（机械工程专业论文）芯片镍钯电极与金线焊接能力的关系研究.pdf

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p dp a db o n d e d w i t hg o l dw i r ec a m eo u t a c c o r d i n gt ot a g u c h iq u a l i t ye n g i n e e r i n g ，w ef o u n dt h ep r o o ft h a t b o n dt e m p e r a t u r e i sn o tt h em i nf a c t o rt oa f f e c tw n p u l la n d b a l ls h e a r t h e r e f o r e ，t h eb e s tp a r a m e t e rc a m eo u t 丘- o mt h ee x p e m e n t b yw a yo ft h ea b o v ep a r a m e t e r s ，w ec a ng e tt h e 埘i o s ts t a b l ew o r k a b i l i t y o fn i 划p a da n dg o l dw i r e a r e rlo o oc y c l e so ft e m p e r a t u r ec y c l i n gt e s t ， t h e r ew e r e n ta n yi n t e r 锄e t a l l i cc r a c ko c c u m e db e t w e e ns u r f a c eo ft l l en i d p a da n dg o l dw i r e k e yw o r d s ：n i 于dp a d ，w i r eb o n d e rp a r a m e t e r b a us h e 豇w i r ep u l l ， r e l i a b i l i t yt e s t n w r i t t e nb y ：z h o uy i h o n g s u p e r v i s e db y ：g u ox u h o n g 目录 第一章前言一” l 卜l 研究背景l l - 2 研究动机与目的：l l - 3 研究方法2 第二章焊线制程原理与相关研究 固 2 一li c 封装制程简介3 2 - 2 焊线制程原理探讨6 2 - 3 铝电极( a lp a d ) 与金线( a uw i r e ) 结合能力分析”8 2 - 3 一li m c 的定义( i n t e r 哪e t a l l i cc o m p o u n d ) ，8 2 - 3 - 2i m c 现象( i n t e r l n e t a l l i cc m c k ) “9 2 - 3 - 3i m c 的形成l l 2 - 3 _ 4 预防刀cc r a c k 方式介绍1 4 2 _ 4 研究本篇论文动机1 6 第三章实验方法与步骤 1 7 3 一l 镍钯电极( n i 于dp a d ) 介绍1 8 3 - 2 实验材料与作业机台、量测机台设备介绍1 9 3 - 2 一l 金线( a uw i r e ) 1 9 3 - 2 - 2 焊针( c a p i l l a r y ) 2 1 3 2 - 3 焊线机简介2 2 3 - 3 焊线质量与关键因素探讨2 4 3 _ 4 可靠度测试( r e l 认b i l n yt e s t ) 介绍2 6 第四章实验结果与分析 ”2 8 4 一l 田口实验法原理介绍2 8 4 - 2 实验规划与数据收集”3 l 4 - 3 变异数与影响度分析。3 2 4 3 1 金球推力( b a l ls h e 神3 2 4 _ 4 影响度分析3 8 4 _ 4 。l 金球推力( b a l ls h e a rt e s t ) 影响度分析。3 8 4 - 5 最适条件推定公差分析4 0 4 - 5 1 金球推力( b a l ls h e a rt e s t ) 之最适条件推定4 0 4 - 5 2 金线拉力( w i r ep u ut e s t ) 之最适条件推定4 0 4 - 5 _ 3 金线拉力金球推力之关键因子水平公差分析4 l 4 _ 6 关键因子之最适条件公差进行二次验证4 2 4 6 1 金球推力( b a l ls h e 缸t e s t ) 之变异数分析4 3 4 _ 6 - 2 金线拉力( w np u nt e s t ) 之变异数分析4 5 4 - 7 焊点可靠度试验分析( r e l 队b m i yt e s t ) 4 7 第五章结论 参考文献 攻读硕士期间公开发表的论文 致谢 5 l 5 3 5 4 5 5 芯片镍钯电极j 金线焊接能力分析第一章前奇 第一章前言 1 1 研究背景( 国内研究现状) 、研究意义、研究内容。 金线是i c 封装制程中连结芯片电极与导线架最常用的材料。i c 在使 用过程中芯片与导线架之间讯号、电流的输入输出，容易造成芯片过热， 因此对于高温高压状况下，金线与电极间两端接合点的质量信赖性可 靠度研究是非常重要的。晶圆上不同的电极材料和实际焊线作业参数会 造成不同的作业质量。 此次研究将着重于两种不同的电极材质与金线接合后在高温时效 所产生的介金属反应成长机制与作业质量做逐步分析探讨。将以现行 普遍使用的铝电极常见问题点为主轴对比于另一种材质镍钯电极。针 对镍一钯电极的研究将着重于机台参数：b o n df o r c e 、b o n dt i m e 、b o n d p o w e r 对于金线与镍规电极的结合，以提升产品在市场上的信赖。 1 - 2 研究目的 金线是最常被利用于传递i c 功能与外部导线架的连结。因为金的延 展性好，导电度强，所以在金线的使用己成封装业焊线选用为主流。 而且金线因焊针尖端放电与h 2 瞬间燃烧成球形，以利用来做焊点。 但金线与铝电极会因为受热而形成的介金属长期退化，文献上提及 两种机制：一种为化学活性元素( 如卤化物) 出现在湿气( m o i s t u r e ) 的腐 蚀( c o 舯s i o n ) 机制，一种为介金属化合物成长过程中k i r k e n d a l lv o i d s 的形 成演化。如图卜1 所示： 第一章前言 芯片镍钯电极与金线焊接能力分析 图l - l 金和铝加热后形成的介金属退化。一种为腐蚀( c m s s i o n ) ，一种为气洞( v o 诅s ) 若晶圆上电极材料改为镍钯，则金线与镍锟电极则不会有键结产 生。不会有键结产生，则不会有所谓气洞( v o i d s ) 生成影响结合质量。a u 与p d 是很稳定的，如何在不会键结的两个原子间寻求最佳的焊线作业 条件是本篇论文研究的重点。 1 - 3 研究方法 本实验主要研究镍规电极在不同的条件下与金线结合能力分析。 w 如七o n d i n g 主要的控制变因为：b o n dp o w e r 、b o n df o r c e 、b o n d t i m e 、b o n dt e m p e r a t u r e 。并藉由金球推力( b a l ls h e 盯) 、金线拉力( w p u l l ) 与可靠度测试( r e l i a b i l i t yt e s t ) 结果寻求最佳作业参数。 2 芯片镍钯电极与金线焊接能力分析第二帝焊线制程原理与相关研究 第二章焊线制程原理与相关研究 i c 封装一般流程，依封装体之设计不同，流程也有少许变化。依 目前封装架构可分为两大类，第一类为导线架( 1 e a d 铴m e sb a s e ) ；第二 类为基板( s u b s 仃a t eb a s e ) 。如图2 1 和图2 - 2 所示 h 2 一l ：广线架纠妓炎jl 割2 - 2 墟板炎封装炎，l i j 本篇将以导线架类制程( 1 e a df - r a m e sb a s e ) 做介绍与实验。 2 1 i c 封装制程简介 导线架封装形式仍为现今封装体系中不可或缺的结构，以下简述制 程顺序及目的： ( 1 ) 晶圆研磨( w a f e rb a c kg r i n d i n g ) ：将晶圆依据所需的封装形式研磨 成所需的厚度。避免后续作业因芯片过厚而导致外露情形发生。图2 - 3 砂轮机主要研磨晶圆背面硅底材。并用贴布将晶圆正面固定进行研磨。 _品删 跳布 硐2 _ 3 砂轮机对 i i i 恻背i f i 依所：箔的厚度作研磨 第二章焊线制程原理与相关研究 芯片镍钯电极与金线焊接能力分析 ( 2 ) 晶圆切割( d i es a w ) ：将晶圆切割成原设计的芯片尺寸( c h i ps i z e ) 。 如图2 4 所示： 鳞一 翮黼嚆鞭誓 ：耋曼，、璺铡- 糙 图2 1 4 芯片切割制程，使晶圆成为独立的芯片。 ( 3 ) 上片与烘烤( d i eb o n da n dc u r i n g ) ：为将晶圆( w a f e r ) 经切割 ( s a w i n g ) ，再将切割之一颗颗芯片( c h i p ) 用银胶( s i l v e r 币l l e de p o x y ) 黏着于 导线架( 1 e a d 触n l e ) 上，经烘烤使银胶固化。 图2 弓上片用银胶固定芯片于导线架上，并经过烤箱烘烤固化 ( 4 ) 焊线作业( w hb o n d ) ：焊线乃是将芯片上的电极( p a d ) 以金线 ( a uw i r e ) 连接到导线架之内尚脚，进而藉此将i c 晶粒之电路讯号传输至 外界。 ( 5 ) 模压和烘烤( m o l d i n ga n dp o s tm o l d i n gc 嘶n g ) ：利用模压机台将热 固性树脂材料注入模具中，将芯片封装成型。模压后可以提供机械强度 以保护i c 内部之芯片、金线。并隔离外在环境 ( 湿气、电性干扰) 影响，确保i c 功能。模压后的材料再经过1 7 5 6 小时烘烤，以确保树脂键结完全。 4 芯片镍钯电极与金线焊接能力分析 第二章焊线制程原理与相关研究 图2 石焊线利用金线连结b o n dp a d 与导线架作为讯号传递功能 图2 - 7 树脂( c 伽p 伽n d ) 可保 ( 6 ) 印字( m a r l 【i n g ) ：利用镭射( 1 a s e rm 破) 或印泥( i i i k ) 在胶体表面盖上 客户l o g o 或其它辨识的标记。 图2 在胶体表面盖上标记，增加对产品的判读 ( 7 ) 去渣去结( d e - n a s h d e j u n k ) ：去渣是利用刀具将胶体与导角结线之 树脂去除，去结为利用刀具将导角与导角间的接线去除。 ( 8 ) 电镀( s o l d e rp l a t i n g ) ：电镀最主要目的为保护导脚底材，防止氧 化，并提供i c 良好之焊锡性。 第二章焊线制程原理与相关研究芯片镍钯电极与金线焊接能力分析 圈糟键 l 删釉 国翮骣鄢黼同徽， 去渣国 镪舆骣脚桔拣之蝴旨去除， 图2 9 去渣去结示意图 图2 - l o 电镀前后之色泽比较，电镀后可保护底材 ( 9 ) 弯角成型( f o m i n ga n ds i n g u l a t i o n ) ：利用冲模弯曲 原理将各产 品导脚冲压成各产品形状及尺寸。如图2 1 1 所示： 一 佩 ( a ) 切断( b ) 先弯6 0( c ) 弯至所要尺寸 图2 一l l 弯角成型的顺序及流程 2 - 2 焊线制程原理探讨 焊线的功能是将芯片上的讯号利用金线连接到导线架之内导脚。再 经由内导脚将i c 上的功能传递与外界做连结。通常芯片上的焊接点称为 第一焊点( 1 吼b o n d ) ，又称为球焊( b a ub o n d ) 。而内导脚上与金线的连接 点称为第二焊点( 2 酣b o n d ) ，又称为缝点( s t i t c hb o n d ) 。如图2 一1 2 和图 2 1 3 所示： 芯片镍钯电极与金线焊接能力分析第二章焊线制程原理与相关研究 ( a ) 第一焊点 图2 - 1 3 焊点s e m 照片 ( b ) 第二焊点 首先将金线之端点利用电子点火和h 2 瞬烧结成小球，而后将小球压 焊在第一焊点上。接着依设计好之路径拉金线，最后将金线压焊在第二 焊点上，同时并拉断第二焊点与钢嘴间之金线，而完成一条金线之焊线 动作。接着便又结成小球开始下一条金线之焊线动作。图2 1 4 表示焊线 动作的一个循环过程。 第二章焊线制程原理与相关研究芯片镍钯电极与金线焊接能力分析 。z ：y ，k ，。，j ， 疆 二= 茹i 逾_ _ _ 图2 - 1 4b i m d 妯gc y c k 2 - 3 铝电极( a lp a d ) 与金线( a uw n ) 结合能力分析 2 3 1n i c 的定义( i n t e r 哪e t a i cc o m p o 明d ) i c 封装产业中焊线最常使用的三种材质线径为金线、铝线、铜线。 其中银线在极少数的情形下使用。因为金线延展性比银线好，对于焊线 作业若有特殊弧形需求，金线会比铜线更好控制弧形。这也就是为何目 前金线是现行封装制程中最常使用的材料。表2 一l 为铝线铜线金线材料 特性分析。 利用a uw i r e 对a lp a d 的接合其实是很难接合的，因为在低温下，薄 薄的氧化铝层会抑制a u 与a l 间的介金属化合物形成。因此，通常使用的 b o n d i n g 温度一般会高于5 0 0 。相对的，如此高的温度会造成金属化合 物的过度成长，而使w nb o n d i n g 的可靠度变差。 盎 儿 、 ， 、 “” 、 、 r t 、， t ，。， r n _ ，； 仉叫一兰一 繁 ：i ! = i - 镍钯i 乜极j 金线焊接能力分析第一二章群线制程原理j 相关研究 表2 1比较金、铜、铝三种材料特性 性竹铝( a i )铜( c u ) 常( a u ) h ，熟 9 0 03 8 51 2 8 9 ( w a t t s e c ，( k g d e gk ) ) 擗熟性 2 3 74 0 3 3 1 9 ( w a t t s ，( m d e gk ) ) 上1 暾 0 0 0 2 6 9 8 90 0 0 8 9 6 00 0 19 3 2 0 ( k g ，m 3 ) 珞鞑( c ) 6 6 0 3 71 0 8 3 41 0 6 4 4 3 。i 疆阻 生( o h m m ) 2 6 5 x 10 81 7 3 x 1 0 书 2 2 4 9 x 10 8 电阻性的温f ! ： ：僳敷 4 3 x 10 1 16 8 x 1 0 ” 4 x 1 0 1 l ( o h m m ，c ) 弓l ；土f ，i 缴( p a ) 3 4 4 7 x 10 1 01 3 2x 1 0 1 0 7 7 2 2x 1 0 1 0 陉伎豫f 爱( p a ) 1 0 3 4x 1 0 76 8 9 4 1 0 1 7 2 4 x 1 0 7 梗限抗拉强瞍( p a ) 绦 4 4 8 2 x 1 0 72 2 0 6 x 1 0 82 0 6 8x 1 0 8 辫够 3 9 3x 1 0 83 4 4 7x 1 0 84 ，8 2 6x 1 0 8 熟膨喂悔缴( c t e ) 4 6 4x 1 0 61 6 1 2x 1 0 七1 4 2x 1 0 乓 ( 1 ，k ) 卜易捡比 0 3 6 40 3 3 90 2 9 1 ( p o i s s o n sr a “o ) 磋= t ( 豹k ) 1 73 71 8 5 伸畏：孚i ( ) 糠 5 05 14 2 3 辫够 - 在封装过程中发现有电性测试失效( o p e no rs h o r tf a i l ) 或可靠度验 证失效( r e l i a b i l i t yt e s tf a i l ) ，分析其原因为第一焊点脱离原接着之电极 ( b o n d i n gp a d ) ( 金，铝界面裂开) ，业界称之为i m cc r a c k ( i n t e r 哪e t a l l i c c r a c k ) 。 2 - 3 - 2i m c 现象( i n t e r 哪e t a l l i cc r a c k ) 所谓i m cc r a c k ，简单的说明如下： a ) 就是2 种以上金属元素介由适当之能量使其结合所形成之合金 ( a l l o y ) 。 b ) 就封装来说，金线( a u9 9 9 9 ) 是用来连接c h i p ( 芯片) 与l f ( 导 9 第二章焊线制程原理与相关研究芯片镍钯电极与金线焊接能力分析 线架) 桥梁。而芯片上之铝电极( a lp a d ) 藉由能量( 焊线机焊接功能) ，产 生金铝合金。 i m cc r a c k 现象如图2 1 5 所示： 图2 1 5 介金属层( i m c ) 是否破裂现象比较 图2 - 1 6 介金属层破裂导致球脱现象及其侧视图 金线( a uw i r e ) 与铝电极( a lp a d ) 经b o n d i n g 后其合金必须是一致的。 一般来说残金 7 0 以上为较佳( 确认方式为焊线后将两者分离) 。如图 2 一1 7 所示： 图2 - 1 7 左图残金面积 7 0 ，为结合性较佳之样本 l o 芯j i | 镍钯电极j 会线焊接能j 分析 第_ 二章焊线制程原理j 相关研究 右图残金面积 da li na u s 脚ls t e i ，2 s 翻c p 3s i 哪s 翻噌5 豳豳鞫豳豳 囱i 叫 i i ；- ia 嘴穆避r f 簟 k f k e h 、o i d 图2 1 8a u 与a l 因两边反应速率的不同所形成的v o 词 n a k a n e 亦解释了c r a c k 的发生，是因为在b a ub o n d i n g 过程中，不匀称 的b a nd e f o n t m t i o n 使得提供a ua t o i n s 由b a l le d g e 扩散的量受到限制所导 致。 l 至 詈 ； ； 呈 p j l 一7 一j 1 - + j ? 彳一 “ 厂八 “川“_ “ “，、 ， l a ，a l - a 。f j i ? ， it 1 l f i “，i 卜- 。 i ：笛片镍钯l 乜极j 合线焊接能力分析 第_ 二章焊线制程原理j 相关研究 a uw i r e a lp a d 的界面反应初期主要有a u a l 、a u 2 a l 、a u 5 a 1 2 、a u 4 a l 四种相产生，而后转为a u 5 a 1 2 、a u 4 a lp h a s e 为主，但随着时效时间的增 加，a u 5 a 1 2p h a s e 会消失，而全部转为a u 4 a lp h a s e 。另外，在接合部边 缘处，由于a l 原子的供应充足，故由内而外会依序生成 a u 4 a l a u 5 a 1 2 a u 2 a l a u a l a u a l 2 ，5 种介金属相。 此外发现由于a uw i r e 与a lp a d 的接合不良，在初始接合界面处所形 成的v o i d sl i n e 会随着介金属化合物的成长而往上移动，最后停留在a u 4 舢 p h a s e 之间。并且在接合部外缘会因介金属相的成长伴随着a n n u l a rv o i d s 的产生，高温热处理下，c r a c k 从a n n u l a rv o i d s 沿着a uw i r e 介金属相界面 成长延伸，最后致使接点脱离( p e e l i n go f d 。 在a u - a l 二元系统的相图中有几个平衡相值得我们观察：( 1 ) 在左端 f c c 结构的纯铝固溶体中，6 5 0 时金的最大固溶度是o 0 6 a t ；( 2 ) 金属 间化合物a u a l 2p h a s e 含有约3 3a t 的a u ；( 3 ) 金属间化合物丫a u 2 舢 p h a s e 含有6 5 。6 6 8a t 的a u ，且有两个较低温的同素异形物0 【a u 2 a l 及 2 t叠暑j 第二章焊线制程原理与相关研究芯片镍钯电极与金线焊接能力分析 p a u 2 m 存在；( 4 ) 斜方晶的a u 5 舢2 p h 笛e 含有约7 3a t 的a u ；( 5 ) pp h 硒e 是b c c 结构；( 6 ) a u 4 舢p h 硒e 含有约8 旷8 1 2a t 的a u ；( 7 ) 右端f c c 结构的 a u 固溶体在5 4 5 时，铝的最大固溶度为1 6a t 。 2 - 3 1 4 预防i m cc r a c k 方式介绍 i m c 成长相关因子有什么预防方法呢? 如下方法说明。 ( a ) 电浆清洗( p l a s i m ) ：以我们对电浆清洗的了解，当电极上的铝形成 一厚厚舢2 0 3 会引响i m c 的形成，当加p l 觞i m 可去除电极铝上的 舢2 0 3 可增加卫m c 的覆盖面积。 图2 - 2 1n 嬲m a 影响a l 表面的越p 矗d 表面的氧化物生成 ( b ) 金线成分( a uw 成分) 若从封装材料方面去改善i m cc m c k ，可从两方面去研究。 1 从晶圆制造过程中去改变电极( b o n dp a d ) 材料，可从铝电极( a lp a d ) 改为金电极( a u 电极) 。 2 在金线添加微量金属。 两者优缺点比较如下表2 - 2 所示： 表2 2 改善介金属层破裂，业界所使用的方法优缺点比较 芯片镍钯电极与金线焊接能力分析 第二章焊线制程原理与相关研究 i t e m 改善措施优点缺点 1 无i m cc r 8 c k 方法一使用a u 材质的电极代替常用的a l 电极 2 有良好的信赖性能力 晶圆制作成本较高 用2 n 金线取代现行的4 n 金线1 金线价格变化不大 方法二4 n ：a u = 9 9 9 9 2 2 n 比4 n 有较好的信赖性 2 n 的金线电阻率较高 2 n ：a u = 9 9 ，p d = o 5 能力 一般金线纯度采用9 9 9 9 ( 4 金线，此即代表在金线成分里有添加 l o o p p m 的微量金属。例如：b e 、c u 、a g 、c a 等金属。若添加b e 合金含量 约3 。7 p p m 造成的抗拉强度高于添加c u2 5 及a g 的3 0 。但两者的伸长率 并无明显差异。这些微量金属元素的添加，除了必须决定金线的金相组 织、机械强渡与焊线时的线弧高度1 9 1 0 0 ph e i 咖，更进一步影响金线与电 极的结合能力。以我们对金线的了解，金线中的p d 元素对蹦c 的引晌最大。 当p d 成分占金线成分大于o 3 ，对m c 有很大的帮助。 由上可知添加钯元素的2 n ( 9 9 ) 金线可延缓结合面空洞的产生 和i m cc r a c k 的发生速率。除此之外，钯元素( p d ) 可减少a u 4 a l 空洞厚度的 增加。 比较两种不同金线经过高温储存1 5 0 1 咖t l r 后对m cc r a c k 影响程 度如下图2 - 2 2 和图2 _ 2 3 所示： 图2 - 2 24 n 金线( 9 9 9 9 a uw i 化) 因金( a u ) 与铝( 舢) 结合后| 大| 反心速率不同 而产生空洞而导致破裂现象 第二章焊线制程原理与相关研究芯片镍钯电极与金线焊接能力分析 圈2 - 2 3 图2 2 32 n 金线( 9 9 a uw i r e ) 因金线成分有添加o 5 p d ，故在金 ( a u ) 与金铝化合物之间会形成一层p dl a y e r ，使金( a u ) 与舢( 铝) 两者 反应速率趋于缓和。 由上可知添加钯元素( p d ) 的2 n ( 9 9 ) 金线可延缓结合面空洞的 产生和i m cc r a c k 的发生速率。除此之外，钯元素可减少a u 4 a l 空洞厚度的增加。 2 1 4 研究本篇论文动机( 本章小结) 金线与w a f e r 上电极微接点品质对于半导体芯片的功能性 ( m n c t i o n a l i t ) ，) 及可靠度( r e l i a b i l i t y ) 扮演重要的角色。b o n dp a d 的剥离 ( p e e l i n g ) 与否，反应在半导体良率( y i e l d ) 的高低。一个微接点的损坏或不 稳定，将造成整片电路板功能失效，轻者造成电器设备部份功能丧失， 严重者将使该电器完全无法运作，进而拖累该电子商品的整体形象，影 响产品信誉。因此p l i n g 的破坏机构所潜在的可靠度问题及如何避免不 良的b o n dp a d 接着发生，皆有待研究开发。因现行金线与铝电极结合在 高温的环境下会产生蹦cc m c k 的现象。故业界针对此问题从晶圆上电极 原材料开使评估。本篇论文针对晶圆上镍钯电极( n i 划p a d ) 与金线结合 做分析。针对作业性( w o r l 油i l i t y ) 与可靠度部分( r e l i a b n i 啦s t ) 做讨论。 1 6 芯”镍钯电极j 金线焊接能力分析第三章实验方法j 步骤 第三章实验方法与步骤 本文所要探讨研究的是以i c 半导体封装的焊线制程针对镍规电极 如何寻找出最佳作业参数。焊线能力的优劣反应在芯片的电极上，就是 金线与电极结合能力的表现。如何依据现有铝电极与金线结合能力的经 验，以田口方法找出关键参数。使焊线质量达到最佳状况。依焊线制程 而言，其组成结构可分成三大共同部分研究： ( 1 ) 金线( a uw i r e ) 。 ( 2 ) 焊针( c a p i i l a 叫) 。 ( 3 ) 焊线机台作业参数。 首先在( 1 ) 金线与( 2 ) 焊针部份分别做讨论。以较适合的金线规格与 焊针规格选定后，透过田口方法来研究焊线制程，期待能获得快速、有 效的焊线最佳参数。 研究步骤流程图3 一l 如下： 第三章实验方法与步骤芯片镍钯电极与金线焊接能力分析 镍钯电极与金线焊 接分析 焊结后品质确认 f 1 ) w i r ep u f l b a f ls h e a r 品质之显著因子 2 ) 可靠性实验验证 田口实验 直交表 结论总结 1 针对n i p d 电极提出最佳作业参数 2 可靠度验证符合t c t1 0 0 0c y c i e 要求 图3 - l 试验流程与步骤 3 1 镍钯电极( n i 平dp a d ) 介绍 镍钯属于非常稳定的系统，其特色如下： a ) 与金( a u ) 键结不会有空洞产生。 b ) 与金共存不会产生有害的介金属化合物。 c ) 在高温储存的条件下( 1 6 5 7 2 小时) 有良好的结合性。 d ) 镍钯的硬度比铝大，比较不会产生电极破裂异常。 针对镍钯电极( n i 划p a d ) 与金线( a uw n ) 结合是否会像a u a l 产生 介金属化合物，根据文献记载是不会的。 o k a m o t oa n dm a s a l s l ( i 预测a u 和p d 在超过3 0 0 度有三种介金属化合 l r 芯”镍钯i 【l 极j 会线焊接能力分析 第二三章实验方法j 步骤 物产生，但因为封装制程中温度不会超过3 0 0 ，所以都不会产生a u 3 p d 或a u p d 3 两种介金属化合物。但有可能形成a u p d 在正常的作业温度如图 3 2 ： p 鹫 基 u j 乱 i u j 卜- w e l6 t p d 入u i d 2 0 3 0辱。二oo d7 06 09 d 卜l l j 上j l j 叫 ui o2 03 0 们5 06 0 ，o6 090只d a t o m p j 图3 2 金规相图叫 3 - 2 实验材料与作业机台、量测机台设备介绍 3 - 2 - l 金线( a uw i r e ) b o n d i n gw i r e 在半导体封装中扮演晶粒( d i e ) 与承载基板电流导通的功 能，目前以金线为最广泛使用的材料( 9 0 以上) 。图3 3 为一般金线制造流 程。 第三章实验方法与步骤 芯片镍钯电极与金线焊接能力分析 晨二- 夕一番 一一阳一一 l蒜 蟹翟遐火i主抽篆罩抽簋 帮誊一- ，一4 厂f f i n j a n n e - i i n 口r w i n d i n g o a o 定塑最：止篪锨出蠹桧麓 图3 3 金线制造流程 依半导体封装型态的不同，金线的线种、线径与搭配的焊线机制程 参数亦有所不同。而金线材料的主要特性参数如强度( s 缸n g 1 ) 与弯曲篇 ( 1 0 0 p ) 则取决于添加化学元素( 如a g 、c u 、f c 、m g 、p d ) 的比例与金线 抽制的二次退火调质处理，在手机等消费性电子产品朝轻薄短小发展的 潮流下，堆栈式封装快速成长，而其对高强度与l o w 1 0 0 pp m e 的需求也 随之增加，此为金线产业重要的技术能力指标。 配合半导体构装技术演变及产品应用演变的需求，金线产品及技术 发展主要趋势如下： 1 在终端产品轻薄短小、高频高速需求下，金线线径将被要求更细 化，同时具有更强的强度。 2 在薄型及微细化需求下，金线与晶粒( d i e ) 及b o n d i n gp a d 的连接面 积变小，因此金线的接合能力与精准度亦是未来发展重点。 3 细间距( f i mp i t c h ) 用金线与堆栈式封装用的l o wl o o p 金线采用比例 将提升。 芯片镍钯电极与金线焊接能力分析第三章实验方法与步骤 图3 _ 4 金线焊接方式趋势。左图为细间距，右图为堆叠方式 3 _ 2 2 焊针( c a p i r y ) 在焊线制程中，金线经由焊针的导引，从芯片的电极连接到导线架 之内导脚。运用超音波焊接，能量藉由焊针传达到焊点上。 因此焊接质量的好坏与金线线径、铝电极大小和焊针搭配性三者息 息相关如图3 - 5 所示。焊针构造如图3 缶所示： 焊针最主要功能有二： 1 传递超音波能量至焊针尖端于第一焊点烧结成金球，于第二焊点斩 断金线并黏着于导线架上。 2 依据不同机种提供不同的弧形。 所以焊针材质必须兼具耐高温、耐磨损、热传性佳、能量传递性佳 等多种特质。 图3 弓焊针的设计与第一点与第二点形状相关 第三章实验方法! j 步骤芯片镍钯电极与金线焊接能力分析 r 一滕1 图3 币焊针的设计与相关影响尺寸 3 _ 2 - 3 焊线机简介 焊线机可说是精密机械表现之极致。由于晶粒上接点之大小与间距 皆很小( 一般约4 耐1 ) ，因此在机器定位精度之要求便相当高( + 一5 p m ) ， 同时必须搭配电子图像处理技术才有办法找出正确之位置。而随着i c 芯 片i o 数或密度之增加，接点之间距变得更小，此时定位精度之要求将更 为困难。而由于机器t 胁u 曲p u t 之要求提高，焊线速度之要求从以前1 秒 钟4 5 条，变成8 1 0 条( 2 m m 长度之金线) 。为因应此一速度之要求， 在焊线头机构上有采用气浮轴承( a i r b e 撕n g ) 以提高其运动速度与精度。 同时图像处理之速度亦必须提高。而在焊线及拉线过程中亦有诸多问题 需考虑，例如：金球大小必须适当，不得大于接点之尺寸一般约为金线 线径之2 5 3 倍。而其压焊在第一焊点之下压力量亦需控制好，以避免造 成晶粒之脆裂( c r a c k ) 。而从第一焊点拉至第二焊点之路径控制，由于 金线本身细且软，如何使金线依所设计之路径到达内引脚上之接点便非 常困难。而针对高脚数乃薄型化之需求，拉线长度变长( 6 8 m m ) 而高 度变低( o 2 5 瞄右) 如何在极小空间内做3 度空间之运动且又要能符 芯片镍钯电极0 盒线焊接能力分析 第三章实验方法与步骤 合快速精确之要求，乃是在焊线机设计上之一大挑战。 由焊线机系统架构图可清楚看出机台功能分布与职掌。如图3 - 7 说明。 圆圆 _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ o 一一_ _ _ - - - o _ 一 l 兰：；丝ii 竺苎墅l i 璺耋塞! 蒌i 匡圆圃 l 璧竺曼墨竺! i 一 i 控制欺控翻嚣及界隧卡l - - _ - _ - - 。- - - _ _ - - 一l _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - - _ - _ _ _ _ r 。o 。o 一 il 心两曩嗍i 图3 - 7 焊接机台各模组功能 此次实验所使用的焊线机型为a s ma b 3 3 9 e a g l e 。机台基本数据、外 观及相关设备如图3 母所示：机台厂商：a s mt e c h n o l o g ys i n g 印o r ep t e l t d ， 机器型号：a s ma b 3 3 9 e a g l ef u l l ya u t o m a t i cg o l dw i r eb o n d e r ，电力规 格：a c 2 2 0 v 5 0 一6 0 h z 15 0 0 w 。 囤 固 m o 口o r 圈 s ”k l 圈 回 厂研一 i 竺! ! ：l 图3 _ 8a s ma b 3 3 9 e a g l e 机台 2 3 第三章实验方法与步骤 芯片镍钯电极0 会线焊接能力分析 3 _ 3 焊线质量与关键因素探讨 焊线完成后，针对第一焊点( 金线与电极结合端) 必须做焊接品质的确 认。其确认的方式可从两方面进行：第一为外观、尺寸来做判定；第二可 从破坏性检测方式判别。分述如下： 1 从外观的检测项目如下： ( 1 ) 金球大小( 即x y z 尺寸) 。 ( 2 ) 金球是否球偏、变形。 ( 3 ) 是否因参数太重而焊垫拉起( p e e l i n g ) 。 ( 4 ) 金球脱落( b a l ll i r ) 。 ( 5 ) 断线( w i r eb r o k e n ) 。 ( 6 ) 芯片破裂、芯片龟裂。 2 破坏性之检测方式如下： ( 1 ) 金球推力试验( b a l ls h e a rt e s t ) ：利用推力机来量测金球所能承受之 剪应力( b a l ls h e a rs 廿e s s ) ，各种不同的金线线径尺寸均有其相对应之规格 值来确保第一焊点的焊接强度。其检测的方法为将推球工具接触金球表 面和，并以芯片表面最为基准，向上微抬3 。5 u m 后再向操作者方向移动， 将第一焊点上的金球推离所焊接的电极上。其推力测试前后所显示的质 量如图3 母所示： 一般金球推力的读值，期计算原理是依简单的力学公式推导而来。 可以从下列的公式解释之： 芯片镍钯电极与金线焊接能力分析 第三章实验方法与步骤 金球推力摄 ( b a l is i l c a rn l a c h i n c ) ti 憎m 一“l l d ) u 皿 自区涵 牝牡 图3 _ 9 金球推力测试后的各种形态 一般金球推力的计算按照力学原理的公式计算而出： s h e a rs t r e n g t h = b a l ls h e 孤儿缸e a ( g h l i l 2 ) 由上述公式得知，在第一焊点的金、铝焊着之剪应值几乎是基本的 物性，只要焊着完全，其值是一个定值常数。当然，电极开窗大小( p a do p e n ) 与金线的线径大小，与最后实际金球大小息息相关。各种推力后所造成 的现象可判断出焊线后质量的优劣。通常当是用参数调整做修正，并且 运用s p c 管制图来管理质量。 ( 2 ) 金线拉力测试( w i r ep u l lt e s t ) ：利用拉力机将已焊线好的金线勾住 往上拉，直到金线断裂为止。