bonding.doc

1.1bonding简介bonding介绍: bonding 中文可以翻译为绑定。意思是将两种以上的东西绑在一块。在工厂的生产中，主要是把panel 和玻璃（这里的玻璃大多数是涂有一种金属镀膜的玻璃，单面或双面的）按照一定得工作流程组合到一起起到保护和是图像清晰的一种工艺，一种先进的技术！panel和玻璃四边要用gasket 来粘结，中空的中间用于滴入A胶和B胶混合液体！bonding 英音：bndi 美音：bnd 中文翻译为芯片帮定或者是芯片覆膜，它是芯片生产工艺中一种很先进的封装形式，这种工艺的流程是将已经测试好的晶圆植入到特制的电路板上，然后将融化后具有特殊保护功能的有机材料覆盖到晶圆上来完成芯片的后期封装。die bonding 钢模结合；小片接合；芯片焊接；模片键合 die bonding 芯片焊接; 裸片连接，芯片焊接，模片键合; 晶片接合，晶片焊接; 晶料接着（台）管芯键合; wire bonding 【电工学】电缆接合 引线接合法 Wire Bonding 线接合; 引线键合; 引线粘结，引线键合; 打线式封装(半导体业);bonding优点保护液晶面，使图像清晰。bonding封装方式的好处是制成品稳定性相对于传统SMT贴片方式要高很多，因为目前在大量应用的SMT贴片技术是将芯片的管脚焊接在电路板上，一颗芯片一般会有48个管脚甚至更多，这种生产工艺不太适合移动存储类产品的加工因为此类产品的特性如震动、使用环境恶劣、随意性强会影响良品率，而且主要问题是焊接点在贴片生产过程中会有千分之几的不良率，同时在封装的测试中也会存在虚焊、假焊、漏焊等一系列问题，导致产品不良率升高。即使成品测试通过，在日常使用过程中由于线路板上的焊点长期暴露在空气中容易受到潮湿、静电、物理磨损、微酸腐蚀等一系列自然和人为因素影响容易导致产品出现短路、断路、甚至烧毁等情况。“bonding”后的三高产品即高品质、高性能、高规格1.2金线、铜线、铝线的优缺点：金丝最贵，一般只用在小电流，小功率的场合，但是接触最好，工艺相对容易控制，工艺熟，异常率较低。# P% G% G8 a3 v; 铝丝和铜丝比较便宜，但各有用处。: m7 P& $ n9 w1 z, K铝丝适合大电流大功率的场合，一般5mil起步，3mil也有，这么粗的丝相对来说铝丝比较软，如果是金丝成本吃不消，如果是铜丝，太硬了。7 o, Q; n& q1 e8 n( 铜丝是近10年才开始流行的工艺，主要取代金丝，一般也不会太粗，铜太硬，太粗的铜丝容易将金属层打穿，伤及器件本身。铜容易氧化，所以工艺控制上比金丝难很多，目前国内铜丝工艺做的好的也不多，即使几家知名封装厂，合格率已经和金丝不相上下，也没法做到和金丝一样的可靠性。但是利益使然，金的价格不停的涨，最终也不得不用铜丝。金一直是引线键合工艺的首选材料，但铜作为替代品正在被人们逐步接受。铜具有较高的导电性和导热性能，较少形成金属互化物，同时具有更好的机械稳定性。铜比金的导电性能更好，所以在频率范围内显示出较低的电阻。铜线(Copper Wire)的一些特性 - Wire Bonding Process 铜线在Wire Bonding中已经出现很久了, 由于同時具有优点与缺点, 目前尚未被善加利用, 但是未來必然会大規模的改成铜线Bonding. Wire Bonding分為Wedge Bonding和Ball Bonding, 由於Wedge Bonding具有方向性, 且最低的DA Bondhead最多只能达到89度, 在速度上无法和Ball Bonding來比擬. 之所以能生存下來, 由於其Fine Pitch的能力還是較Ball Bonding高, 原因是因為不需生成銲球, 不會需要這麼大的pad面積. 但是速度上的需求, 使Ball Bonding是不可能被忽略, 也因此佔了市場的93%. 目前球銲最大的缺點, 在於使用的材料需要能夠被加熱, 產生銲球. 而鋁線非常不容易生成銲球, 因此長久以來都是使用”比較貴”的金線, ”比較貴”目前已經成長到”無法負擔的貴”了. (金價最高曾到1032 USD/oz, 今天也有912 USD/oz), 因此很多廠商都退而其次, 選用Wedge Bonding來用鋁線打線, 或者死撐著用金線, 但是最理想的還是換個較便宜的材料, 眾多學術研究(沒有出處, 因為是從大陸網站看到的)指出, 铜的工藝性能好, 價格便宜, 非常符合需求.6 O! L; Y- - 9 好, 那好處在哪裡? 原因有五個, 以下將一一說明 第一. 價格. 铜價目前58 USD/oz左右, 和金價差了十多倍, 就算做成Spool也要差上將近十倍價格, 雖然鋁的價格更為便宜(約20 USD/oz), 但是各種特性遠不及金和铜, 因此铜仍有其利基點.$ i: l$ T* t7 L% : t! Z9 Y 第二. 电学性能, 导电性來說, 铜在20度時為5.88 ohm-1, 而金為4.55, 鋁為3.65, 铜的导电性較高, 表是相同直徑下的線可以運送更多電流. 電阻則是相反, 铜具有最低電阻. 铜的介電常數也比較低, 對於電流的遲滯效應較不顯著, 例於電荷輸送. 第三.热学性能, 也就是熱傳導係數比較下, 铜最高(39.4 kW/m2k), 由於復力葉定律, 熱通量等於熱傳導係數成上溫度梯度, 在溫度梯度相同下, 因為铜的熱傳導係數較高, 單位時間單位面積輸送的熱較大, 在電子產品越做越小, 越細微的情況下, 散熱是不可避免的一環, 铜在這塊就表現得很突出. (其實現在的散熱元件都很多都是是用铜作的), 另外, 铜的熱膨脹係數(CTE)也算低, 為16.5, 而金為14.2, 鋁為23.1, 受熱之後, 鋁的膨脹將最明顯.0 t; U- z* A8 X8 L; J 第四. 机械性能, 機械性能在材料中是很重要需要考慮的參數. 舉例而言, TS(Tensile Strength, 抗張強度)來說, 铜在每單位平方公厘可以抗張210370N的強度, 而金最多為220, 鋁最多只到200, 在打線時, 因為打線機(Wire Bonder)會對線材做出拉動, 或looping的動作, 如果抗張強度不夠, 線材很可能會損壞. 另外, 铜的硬度(Vickers hardness)最高, 對於線材越細之表現良好, 壞處當然也有, 留在後面再提. 另外, 在Wire Bonding有一重要參數, 稱為Break Load(BL), 代表斷裂前的最大荷重, 铜的斷裂荷重在shear Test中, 一開始比金高出許多, 但是時間一久, 金反而比铜高了, 研究人員分析之後發現, 金的內部其實出現很多Kirkendall Void, 這種孔洞非常容易造成导电度下降, 因此在Shear Test還是铜較為良好. 另外一種BL的測认为Pull Test, 測試結果發現, 铜與金的差別不大, 但是在相同半徑情況下, 铜的BL還是較金為高. 第五. 金属间化合物之生成, 以往金材最為人詬病的是金属间化合物的生成, 由於Bond Pad材質通常為鋁, 打金線後, 若是生成金属间化合物, 將會減弱金鋁的鍵結. 實驗結果證明, 金於打線後一天, 就生成Au4Cl和Au2Cl, 厚達8um, 打線後4天更是生成Kirkendall Void. 而相同實驗條件下, 铜线於一天候沒有生成任何化合物, 16天後才生成非常薄的Cu/Al層, 128天之後, 僅生成約1um的金属间化合物, 且完全沒有Kirkendall Void生成. 原因在於, 铜(1.9)的電負度和鋁(1.6)的差別比較小, 而金(2.5)和鋁的差別比較大, 電負度差大反應力越大, 且就原子半徑來看, 铜和鋁的差別較大, 較不易結合. 在比較不易生成金属间化合物的情況下, 铜线的可信賴度比金線高的多./ . x% M( o0 q X, b! Q7 t7 y6 p6 D5 P但是缺點有兩點非常致命, 從1991年開始有人研發铜线的使用, 數十年來一直在對這兩點特性思考解決方法.U+ Q 第一. 铜线在室溫下非常容易氧化, 生成CuO或Cu2O3, 除了考慮電負度的影響之外, 氧化還原電位(ORP)的比較下, 铜的氧化力比金大的多, 而金則是還原力大, 容易得電子, 不容易和氧作用提高氧化數. 一旦容易氧化, 產生的氧化層對於Bond的可信賴度就大大下降. 也因此铜线的(Shelf Life)存放時間也很短. ?$ _. j. P n 第二. 铜的硬度, 剛剛提到铜的機械性質非常良好, 由其是硬度為三種材料最高的, 但是硬度越大, 須要將铜型變(Deform)產生Bond的作用力相對需要提高, 這對於Pad的損害也很大. 而且作用力越大, 對於2nd bond的可靠性也下降, 因此铜线的2nd bond通常良率不是很好. W7 n% K& a+這两种缺点使铜無法像金、鋁一样垄断這市場, 但是几十年來, 有許多解決方法因應而生. 最主要的有二5 k* 8 i1 n% J1 z8 r5 q 第一. 使用纯性气体(Inert Gas), 例如Ar, 或者氮气, 利用纯性气体降低铜可能和氧氣接觸的可能性, 但是成本較高, 須加裝Purge或鋼瓶等設備5 c. w1 M) h& I1 8 c 第二. 合金製作, 將铜鍍上其他金屬, 如Ag, Ti, Pd金屬等, 降低铜與氧接觸的機會, 並改變其機械特性. 之前還有一日本研究人員提出用一特殊溶液在铜表面形成亞铜(Cuprous), 這樣在存放時就不需太考慮氧化問題, 而打線時加以超音波, 即可移除亞铜, 不過可能是因為成本原因無法大量使用.對於铜线在打線這產業, 各家公司還是非常看好的, 除了是高死人不償命的金價, 還有铜的五大優點, 這樣看來五項优点对两项缺点, 应该還是瑕不掩瑜, 我個人是認為, 安裝整套鈍性氣體設備真的是不符成本. 所以只能在看待大廠能不能研發出成本更低的Alloy或者electroplating, 來降低铜這高氧化性與高硬度.1.3 引线连接法1.3.1 -热压键合（TCB）定义： 利用微电弧使2550um的Au丝端头熔化成球状,通过送丝压头将球状端头压焊在裸芯片电极面的引线端子,形成第1键合点。 然后送丝压头提升，并向基板位置移动，在基板对应的导体端子上形成第2键合点，完成引线连接过程。1.3.2 超声键合法（USB）原理：对Al丝施加超声波，对材料塑性变形产生的影响，类似于加热。超声波能量被Al中的位错选择性吸收，从而位错在其束缚位置解脱出来，致使Al丝在很低的外力下即可处于塑性变形状态。这种状态下变形的Al丝，可以使基板上蒸镀的Al膜表面上形成的氧化膜破坏，露出清洁的金属表面，偏于键合。 特点： 适合细丝、粗丝以及金属扁带 不需外部加热，对器件无热影响 可以实现在玻璃、陶瓷上的连接 适用于微小区域的连接1.3.3 热超声键合法（TSB）基理： 利用超声机械振动带动丝与衬底上蒸镀的膜进行摩擦，使氧化膜破碎，纯净的金属表面相互接触，接头区的温升以及高频振动，使金属晶格上原子处于受激活状态，发生相互扩散，实现金属键合。工作原理：在超声键合机的基板支持台上引入热压键合法中采用的加热器，进行辅助加热；键合工具采用送丝压头，并进行超声振动；由送丝压头将Au丝的球形端头超声热压键合在基板的布线电极上。1.3.4 三种引线连接方法对比特性热压键合法超声键合法热超声键合法可用的丝质及直径Au丝15100umAu丝，Al丝10500umAu丝15100um键合丝的切断方法高电压（电弧）拉断拉断(超声压头)拉断(送丝压头)高电压(电弧)高电压（电弧）拉断优点键合牢固，强度高；在略粗糙的表面上也能键合；键合工艺简单无需加热；对表面洁净度不十分敏感；与热压键合法相比，可以在较低温度、较低压力下实现键合缺点对表面清洁度很敏感；应注意温度对元件的影响对表面粗糙度敏感；工艺控制复杂需要加热；与热压法相比工艺控制要复杂些其他适用于单片式LSI最适合采用Al丝适用于多芯片LSI的内部布线连接1.4 Bonding工艺对PCB的要求邦定板的外形尺寸 邦定电路板的外形尺寸不宜设置太大，一般