d e rh a r d w a r e ，i ti s n e c e s s a r yt od e v e l o pas t e a d yw i r eb o n d i n gp r o c e s sw h i c hs a t i s f i e st h er e q u i r e m e n t sf o r f i n e p i t c h w i r eb o n d i n g ， t h i sd i s s e r t a t i o nc a r r i e so u tat h o r o u g hs t u d yo nt h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h e1 s t b o n dq u a l i t yi nf i n e p i t c h w i r e b o n d i n g ，a n dt h r o u g hb r o a de x p e r i m e n tb a s e do n o r t h o g o n a l t e s to nt h e s e f a c t o r s ，c o r r e s p o n d i n g r e s u l t sa r ed r a w n s t a r t i n gf r o md i s c u s s i n gt h ed e t a i l so nt h ep r o c e s s e so f f f l r e em a i n c a t e g o r i e so fi c i n t e r c o n n e c t i o nt e c h n i q u e si np r a c t i c ew h i c ha r cw i r eb o n d i n g ，t a b ，a n df l i p c h i p ，t h i s d i s s e r t a t i o n a n a l y z e s t h e i rm e r i t sa n ds h o r t c o m i n g sf r o md i f f e r e n t v i e w p o i n t s i ni o d e n s i t y , e l e c t r i c a lp e r f o r m a n c e ，a n dc o s t s i ti sp o i n t e do u tt h a tf m ep i t c hw i r eb o n d i n g w o u l ds t i l ls h a r em o s t p a r to f t h e m a r k e ti nq u i t ea l o n g f u t u r e m a n yf a c t o r sw o u l da f f e c tw i r eb o n d i n gp r o c e s s t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h e i r e f f e c t sa n d c o r r e s p o n d i n ga f f e c t i n gr o u t i n e sf r o ma s p e c t so f b o n d e rh a r d w a r e ( p r ss y s t e m ， c a p i l l a r y , u l t r a s o u n ds y s t e m ) ，b o n d i n gp a r a m e t e r sa n dc o r r e s p o n d i n ge n v i r o n m e n t se t c d e r i v e dr e s u l t sp r o v i d et h er i g h ts e l e c t i o no f t h ef a c t o r si no r t h o g o n a lt e s t e v e r ys u b s y s t e mi nt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r ma r ei n t r o d u c e di nd e t a i l f a c t o r sa n d r e s p e c t i v e f a c t o rl e v e la r cd e c i d e d b y 1 s t b o n d i n gq u a l i t ya n a l y s i s i na d d i t i o nt o p r e - e x p e r i m e n tr e s u l t s t h ee x p e r i m e n ti sd i v i d e di n t o2s t a g e ss i n c et h e r ea r es om a n y f a c t o r s t h e1 s ts t a g ee x p e r i m e n tf a c t o rl e v e lt a b l ea n do r t h o g o n a lt a b l ea r ed e v e l o p e di n a c c o r d a n c e t h ee x p e r i m e n ti sc o m p l e t e db a s e do no r t h o g o n a lt e s tp r o g r a m ，a n dt h ee x p e r i m e n t d a t aa r ea n a l y z e dw i t ht h eh e l po fp o l a rd i f f e r e n c ea n a l y s i sm e t h o d ，v a r i a n c ea n a l y s i s m e t h o da n dm a i ne f f e c tp l o t a l lf a c t o r sa r es o r t e di na c c o r d a n c ew i t hi n f l u e n c et ot h e d i a m e t e ro ft h ef i r s tb o n d ，t h ek e yv a r i a b l e sa r ei d e n t i f i e d p a r a m e t e rs e ti so p t i m i z e dt o f u l f i l lt h er e q u i r e m e n t so f6 0 u mf i n ep i t c hw i r eb o n d i n g t h r o u g ht h e s er e s u l t s ，f u r t h e r s t u d i e so nt h eis tb o n d i n gm e c h a n i s mm a dc o r r e s p o n d i n gr o u t i n e sw o u l db e n e f i tf r o m i i 华中科技大学硕士学位论文 p r e s e n t e dw o r k s a b o v e f i n a l l y , s u m m a r yh a sb e e ng i v e nt h ee n do f t h i sd i s s e r t a t i o n ，a n ds o m ea d v i c e sh a v e b e e n p u t f o r w a r df o r s u b s e q u e n t r e s e a r c h n e wa i m s h a v eb e e ns e tf o rf u t u r ew o r k k e y w o r d s ：u l t r af i n ep i t c hw i r eb o n d i n gi c p a c k a g eo r t h o g o n a lt e s t i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：即唐 日期：( 厶年r 月f 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密时。 ( 请在以上方框内打“”) 指导教师签名：客1 车 e l 期：伊年 月j e t 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题的来源 1 绪论 本课题“超细间距球引线键合工艺的研究”来源为国家高技术研究发展计划( 八 六三计划) 机器人主题资助项目：“超细间距引线键合关键技术的研究”，项目编号： 2 0 0 2 a a 4 2 1 2 1 0 ，作者负责该项目工艺试验的设计、试验及结果分析。 1 1 2 课题的目的和意义 现代电子工业，特别是航空、航天以及便携式计算机、移动通信、汽车及消费类 电子领域的急速发展不断向电子产品提出更高的要求。电子产品必须具有高智能、 功能多、重量轻、体积小、厚度薄、易于携带、速度快、可靠性高和价格低的特点。 为摆脱产品笨重、体积庞大的束缚，各种产品朝轻薄短小的趋势发展，对l c 芯片的 小面积、高集成度与高散热率的需求日增，采用系统化高端芯片的比率也相对增加。 为顺应这种发展趋势，高端芯片的设计均向降低耗电量、缩小体积与多功能整合的 趋势发展，因此各高端芯片设计公司不断强化复合技术与系统解决方案能力。为满 足集成组件大厂与芯片设计公司相关的需求，全球主要专业代工大厂无不积极发展 更精细的封装与测试技术，以共同突破研发技术上的瓶颈。 为适应产品需求，如计算机芯片、绘图芯片、通信网络等轻薄短小产品的快速发 展，同时为顺应线宽逐渐减小的发展趋势，后封装技术亦不断强化封装间距缩小的 能力，以配合日益缩小的芯片面积。由于常用的引线键合技术中焊盘沿芯片四周分 布，因此采用减小焊盘尺寸并缩小相邻焊盘间距是提高封装密度的最有效的方法， 超细间距封装技术也应运而生。近年来高i o 脚数及缩小芯片焊盘尺寸与间距的设 计，已成为i c 发展的趋势，也使得超细间距封装技术的重要性与日俱增。现阶段光 刻技术的特征尺寸线宽由0 3 5 微米逐渐缩小为o 2 5 微米、o 1 8 微米至目前9 0 纳米。线宽每一次缩小，后封装焊盘间距也须跟着缩小。对封装测试厂商而言，芯 片面积缩小的效益可直接反应在产品成本的大幅降低，同时使i c 芯片体积缩小和芯 片功能增加。由于采用细间距封装，可在更小的裸芯片内容纳同样的i o 数，于是同 华中科技大学硕士学位论文 样大小的晶圆可产出的数量更多的芯片，生产的成本相应降低。以超细间距封装技 术作后盾i c 单位面积的集成度大幅增加，i o 数也相应增多，芯片内电路的内部连 接数更是倍增，因此在相同单位芯片面积可实现更多的功能。 究竟多小的焊盘间距可被归类为超细间距封装，事实上并没有一定的标准范围， 而是在不同时间点上，依照当时的技术水准，有不同的定义。现阶段，一般认为当 焊盘间距6 0 l i m 时，我们称此时的引线键合工艺为超细间距引线键合工艺。 随着芯片结构和焊盘间距逐渐减小，第一键合点直径也越来越小，因此第一键合 点质量的稳定性对于超细间距引线键合尤其重要。在超细间距键合条件下，各键合 参数、键合工具、金线的微小变化都可能对引线键合工艺过程带来很大的影响。键 合工艺在不同型号或相同型号不同机器问移植时，机器问的微小差异也会对第一键 合点质量造成很大影响，使机器准备时间增加。因此采用传统的通过提高键合机硬 件的精度并且对影响第一键合点质量的各因素的公差进行比例缩小的方法来开发适 适应更小焊盘问距的引线键合工艺已很难满足要求，且这样开发的引线键合工艺也 不稳定。而必须对超细焊盘问距条件下各键合参数对键合工艺的影响有很充分的了 解，并在此基础上对键合机各键合参数进行优化使键合工艺有较强的适应性才能保 证键合过程的顺利进行，同时也有利于减少工艺准备时间和提高工艺的可移植性。 从以上观点出发，本课题组对超细间距引线键合工艺第一键合点各主要影响因素 进行了充分研究，通过分析各关键工艺参数与工艺过程的关系，讨论了不同工艺参 数对第一键合点直径的影响程度和规律。并以k & $ 1 4 8 4 型全自动球引线键合机为试 验平台，进行大量的工艺试验，对试验数据所做的分析和结论有利于支持国内相关 技术的发展。 1 2 引线键合技术的国内外发展趋势 1 2 1 引线键合技术的发展 在超细间距下，焊盘间距的每一次减小都给引线键合工艺的开发带来了很大的困 难，促使设备供应商和工艺工程师不断努力以满足要求。 1 1 引线键合设备的发展 引线键合速度和精度不断增加，对制造装备的极限能力提出了严峻的挑战。主要 特点有：高控制精度、高加速度( 1 5 9 ) 、高制造精度和高可靠性。现有运动平台的机 构设计理论和运动控制技术不能满足引线键合设备对对准和定位精度的更高要求， 因此需要研究新的运动设计和控制方法，以实现平稳、快速、精确定位。由于引线 华中科技大学硕士学位论文 键合设备工作在高加速度状态，必然存在非线性摩擦和传动误差等不确定性因素， 如何有效地补偿控制系统的不确定因素是获得高速高精运动的关键和难点。此外， 封装设备在高速运行下，需要伺服驱动系统快速起停，系统易出现振动，尤其是高 频振动。因此，如何消除高频振动就成为封装设备控制中一个重要的课题。对控制 软件而言，由于键合速度不断提高，因此对软件的实时性有十分严格的要求。引线 键合需要多个子系统通过多道工序相互配合完成决定了其控制系统要具有同时并发 多个任务的能力且能很好处理各任务间同步或者异步的关系，此外控制软件还要有 较好的人机交互界面，并支持工业以太网以满足与其他设备和控制中心的信息传递。 国外研究机构主要从高速高精运动控制、高频率超声系统、复合振动模式、电火 花参数等方面对超细间距引线键合机进行研究，如t a m l l i 研究了用于键合驱动的线 性驱动系统，它包括线性永磁同步马达和基于d s p 的全数字p w b i 驱动单元，其加 速度可达1 5 g ，定位精度达l l x m 。s w o r l 2 1 利用外差分干涉仪测量了超声引线键合 中沿键合方向的振动分布，利用有限元方法计算了共振频率和振动波形，并对引线 键合的超声系统进行了动力学分析。j i r o m a r ut s u j i n o ! 圳研究了键合运动模式，证明 复合运动或者圆周运动能够实现更为牢固的焊点。在视觉定位精度方面，a d e p t 公司 宣称已研制出了可以实现1 4 0 亚象素定位精度的新算法。 2 ) 引线键合工艺的发展 由于焊盘间距减小，键合点的尺寸也随之减小，从而降低了键合点的强度，同时 缩小了工艺窗口，提高了超细键合工艺对键合参数的敏感程度。因此，研究键合工 艺尤其是对超细间距条件下各键合参数对键合质量的影响进行研究逐渐成为重点1 5 j 。 目前对超细键合工艺进行研究以提高其鲁棒性的方法主要有两种：一是采用实时 工艺检测的方法。如r p u f a l l 6 1 提出在变幅杆靠近劈刀处安装力传感器，在换能器附 近安装压电传感器分别对键合力、超声波振幅进行实时工艺检测，信号经滤波放大 后传给p c ，通过比较键合力信号的波形及超声波振幅信号的二次谐波波形与键合质 量的关系对键合质量迸行直接判定，然后与相应的工艺参数数据库比较后对键合参 数进行调整。j o h nd i t r i t 7 】采用在热台中嵌入压电传感器以对键合质量进行实时检测。 二是采用新的试验设计方法和算法。如j a u l i n gc h e n 喁】采用神经网络的方法对影响 金球直径的参数进行了研究，并得出了电火花的电流和维弧时间对金球的成形影响 最大。s u r e s hk u m 一9 】采用e c h i p 公司开发的e c h i p 和k & s 公司开发的m i c r o - s w i s s p r o e e s sw i n d o wa n a l y z e r 分析软件对试验结果进行分析。j i j ua n t o n y 【l0 j 采用 s t a t i s t i c a l l vd e s i g n e de x p e r i m e n t ( s d e ) 对试验结果进行分析。b o bc h y l a k 1 q 采用有限 元方法对劈刀内腔形状对第一键合点质量的影响进行研究等。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 我国在键合设备和键合工艺方面的研究【1 2 l 我国的封装技术落后，首先是人才的缺乏。封装技术很少能作为一个专业甚至是 一门课程进入我国高等院校的课堂，因此现在从事封装的技术人员大多是学非所用。 从6 0 年代开始，从晶体管外壳的仿制到d i p 陶瓷外壳的研制，经过技术人员的不断 努力，我国的封装技术也取得了一定的发展，目前虽然已形成了由7 个芯片生产企 业、1 0 余个封装厂、2 0 余家芯片设计公司构成的产业结构，但由于科研与生产体制 脱节、投资分散、政策不配套、没有形成大的研发队伍，目前仍未建立具有自主开 发与持续发展的微电子产业。在封装技术方面，由于过去封装技术常常被忽视，各 方面对封装技术的支持不利，使我国封装技术发展缓慢。目前，国外的高可靠单片 i c 的封装技术已达到很高的水平，如封装芯片面积可达1 5 0 0 咖2 ，而我国现在最高 只有7 0 8 0 脚2 国外生产封装的键合引线数可达3 0 0 线以上，而我国目前的最高水 平大约在1 0 0 线左右。而其他新型芯片互连技术如载带焊接，倒装焊等我国与国外 先进水平的差距更大。随着i t 行业的竞争加剧以及我国的加入w t o ，使得世界电 子制造业的中心转向亚洲和中国。据预测，2 0 1 0 年我国电子信息产业市场容量将达 到6 万亿元，中国将发展成为全球最大的电子信息市场。半导体市场的快速发展造 成了大量技术需求，中央和地方政府部门纷纷投资建立相关的研究基地，相关领域 的学术交流和活动非常活跃。从而为我国在先进电子制造业实现跨越数十年的发展 提供了千载难逢的机遇。目前国内研究的主要精力主要在封装设备及相关技术的研 究上，针对半导体后封装设备的特点和实现电子制造技术跨越式发展的需要确定了 日前急需解决的若干关键技术，主要有高加速度、高精度运动系统的建模与设计， 键合界面结合机理、键合参数匹配规律与键合头( b o n d i n gh e a d ) 结构设计、基于实时 机器视觉的精密定位，高精度、快响应力传感和力位混合控制等，并给予了大量的 资金支持。在此背景下，各相关高校和科研机构纷纷参与电子封装设备的研制和开 发中。如中南大学在总装备部的支持下建立了微电子封装材料与装备研究中心，同 时与a s m 公司合作进行半自动引线键合机开发。北京理工大学与a s m 公司合作进 行键合机工作台方面的研究，上海交通大学在上海市科委的支持下，成立了微电子装 备研究中心，开展面向p c b 板的表面贴装技术和f l i pc h i p 方面的研究。华中科技大 学利用第一期“2 1 i 工程”项目建设资金投入5 0 0 万元经费建起了近4 0 0 平方米的洁 净实验室并购进了如低频引线键合枫、贴片键合机、高速高精工作台、直线电机等 高精尖设备和仪器，并与商巨公司进行键合设备的开发。通过这些年的研究，在国 内已经形成了一批深入到该领域的前沿研究的优秀人才队伍，在键合设备研制方面 4 华中科技大学硕士学位论文 已取得了若干重大成果。其中华中科技大学与商巨合作开发的“s w l 2 8 型全自动转 头式楔焊机”和中国电子科技集团公司第4 5 所以k & s 为原型开发的“y j h 9 5 0 全自 动引线键合机”代表我国在键合设备研制方面的较高水平。 而在键合工艺方面，尤其是超细间距引线键合工艺方面的研究在国内几乎是空 白，目前仅有一些半导体器件生产厂家会对某一特定的产品做工艺试验。键合： 艺 研究的缺乏将严重制约我国高端引线键合设备的研制。因此国家也逐渐加大对键合 工艺方面的投入并拟将芯片封装过程多因素影响规律及实时控制的理论和方法作为 主要研究方向之一。本课题组结合自己的技术实力和目前国内的现状，以k & s 1 4 8 4 引线键合机为试验平台，采用正交试验法安排试验并用极差分析法、方差分析法和 趋势图法对试验结果进行分析，对超细引线键合中第一键合点的各影响因素进行试 验研究。所得试验结果和相关结论有利于我国超细引线键合工艺研究工作的开展并 为开发具有我国自主知识产权的超细间距引线键合机打下了基础。 1 3 课题研究的主要内容及本论文的主要工作 本课题主要对第一键合点质量的影响因素进行了分析，并采用正交试验法研究各 因素对第一键合点直径的影响程度和规律并得出了相关结论。 全文共分六章，具体内容如下： 第一章：介绍了课题的来源、目的和意义，对相关的文献进行了综述，提出了采 用正交试验法设计试验，并用极差分析法、方差分析法和趋势图法对试验结果进行 分析，以对超细引线键合中第一键合点的各相关因素进行试验研究的方案。 第二章：介绍了当前最主要的三种芯片封装工艺引线键合、载带焊和倒装焊 的主要工艺过程，并从i o 点的密集程度、电气性能、工艺复杂性和成本等方面对 各种不同工艺的优缺点进行了分析，对其应用场合进行了分析和阐述。 第三章：从硬件( p r s 系统，劈刀，超声系统) 、键合参数和使用环境等方面分 析了各因素对第一键合点的影响情况，并为下一章正交试验中各研究因素的选取提 供了依据。 第四章：详细介绍了试验平台的性能指标和主要硬件组成结构。并对测量、观察 设备的性能和耗材也做了简要阐述。根据试验研究因素较多的特点将试验分为两个 阶段完成，并按照正交试验法设计了相关试验表格。 第五章：按正交试验法完成两阶段试验，并采用极差分析法、方差分析法和趋势 图法对试验结果进行了详尽的分析，对影响第一键合点直径的各因素进行排序并得 出了相应的试验结果。 华中科技大学硕士学位论文 第六章：全文总结与展望 6 华中科技大学硕士学位论文 2ic 封装相关技术 2 1l c 封装的功能和基本层次 微电子封装包括组装和封装，一般说来，电子封装对半导体集成电路和器件有四 个功能，即：为半导体芯片提供机械支撑和环境保护；接通半导体芯片内部的电流 通路：提供信号的输入和输出通路；提供热通路，散逸半导体芯片产生的热。可以 说，电子封装直接影响着集成电路和器件的电、热、光和机械性能，还影响其可靠 性和成本。同时，电子封装对系统的小型化也起着关键作用。因此，集成电路和器 件要求电子封装具有优良的电性能、热性能、机械性能和光学性能，同时必须具有 高的可靠性和低的成本。 微电子封装般可分为四个层次，即： 1 ) 0 级封装芯片层次上的互连，即光刻后金属化布线； 2 ) 一级封装芯片( 单芯片或多芯片) 上的i o 与基板互连，即将芯片在基板上固 定、芯片焊盘与框架焊盘互连以及密封、隔离保护等。根据芯片的数量又可分为 单芯片封装与多芯片封装，根据不同的二级封装形式，一级封装还可分为通孔型 封装和表面安装型封装两大类； 3 ) 二级封装将封装好的元器件或多芯片组件用印刷电路板( p c b ) 组装成电子 部件、插件或小整机： 4 ) 三级封装电路板或卡板连入整机母板上成为电子整机。 图2 1 微电子封装的四个层次 华中科技大学硕士学位论文 2 2 芯片内部连接技术 目前主要的芯片内部连接技术有三种，分别为引线键合，载带焊和倒装焊。 图2 2 三种芯片连接技术示意图 2 2 1 引线键合 l 引线键合机制 引线键合技术由美国贝尔实验室于1 9 5 7 年发明，历史最悠久且目前应用最为广 泛的芯片内部连接技术。总体来说，半导体器件和微电子电路的引线键合有两大类： 一是球引线键合，另一个是楔引线键合。由于在楔引线键合过程中需要频繁地旋转 键合头，因此其键合效率较球引线键合低，故只在某些特殊条件下使用。根据键合 条件的不同，球引线键合还可以分为以下三种方法： 1 ) 热压键合法：热压键合法的机制是低温扩散和塑性流动( p l a s t i c f l o w ) 的结合使 原予发生接触，导致固体扩散键合。承受压力的部位在一定的时间、温度和压力 的周期中，接触的表面就会发生塑性变形和扩散。该方法主要用于金线键合。 2 ) 超声键合法：超声键合是塑性流动与摩擦的结合，利用了石英晶体的电致伸缩效 应。当石英晶体上通电时，石英晶体伸延，与之相连的变幅杆将伸延幅度放大。 当断开电压时，变幅杆就会相应收缩。振幅非常小，一般在4 5 个微米，震动 频率从几十k h z 到一百多k h z 不等，人体触摸感觉不到。在变幅杆的末端装上 焊具，当焊具随着变幅杆伸缩前后振动时，焊丝就在键合点上摩擦。在负载的作 用下，超声能量被金属丝吸收，并将键合界面的氧化层破坏，使洁净的金属暴露 出来。在一定压力的作用下，焊盘金属与键合引线金属间发生原子相互扩散而完 成冷焊。该键合方法可用金线或铝线键台。 3 ) 热超声键合法：键合过程中同时施加热量和超声能量，主要用于金线键合。 4 ) 三种引线键合方式的比较 华中科技大学硕士学位论文 表2 1 三种引线键台方式的比较 优点 缺点 热 1 键合参数较少，控制简单2 键合村科( 金丝11 对键台表面的清洁度要求较高2 须使用 压 不会臆裂3 键合方向不受限制( 球键合) 4 可 高温( 一般高于3 0 0 c ) 产生较大的热应力 键 键合比较粗糙的表面5 可键合易碎而不宜使用和变形会影响器件质量3 键合力大，加快 合超声源的器件 球焊焊具的磨损4 要求所链台材料不易氧 化 超 1 对键合表面的清洁度要求较低i2 无空洞虚1 控制方法较复杂 2 键合四周，特别是压 亩 焊发生；3 只需较低的室内温度：4 焊点小焊丝末端易脆裂；3 键合表面光滑度要求 键较高；4 键合方法单一由前向后 合 热1 所需温度较熟压键合低，有利于提高键台点1 控制方法复杂，影响键合质量因素多， 超寿裔；2 可键合不艟承受高温的器件3 键合速需调整热、压力、时同、功率等f2 在温 亩 度快，金属问化台物均匀度较高时。会发生虚焊及金属间隔层；3 键 键台表面清洁度要求较高 合 由上表可以发现热超声球键合方法在键合过程中同时使用热能和超声波能量，键 合效率高。由于超声能量的使用，其键合温度较单纯施加热能的热压键合法要低得 多，有效的避免了键合过程中器件的老化并减少了残余应力产生，提高了键合强度 和成品率。因此目前多采用热超声球键合方法，也是本论文的主要研究对象。 2热超声球引线键合的主要工艺过程 1 1 热超声球引线键台的主要工艺过程流程图 9 华中科技大学硕士学位论文 图2 3 热超声球键合主要工艺流程图 2 ) 热超声球引线键合的主要工艺过程分解1 1 4 , 1 5 l 图2 4 为热超声球键合的工作状态示意图，工作台由热电耦加热，在芯片和热电 耦之间有一热台以使芯片受热均匀。引线键合时压板和热台配合动作将芯片固定在 ：【作台上。 ”“”暇号亥斧 图2 4 热超声球键合的：r 作状态示意图 1 0 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 形成金属熔球( 图2 5 ) ：电子打火发生系统在电子打火杆( e f ow a n d ) 和上一键合周期完成后形成的金线尾丝间产乍约4 k v ( k & s1 4 8 4 引线键合机) 的高电压。由于电场强度较大，电极与引线附近的空气最先电离，即分解成负电 子和正离子；此后负电子和正离子分别向阳极和j 月极迅速移动，在此过程中又冲 击空气中的其他原予，使其电离，如此连锁反应使电极与引线端面的空气被击穿， 形成了屯弧，产f 的高温将金线尾丝熔化，准重力和表面张力的作用下，熔化的 金线形成球状( f a b ) 。可通过设置打火电流和时间来控制打火强度。 倒2 5 电子f j 火熔球 ( 2 ) 引线夹将金线上提，使金属熔球在劈刀顶端的圆锥孑l 内定位。这一过程 十分必要，在劈刀圆锥孔内定位好的金属熔球在劈刀施加键合力时可保证键合力 沿其几何中心作用，使金属熔球的变形按预想的进行。 ( 3 ) 在运动控制卡的控制下，键合头下降到第一键合点上方预先设置的搜索 高度( 1 s tb o n ds e a r c hh e i g h t ) 位置处。此时运动控制卡处于速度模式下，劈刀 以较快速度下降，以提高键合效率。 ( 4 ) 通过搜索高度后，劈刀以速度c v ( c o n s t a n t v e l o c i t y ) i 向下运动，此时运动 控制乍处于力模式f ，力反馈信号由位于变辐杆尾端的力传感器( 或通过侦测电 机电流) 获得。当劈刀接触到焊盘后继续向下移动直到侦测到劈刀所受阻力达到 设置的冲击力大小。根据要求劈刀可将此力保持一段时间，使金属熔球发生足够 的变形。此时金属熔球和焊盘金属问没有或只有少量金属间化合产生。 ( 5 ) 第一键合点形成：劈刀在金属熔球上施加一定大小的键合力，同时超声 波发生系统( u s g ) 开始作用，振动幅度经变辐杆放大后作用在劈刀顶端。在热 量、超声能量和键合力的综合作用下。金属熔球和焊盘金属间发生原予迁移，在 其接触面上形成一层金属间化合物( 图2 7 ) 从而完成第一键合点金线与焊盘间 的物理联接。 声 图2 6 第一键合点形成图27 第一键合点截面图 ( 6 ) 键合头上升到“t o po f l o o p ”位置，这个位真是根据每个线弧的形状进 行计算、调整并精确给出的。然后进行断线检测，判断第一点键合是否成功。 f 7 ) 在运动控制卡的控制下，x y z 运动轴按照轨迹联动，键合头到达第二键 合位置上方( 图2 8 ) 。无论是键合头上升到“t o po fl o o p ”位置，还是下降到 第二点搜索高度“2 n db o n ds e a r c hh e i g h t ”位置处，都需要精确的运动算法，保 证线弧为所需要的形状。一般情况下，在键合机硬盘中都存有一定数量的典型键 合线形的数据库，在实际使用中只需要调用相应的线形或在已有线形基础上稍做 修改即可满足要求。此时，在线弧形成过程中还需施加一定的超声波能量以减小 劈刀移动过程中金线与劈月问的摩擦。 图2 8 线弧形成 ( 8 ) 劈刀下降与引线框架焊盘接触，调用“第二键合点参数”进行楔键合 ( w e d g eb o n d ) ，与第一键合点不同的是第二键合点不形成金属熔球。劈刀直接将 引线压在焊盘上，在热量和超声能量的作用下完成楔键合，此时在向下的键合力 作用下，劈刀在第二键合点尾端形成一段压痕( 图2 9 ) 。 图2 9 第二键合点形成 ( 9 )松开引线夹，键合头上升，上升距离取决与所需预留尾丝长度。 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 0 ) 断线：引线夹关闭，键合头上升将盒线从第二键合点尾端压痕处拉断。 至此，一个完整的键合周期已完成，实现了芯片焊盘与引线框架焊盘问的物理联 接，如图2 1 0 。其中左图为实拍相片，右图为键合过程中键合机显示器显示图片。 之后，劈刀上升到打火高度，电火花发生装胃将尾丝熔成金属熔球后开始下一键 合周期。 图2 1 0 完成的球引线键合( 框架内无芯片) 2 2 2 倒装焊技术( f l i pc h i p ) 倒装技术始于上世纪6 0 年代，当时i b m 为了大型计算机的组装，而开发出的 c 4 ( c o n t r o l l e dc o l l a p s ec h i pc o n n e c t i o n ) j 6 1 技术，随后进一步发展成可以利用 熔融凸块的表面张力来支撑芯片的重量及控制凸块的高度，并成为倒装技术的发 展概念。目前，倒装芯片技术是半导体封装领域的又一热门技术，以往的一级封 装技术( 引线键合和载带自动键合t ab ) 都是将芯片的有源区面朝上，背对基 板粘贴后键合，而f l i pc h i p 贝j j 是将芯片有源区面对基板进行键合( 图2 1 1 ) 。倒 装焊的基本特点是在芯片和基板上分别制备焊盘，然后面对面键合。键合材料可 以是金属引线或载带，也可以是合金焊料或有机导电聚合物制成的凸缘。同时 它可以利用芯片上所有面积来形成i ，o 端。 1 主要工艺过程介绍 图2 1i 倒装i 示意削 华中科技大学硕士学位论文 一般说来倒装焊工艺可以分为凸点下接触层的钝化处理、凸点的制作、对准和 焊接以及片问注入等4 个步骤。 1 ) 接触层进行钝化：当倒装焊采用回流焊方式时，为防止基板或芯片的焊盘材 料和熔化后的凸点材料发生化学反应而遭到腐蚀造成断路，或防止因凸点材 料与焊盘的融合性不好而造成易裂易断等其他失效的产生，一般添加一层钝 化金属材料。常用的钝化金属层材料有镍、金、1 1 、w 等。 2 ) 凸焊点的制作【1 7 】：是倒装焊中工艺最复杂的一个步骤，制作方法和材料也各 不相同。对于金属材料的凸焊点制作来说，根据凸点材料熔点的高低大致可 以划分为低熔点凸焊点材料( 如铅、锡、铟等金属材料及其合金) 和高熔点材 料( 如金、铂等) 。倒装芯片中的凸焊点实际上是由焊点下的多层金属膜和凸 焊点两部分组成。 焊球结构( 图2 1 1 ) ：凸焊点下金属常用英文缩写u b m ( u n d e rb u m p m e t a l l u r g y ) 表示。u b m 处于载凸焊点和芯片焊盘之间，通常由三层组成。 粘附层：与铅层或硅层和钝化层的粘附型好，保证和铝层，硅层形成低阻接 触，且热膨胀稀疏相近，热应力小。阻挡层：能阻止铅锡间化合物或金( 如 果焊球材料为金) 与铝，硅间的相互扩散。焊点浸润层：能和焊点材料相浸 润，可焊性好，且不形成有害于焊接的金属间化合物，能保护n i ，c u 等不被 氧化、玷污。因为不能找到一种材料可同时满足上述三方面的要求，所以通 常u b m 都由三层金属膜组成【1 ”。 凸焊点：通常为金球或铅锡合金球。金球的焊点小，所以可做较多i o 端 的倒装芯片。但因为使用贵金属金，故成本较高。铅锡焊球的成分种类较多， 主要分为用于陶瓷基板的高温高铅焊料9 5 p b 5 s n 或9 7 p b 3 s n ，熔点约为 3 1 4 3 2 0 = c ，另一类是用于有机基板的低温焊料3 7 p b 6 3 s n ，熔点为1 8 3 ( 3 。 铅镊焯球 图2 1 2 凸焊点结构图 制作倒装用凸点的方法有许多，包括印刷、打线成型、电镀、喷射成型 华中科技大学硕士学位论文 与蒸镀等，而印刷技术因具备成本低廉、生产灵活的优势，为目前最主要的 制作方式之一，但若以电特性与线宽能力评估，光刻结合电镀技术将是未来 重要的制造工艺方向。这种方法利用光刻形成图形，确定凸点的位置和大小， 可以形成精度较高、均匀性好、间距极小的高密度、高精度的凸点阵列。 3 ) 对准和焊接：在专用的倒装焊设备中，将已做好凸点的芯片和基板对应部分 键合在一起。对于低熔点的凸点，一般的采用回流焊的办法，即在对准以后 在保护气体中加热，直至两部分焊料融合在一起，冷却后形成牢固的电气机 械互连。 4 ) 片间注入u 9 l ：在倒装片和印制电路板之间注入底部填充料，填充连接凸点以 外的空间，以增强焊点的可靠性。 2 优点【划： 1 ) 解决电磁兼容( e m c ) 与电磁干扰( e m i ) 等问题：当前电子产品功能日益提升， 而电压却要求降低，因此需要减少控制芯片内晶体耗电量，以及解决电磁兼 容与电磁干扰等问题。倒装芯片键合引线短，焊点直接与印刷线路板或其它 基板焊接，引线电感小、信号间窜扰小、信号传输延时短、电性能好，是芯 片互连中延时最短、寄生效应最小的一种互连方法。因此倒装技术不仅能提 供优异的电性效能，同时可以减少组件互连间的损耗及电感，降低电磁干扰 的问题，并能承受较高的频率。 2 ) 适用l ，0 点在1 0 0 0 组以上的芯片：当l c 设计人员在相同的硅晶区域中嵌入 越来越密集的电路时，输入输出端子与针脚的数量就会迅速增加，而倒装技 术的另一项优势是可提高l ，o 的密度。采用倒装技术，i ，o 引线可以阵列的方 式排列在芯片的整个表面，因此能提供更高密度的i 0 布局，产生最佳的使用 效率，因为这项优势，倒装技术相较于传统封装形式面积缩t j 、3 0 咱0 ， 可使同样大小的晶园产出更多的芯片，进而大幅降低成本。因此，对于许多 i ，o 超过1 0 0 0 组以上的装置，倒装技术已成为最优先的选择。 3 ) 散热效率高：采用倒装技术的l c 背面可接触到空气，能直接散热，同时基板 亦可透过金属层来提高散热效率，或在l c 背部加装金属散热片，更进一步 强化芯片散热的能力。 2 2 3 载带焊t a b t a b ( t a p e a u t o m a t e db o n d i n g ) 的工艺主要是将集成电路芯片上的焊点( 预先 墅盛塑鱼盛! 旦垫堂占塑塑盛适遭曼! 垡匿星塑自塾壁鱼垄二蕉：签厦型签苎堂堑查 华中科技大学硕士学位论文 封保护a 载带既作为芯片的支撑体，又作为芯片同周围电路的连接引线。t a b 的载 带主要是由一系列的复杂的内、外引线图案所组成( 如图2 1 3 ) f 2 i i 盘 图2 1 3 载带结构图 1 载带制造工艺： t a b 载体有多种型式，载带的制作一般采用光刻铜箔的方法，铜箔厚度的选择 由图形的精细程度和所需要的引线强度决定。其制作工艺相当复杂。所需设备有清 洗设备、涂胶设备、曝光设备、显影设备、腐蚀聚酰亚胺设备、涂漆设备、腐蚀铝 设备、去胶设备( 分浸泡用和冲洗用两台设备) 、烘箱等。 1 ) 载带制作主要工艺流程如下1 2 2 1 ： 化学处理一涂光刻胶一曝光一显影一腐蚀聚酰亚胺一涂保护漆一腐蚀铝一切割 一去胶一固化 2 ) 凸点制造工艺： 凸点是在芯片压焊区上增加一层较厚的金属作为压焊面。典型结构包括：粘附层、 阻挡层和压焊金属层，一般采用钛、钨、金结构。其制造工艺如下： 刊净 涂胶，第二次光刻压焊区，显影 串 图2 1 4 凸点制造工艺 首先在前部加工完了的已钝化的晶圆上涂胶，光刻出压焊区，显影后清洗干净并 华中科技大学硕士学住论文 烘干，然后溅射钛和钨，作为粘附，阻挡层，同时作为镀金阶段的一个电极，钛，钨厚 度一般为1 2 m ，同第一次光刻一