一级封装课程设计.doc

哈尔滨理工大学焊接课程设计一级封装中引线键合设计 班 级：222222222 学 号：0802040101姓 名：111111指导教师：1111112011年 12月 16日设计任务书：1.一级封装中的引线键合设计设计要求及有关数据：一级封装中需要将芯片上电路与外电路之间实现电气连接，芯片上预制的焊盘为Al金属化层，采用引线键合技术连接时，可选金丝或铝丝进行连接，本课程设计任务即是分别采用金丝和铝丝的连接设计，引线丝直径为25微米。1). 根据被连接材料的特点，分别设计金丝和铝丝的烧球工艺，选择各自适合的焊接方法及焊接设备（介绍其工作原理），设计具体焊接工艺参数（氧化膜的去除机理、施加压力、加热温度、连接时间）的确定。2）.该结构材料间的连接特点、连接界面组织与连接机理及接头强度的简要分析； 2.Au丝2.1:Au丝材料焊接特点分析Au具有可塑性，能产生一定的塑性变形，可以防止弹性形变。因为这种弹性形变，在解除压力后的恢复过程中，会使连接强度变弱。Au丝在高温受压状态下抗氧化性好，容易变形。Au是固态可以形成固溶体因而扩散良好的金属，具有良好的可焊性，并且相互间可以形成低熔共晶的材料，可焊性较好通过扩散可形成金属间化合物的金属，具有一定的可焊性。以上特点表明Au丝十分适合于压焊方法。2.2:焊接方法选取由于Au丝在高温受压状态下抗氧化性好，不容易产生氧化膜且容易变形，成球性好，所以选取热压焊。热压焊基本原理：1：金属丝与器件芯片同时加热加压-接触面产生塑性变形-两种金属的原始界面几乎接近到原子力范围-两种金属原子相互扩散+接触面不平整-压力作用下-高低不平的接触表面相互填充而产生机械嵌合作用，最后使两者紧密结合形成牢固的键接。2：键合施加压力-金球发生很大的塑性变形，其表面上的滑移线使洁净面呈阶梯状，并在薄膜上也切出相应的凹凸槽，表面的氧化膜被破坏，洁净面之间相互接触，发生扩散，产生了连接。图1 热压焊连接原理热压焊中重要的部分便是引线键合。1）引线键合工艺可分为三种：热压键合（适合Au丝），超声波键合(适合Al丝)，热压超声波键合(适合Au丝或Al丝)。基本形式分为两种球键合，楔键合。2）引线键合的发展：引线键合以工艺简单、成本低廉、适合多种封装形式而在连接方式中占主导地位。对引线键合工艺、材料、设备和超声引线键合机理的研究进展进行了论述与分析，列出了主要的键合工艺参数和优化方法，球键合和楔键合是引线键合的两种基本形式，热压超声波键合工艺因其加热温度低、键合强度高、有利于器件可靠性等优势而取代热压键合和超声波键合成为键合法的主流，提出了该技术的发展趋势，劈刀设计、键合材料和键合设备的有效集成是获得引线键合完整解决方案的关键。热压键合是引线在热压头的压力下，高温加热(250)焊丝发生形变，通过对时间、温度和压力的调控进行的键合方法。键合时，被焊接的金属无论是否加热都需施加一定的压力。金属受压后产生一定的塑性变形，而两种金属的原始交界面处几乎接近原子力的范围，两种金属原子产生相互扩散，形成牢固的焊接。超声波键合不加热(通常是室温)，是在施加压力的同时，在被焊件之间产生超声频率的弹性振动，破坏被焊件之间界面上的氧化层，并产生热量，使两固态金属牢固键合。这种特殊的固相焊接方法可简单地描述为：在焊接开始时，金属材料在摩擦力作用下发生强烈的塑性流动，为纯净金属表面间的接触创造了条件。而接头区的温升以及高频振动，又进步造成了金属晶格上原子的受激活状态 。因此，当有共价键性质的金属原子互相接近到以纳米级的距离时，就有可能通过公共电子形成了原子间的电子桥，即实现了所谓金属“键合”过程。超声波焊接时不需加电流、焊剂和焊料，对被焊件的理化性能无影响，也不会形成任何化合物而影响焊接强度，且具有焊接参数调节灵活，焊接范围较广等优点。热压超声波键合工艺包括热压焊与超声焊两种形式的组合。就是在超声波键合的基础上，采用对加热台和劈刀同时加热的方式，加热温度较低(低于一般温度值，大约150)，加热增强了金属间原始交界面的原子相互扩散和分子(原子)间作用力，金属的扩散在整个界面上进行，实现金丝的高质量焊接。热压超声波键合因其可降低加热温度、提高键合强度、有利于器件可靠性而取代热压键合和超声波键合成为键合法的主流。3）引线键合基本形式:球键合与楔键合。4）烧球大小选取Au丝初始烧球大小应取Au丝直径的2-3倍，精细间距时为1.5倍,最终成球尺寸不超过焊盘尺寸的3-4倍，使金丝直径的2.5-5倍。所以选取为：60m图2 金丝烧球形状金丝形球的规范为：电流15mA，时间30ms。5）引线材料：Au丝：键合后不需密闭封装。表面清洁度是保证可靠连接和防止劈刀阻塞的重要因素。Au丝应具有适当拉伸强度和延伸率。高纯Au丝非常柔软，需加入微量合金元素以提高其强度和再结晶温度，改善其可加工性。不同微量元素对金属丝的机械性质、焊球形状、弓丝弧度、尾丝余量都有不同程度的影响。 2.3:焊接设备的选择：瑞士ESEC 3100 工作原理：利用高压电火花（EFO）使金属丝断端部融成球形，在IC芯片上加热，使接触面产生塑性变形并破坏了界面的氧化膜，使其活性化，通过接触面两金属之间的扩散而完成球焊第一焊点：然后焊头通过复杂的三维移动到达集成电路底座外引线的内引出端，再加热加压完成楔焊第二焊点，从而完成一根线的连接。图3 热压焊工作原理2.4:焊接工艺参数的确定1）施加压力：过大的键合力会阻碍建和工具的运动，形成中心未键合区域，过小的键合力会导致过窄，未形成键合或尾丝翘起。选取压力100gf较为合适。2）加热温度：过高的键合温度不仅会产生过多的氧化物影响键合质量，并且由于热应力应变的影响，图像监测精度和器件的可靠性也随之下降。过低键合温度将无法去除金属表面氧化膜等杂质，无法促使金属原子间的密切接触。实验表明：最佳的键合温度在200C-240C间，此时的键合强度可达20g。选取平台温度300-350C，劈刀温度约100C。3）连接时间：通常建和时间都在几毫秒，键合点不同，时间也不一样。时间越长，引线球吸引的能量越多，键合点直径越大，界面强度增加而颈部强度降低，但过长时间会使键合点尺寸过大，导致空洞生成概率增大。温度升高会使颈部区域发生再结晶，导致颈部轻度降低，增加颈部断裂的可能，因此合适的键合时间尤为重要。选取时间20-80ms较为合适。2.5:Au-Al间的连接特点、连接界面组织与连接机理及接头强度的简要分析Au-Al键合界面无裂纹产生机械性能良好的键合拉力在3 .0 -12 .0g 之间，高温会导致Au-Al间形成了电阻率较高的化合物Au5Al2，最终引起键合电失效。该键合系统中最显著的失效现象是“紫色灾难”()，就是指当温度较高时(350以上)Au-Al接口由于Au和Al互扩散(Au线键合在Al膜上，或Al线键合在Au膜上)生成金属间化合物(颜色为紫色)导致器件失效的现象。Gehman酬研究指出，在合适的条件下Au-Al接口将生成金属间化合物AuAl(紫色)和Au5Al2(白色)等，这些金属间化合物本身并不会对器件的性能造成损害，但他们的出现标志着键合点的可靠程度已经下降。因为这些金属间化合物是脆性的，由于热循环等导致的金属丝的振动会很容易造成金属间的开裂和分层，导致键合失效更值得注意的是在高温下A1将迅速向富A1相AuAl中扩散会导致在Al和AuAl的边界处出现空洞，被称为Kirkendall void同样，Au原子也将向富Au相Au5Al2中扩散，在Au和AuAl的接口处也能观察到Kirkendallvoid的出现。如果原子扩散现象进一步加剧，则会生成新的金属问化合物，在边界处的空洞也将增多，最终将造成的结果是电路开路或焊点脱落。Horsting等指出如果镀金层中有杂质存在，将会出现增强的Kirkendall Void的现象。以上研究是针对热压焊展开的，其初始键合温度在350以上通过改进设计和工艺，使制造过程中器件在350或更高温度处停留时间缩短，在使用过程中也不会达到这样高的温度，所以在电子封装行业大多未在参考文献之外的其它地方真正碰到过。紫色灾难或Kirkendall Void等失效现象。该系统经高温贮存后，将产生多种金属间化合物如AuAl，Au5Al2，Au2Al等。这几种金属间化合物的晶格常数和热膨胀系数互不相同侧，因而在键合点中产生很大的内应力，由于金属间的互扩散效应，经过高温处理的金铝接口将形成Kirkendall空洞，导致键合电阻增加或者开路。这些金属间化合物不是同时产生的，而是依次形成的。最先在金属接口处出现的是Au2Al，它在80高温下即可出现(50时已存在局部不规则的AuA1)，同时伴随中间产物Au5Al2，这一过程直到A1或Au完全耗尽为止如果Au膜厚度大于Al膜，则Al完全耗尽。当温度增高到125以后，AuAl将转化为Au5Al2进一步加热至175，产生AuAl2若Al膜厚度大于Au膜，则Au全部耗尽当加热到230时，将转化为Au2Al，而且研究表明化合物的厚度与热处理时间t的平方根成正比早期的研究认为AuA1键合点经高温贮存，接触电阻变大，主要是AuAl(俗称紫斑)造成的，但后来有人认为不是AuAl，而是Au2Al(又称白斑)，因为其电阻率更低，质脆。所以为了防止质脆的产生应当注意焊后工艺，注意温度的控制。3.Al丝3.1:焊接方法的选取：超声键合法：焊丝超声键合是塑性流动与摩擦的结合。通过石英晶体或磁力控制，把摩擦的动作传送到一个金属传感器(Metal“HORN”)上。当石英晶体上通电时，金属传感器就会伸延；当断开电压时，传感器就会相应收缩。这些动作通过超声发生器发生，振幅一般在4-5个微米。在传感器的末端装上焊具，当焊具随着传感器伸缩前后振动时，焊丝就在键合点上摩擦，通过由上而下的压力发生塑性变形。大部分塑性变形在键合点承受超声能后发生，压力所致的塑变只是极小的一部分，这是因为超声波在键合点上产生作用时，键合点的硬度就会变弱，使同样的压力产生较大的塑变。该键合方法可用金丝或铝丝键合。因此选用超声键合法。超声波焊接基本原理：超声频率的机械振动然后劈刀在焊接处产生交变剪应力加上劈刀的垂直压力使被焊件紧密接触使两金属之间发生超声频率的摩擦，一方面消除两金属间的表面壁垒即氧化膜，另一方面焊接界面产生大量热量，使两金属塑性形变、扩散最终实现连接。其结构图如下：图4 超声波焊设备基本结构图5 超声键合工序3.2:焊接设备的选择：SD2-2型超声波点焊机1)焊机机身它由气压加压机构时间控制和换能振动系统等部分构成。加压，焊接、维持、休息四挡时间有较大的调节范围，换能振动系统的振幅值可以无级均匀调节, 加压机构可均匀的调节压力焊机加压为脚踏式。2)CSF-GA型超声波发生器，它由前置放大，限幅选频，前置推动，功率放大，主换能器。反馈换能等组成多级闭环放大电路，同时有电源部分、时间控制等附加电路。3)技术数据：该机器的超声电功率为2000瓦，电源电压为3相380伏，电源频率为50赫兹，振动频率调节范围一般为19-21千赫，声极压力调节范围一般为50-250公斤，焊接厚度一般为0.2-0.8毫米，焊接时间范围为0-15秒，机身外形尺寸为1120*555*1105毫米，发生器外形尺寸为1000*600*1100毫米。4)焊机原理：其超声发生器由波形发生模块、功率放大模块和阻抗匹配模块及锁相环模块组成，其主要作用是将工频电信号转换成主频约为60 kHz 的高频电信号，为超声换能器提供超声源。电信号经换能器产生高频振动，通过变幅杆传送到劈刀，当劈刀加超声功率时，劈刀产生机械的前后振动，振幅一般为4 5m。由于劈刀对铝丝施加了一定的压力，带动铝丝在基板的表面上来回摩擦，在负载的作用下，超声能量被金属丝吸收，使两者表面产生塑性形变，同时破坏了铝表面的氧化膜，暴露出洁净的表面，使两纯粹的金属面紧密接触，依靠原子间的引力实现键合，最终形成牢固的机械连接。3.3:焊接工艺参数的选择：1）施加压力的影响：A.超声引线键合过程中, 电磁铁的电磁吸引力为0-16. 1 N 区间内, 随着压力的增大键合力逐渐上升, 区间16. 1-18. 8 N 随着压力的上升键合力逐渐下降, 最佳键合点出现在电磁吸引力为14. 2- 17. 5 N 之间。在电磁铁的电磁吸引力逐步升高的过程中, 键合成功率随着电磁吸引力的上升而提高。 B.键合过程中, 随着电磁吸引力的增大, 电压信号出现线性增大的变化趋势, 电流则是小幅度的下降, 功率波动很小, 基本恒定。 C.用压力变化引起系统阻尼变化解释了以上现象的原因, 对超声引线键合机理的探索具有一定意义。所以施加压力选取为：15N。2）键合时间的影响：A.在小超声功率条件下, 键合强度对键合时间敏感; 在大超声功率条件下, 键合强度对键合时间的敏感性下降。B.短键合时间条件下主要键合失败形式为剥离和无粘接, 表明键合界面的原子扩散不够; 大超声功率长键合时间条件下的键合失败形式多为根切。C.改变键合时间的实质是改变输入的能量,因此, 可通过控制键合能量的输入来控制键合质量。根据以上的实验结论，所以选取的键合时间为0.1s。3.4:Al-Al接头强度的简要分析：1）键合时引线的变形：A.与膜的摩擦去膜过程；B.丝与膜已经发生了部分连接，主要发生的是劈刀与丝之间的滑动过程；同时，丝由于压力的作用发生塑性变形。C.材料不同两个阶段的持续时间将有变化，连接接的机理也不同。图6 键合时引线的变形2）变形特性与键合压力的关系：键合施加的压力越大，丝与膜之间越易早形成连接，导致丝与膜相对滑动的第一阶段的时间缩短。图7 变形特性与键合压力的关系3）键合界面：A.铝丝-金膜键合时，因摩擦系数小，丝与膜长时间相互滑动摩擦，中心部位有与超声振动方向平行的流动，而其外侧有垂直方向的流动。特性中第一阶段长而第二阶段短。B.铝丝-铝膜键合时，摩擦系数大，滑动摩擦很快停止。中心未连接，而只在边缘发生连接。流动与超声方向垂直。变形的第一阶段很短，而第二阶段长。4）键合强度与丝的变形程度的关系:A.随着变形幅度的增加，连接的强度增加；丝最小截面减小，丝的强度降低。B.临界变形幅度断裂位置变化（由焊点处-丝的缩颈处）C.当劈刀落下对丝有冲击时，超声尚未作用，不会产生连接。这部分变形对连接无贡献，总强度降低控制劈刀下落力。图8 键合强度与丝的变形程度的关系5）超声压接强度的影响因素-焊后加热:键合力：42gf 时间：0.1s 功率：可变 加热：150C，30min 焊后加热使界面的金属之间进一步扩散，接头强度提高；同时也说明，在超声压接时所形