WB工艺技术ppt课件

WB工艺报告,一、IC封装发展趋势1.1芯片封装工艺1.2芯片与封装的互连1.3微电子封装和PCB板之间的互连1.4封装密度正愈来愈高二、IC封装工艺2.1等离子清洗工艺2.2WB工艺2.3推拉力测试,1,一、IC封装发展趋势,1.1芯片封装工艺从逐个管芯封装到出现了圆片级封装，即先将圆片划片成小管芯，再逐个封装成器件，到在圆片上完成封装划片后就成器件。1.2芯片与封装的互连从引线键合（WB）向倒装焊（FC）转变。1.3微电子封装和PCB板之间的互连已由通孔插装(PTH)为主转为表面贴装（SMT）为主。,2,1.4封装密度正愈来愈高封装密度的提高有三方面：（1）硅片的封装效率=硅芯片面积/封装所占印制板面积=Sd/Sp不断提高；（2）封装的高度不断降低；（3）引线节距不断缩小；引线布置从封装的两侧发展到封装的四周，到封装的底面。这样使单位封装体积的硅密度和引线密度都大大提高。,3,2.1等离子清洗工艺,2.1.1等离子定义等离子体是部分电离的气体，是物质常见的固体、液体、气态以外的第四态。等离子体由电子、离子、自由基、光子以及其他中性粒子组成。,2.1.2等离子清洗机理主要是依靠等离子体中活性粒子的“活化作用”达到去除物体表面污渍的目的。就反应机理来看，等离子体清洗通常包括以下过程：无机气体被激发为等离子态；气相物质被吸附在固体表面；被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子；产物分子解析形成气相；反应残余物脱离表面。以下是等离子清洗与传统湿法化学清洗比较：,二、IC封装工艺,4,等离子体清洗技术的最大特点是不分处理对象的基材类型，均可进行处理，对金属、半导体、氧化物和大多数高分子材料，如聚丙烯、聚脂、聚酰亚胺、聚氯乙烷、环氧、甚至聚四氟乙烯等都能很好地处理，并可实现整体和局部以及复杂结构的清洗。正确的等离子体清洗不会在表面产生损伤层，表面质量得到保证；由于是在真空中进行，不污染环境，保证清洗表面不被二次污染。,5,2.1.2.1等离子清洗分类等离子体与固体表面发生反应可以分为物理反应（离子轰击）和化学反应。物理反应机制是活性粒子轰击待清洗表面，使污染物脱离表面最终被真空泵吸走；化学反应机制是各种活性的粒子和污染物反应生成易挥发性的物质，再由真空泵吸走挥发性的物质。,（1）物理反应主要是利用等离子体（如Ar）里的离子作纯物理的撞击，把材料表面的原子或附着材料表面的原子打掉，由于离子在压力较低时的平均自由程较长，有得能量的累积，因而在物理撞击时，离子的能量越高，越是有的作撞击，所以若要以物理反应为主时，就必须控制较低的压力下来进行反应，这样清洗效果较好。,6,（2）化学反应在化学反应里常用的气体有氢气（H2）、氧气（O2）、甲烷（CF4）等，这些气体在电浆内反应成高活性的自由基，这些自由基会进一步与材料表面作反应。其反应机理主要是利用等离子体里的自由基来与材料表面做化学反应，在压力较高时，对自由基的产生较有利，所以若要以化学反应为主时，就必须控制较高的压力来近进行反应。例如氧气等离子体形成过程如下：,7,2.1.2.2等离子种类,（1）低温及高温等离子体等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体两类，在等离子体中，不同微粒的温度实际上是不同的，所具有的温度是与微粒的动能即运动速度质量有关，把等离子体中存在的离子的温度用Ti表示，电子的温度用Te表示，而原子、分子或原子团等中性粒子的温度用Tn表示，对于Te大大高于Ti和Tn的场合，即低压体气的场合，此时气体的压力只有几百个帕斯卡，当采用直流电压或高频电压做电场时，由于电子本身的质量很小，在电池中容易得到加快，从而可获得平均可达数电子伏特的高能量，对于电子，此能量的对应温度为几万度（K），而弟子由于质量较大，很难被电场加速，因此温度仅几千度。由于气体粒子温度较低（具有低温特性），因此把这种等离子体称为低温等离子体。当气体处于高压状态并从外界获得大量能量时，粒子之间的相互碰撞频率大大增加，各种微粒的温度基本相同，即Te基本与Ti及Tn相同，我们把这种条件下得到的等离子体称为高温等离子体，太阳就是自己界中的高温等离子体。由于高温等离子体对物体表面的作用过于强烈，因此在实际应用中很少使用，目前投入使用的只有低温等离子体。,8,（2）活泼气体和不活泼气体等离子体活泼气体和不活泼气体等离子体，根据产生等离子体时应用的气体的化学性质不同，可分为不活泼气体等离子体和活泼气体等离子体两类，不活泼气体如氩气（Ar）、氮气（N2）、氟化氮（NF3）、四氟化碳（CF4）等，活泼气体如氧气（O2）、氢气（H2）等，不同类型的气体在清洗过程中的反应机理是不同的，活泼气体的等离子体具有更强的化学反应活性。,9,2.1.2.3等离子体与物体表面的作用在等离子体中，除了气体分子、离子和电子外，还存在受到能量激励状态的电中性的原子或者原子团（又称自由基），以及等离子体发射出的光线，其中波的长短、能量的高低在等离子体和物质表面相互作用时有着重要作用。（1）原子团等自由基与物质表面的反应由于这些自由基呈电中性，存在寿命较长，而且在等离子体中的数量多于离子，因此自由基在等离子体中发挥着重要作用，自由基的作用主要表现在化学反应过程中能量传递的“活化”作用，处于激发状态的自由基具有较高的能量，因此易与物质表面分子结合时形成新的自由基，新形成的自由基同样处于不稳定的高能量状态，很可能发生分解反应，再变成较小分子的同时生成新的自由基，这种反应过程还可能继续进行下去，最后分解成水、二氧化碳之类的简单分子。在另一些情况下，自由基与物质表面分子结合的同时，会释放出大量的结合能，这种能量又成为引发新的表面反应推动力，从而引发物质表面上的物质发生化学反应而被除去。,10,（2）电子与物体表面的作用一方面电子对物质表面的撞击作用，可以促使吸附在物质表面的气体分子发生分解和解析，另一方面大量的电子撞击有利引起化学反应。出于电子质量极小，因此比离子的移动速度要快得多，当进行等离子处理时，电子要比离子更早到达物质表面，并使表面带有负电荷，这有利于引发进一步反应。（3）离子与物质表面的作用通常指的是带正电荷的阳离子的作用，阳离子有加速度冲向带负电荷表面的倾向，此时是物质表面获得相当大的动能，足以撞击去除表面上附着的颗粒性物质，我们把这种现象成为溅射现象，而通过离子的冲击作用可极大促进物体表面化学反应发生的几率。（4）紫外线与物体表面的作用紫外线具有很强的光能，可使附着在物体表面的物质的分子键发生断裂而分解，而且紫外线具有很强的穿透能力，可透过物质表面深达数微米而产生反应作用。,11,2.1.3等离子清洗应用在微电子封装的生产过程中，由于指印、助焊剂、各种交叉污染、自然氧化等，器件和材料表面会形成各种沾污，这些沾污会明显地影响封装生产过程中的相关工艺质量。使用等离子体清洗可以很容易清除掉生产过程中所形成的这些分子水平的污染，保证工件表面原子与即将附着材料的原子之间紧密接触，从而有效地提高引线键合强度，改善芯片粘接质量，减少封装漏气率，提高元器件的性能、成品率和可靠性。国内某单位在铝丝键合前采用等离子体清洗后，键合成品率提高10，键合强度一致性也有提高。在微电子封装中，等离子体清洗工艺的选择取决于后续工艺对材料表面的要求、材料表面的原有特征、化学组成以及污染物的性质等。通常应用于等离子体清洗的气体有氩气、氧气、氢气、四氟化碳及其混合气体等。,12,（1）等离子体清洗铝键合区集成电路键合区质量对微电子器件的可靠性起到非常重要的作用，封装作为器件和电子系统之间的唯一连接，键合区必须无污染物和具有良好的键合特性。污染物（如氧化物和有机残渣）会严重削弱键合区的粘接性能，而传统的湿法清洗对键合区的污染物去除不彻底或者不能去除。研究表明，采用等离子体清洗能够有效去除键合区的表面沾污物，提高键合区的粘接性。Y.F.Chong在研究中采用Ar/H2（激发频率13.56MHz）等离子体清洗键合区。等离子态气体和污染物反应生成挥发性的气体（如CO2和H2O），然后由真空系统吸走这些气体。清洗后采用俄歇电子能谱（AES）、X光电子能谱（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）对键合区表面进行检测，检测结果表明氧化物沾污的含量大大降低，但是对键合区周围的钝化层也造成了很大的损伤。,13,（2）等离子体清洗对基板焊盘的影响引线键合是基板和芯片之间的主要连接方式之一，在微电子封装中，基板和芯片之间有大量的引线键合。除了引线丝质量、超声能量、时间、压力和温度对引线键合产生影响外，基板上焊盘的表面特性对其也有重要的影响。基板焊盘上的污染物（如氧化物和碳氢化合物）会降低表面质量和明显地降低引线键合的成功率，弥散于空间中的污染含量达到1g/m3就会极大地影响引线键合的强度。因此在引线键合前清洗焊盘表面是十分重要的。,14,(3)等离子体清洗铜引线框架引线框架封装仍是目前封装的主流，铜合金由于具有良好的导热性能、电性能、加工性能以及较低的价格被用作主要的引线框架材料。但是铜的氧化物和其他的一些污染物会造成模塑料与铜引线框架分层，降低器件的可靠性，进而影响到芯片粘接和引线键合的质量。因此保持引线框架的清洁是保证封装可靠性重要的一步。试验结果表明，氧化时间的增长会降低拉力。氧化物厚度的增长也会降低引线键合区上键合丝的拉力。当引线框架经过预氧化和等离子体清洗后，拉力得到了大幅度的提高，尤其是经过Ar等离子体清洗2.5min的样品提高更加明显。上述结果的一个可能的解释是，氩等离子体溅射增加了表面的微小粗糙度，从而使机械性能增强和增大了化学反应的表面积。可用原子力显微镜（AFM）观察表明的形貌和微粗糙度。经过氩等离子体清洗，短时间清洗后表面非常明显地变粗糙了，长时间的清洗后表面变得光滑。而采用氩氢等离子体清洗，表面的形貌不发生变化，并且时间不对其产生影响，这可以解释为什么氩氢等离子体清洗对拉力没有显著的影响。,15,(4)陶瓷封装电镀前等离子体清洗陶瓷封装中通常使用金属浆料印制线作键合区、盖板密封区。在这些材料的表面电镀Ni、Au前采用等离子体清洗，可去掉有机物沾污，明显提高镀层质量。,16,2.1.4结论湿法清洗虽然在现有的微电子封装生产中占据主要地位，但是其带来的环境以及原料消耗问题不容忽视。而作为干法清洗中最有发展潜力的等离子体清洗，则具有不分材料类型均可进行清洗、清洗质量好、对环境污染小等优点。等离子体清洗技术在微电子封装中具有广泛的应用，主要用于去除表面污物和表面刻蚀等，工艺的选择取决于后序工艺对材料表面的要求、材料表面的原有特征、化学组成以及表面污染物性质。将等离子体清洗引入微电子封装中，能够显著改善封装质量和可靠性。但是采用不同的工艺，对键合特性、引线框架的性能等的影响有很大差异。例如，对铝键合区采用氩氢等离子体清洗一段时间后，键合区的粘接性能有明显提高，但是过长的时间也会对钝化层造成损害；对焊盘采用物理反应机制等离子体清洗会造成“二次污染”，反而降低了焊盘的表面特性；对铜引线框架采用两种不同机制的等离子清洗，拉力测试的结果有很大差异。因此，选择合适的清洗方式和清洗时间，对提高封装质量和可靠性是十分重要的。,17,2.2WB工艺,2.2.1WB定义引线键合是一项运用微细金属线以及通过热量、压力及超声波能的组合作用达到电气互连的技术。其亦是将两种金属材料（金线与键合衬垫表面）“亲密接触”的固相熔接技术。一旦两种金属紧密结合，将会产生电子的跨区迁移、共享以及不同原子的互相扩散，于是便形成了引线键合工艺的打点抑或连接点。,2.2.2WB种类（1）热压焊接（TCB）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，并向基板位置移动且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。,18,（2）超声波焊接（USB)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。,（3）热超声焊接（TSB）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。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。,19,2.2.3WB形式（1）楔形焊接这种方法因劈刀形状为楔形而得名。劈刀的截面一般是圆形和矩形。这种方法常用来焊接较细的引线和较小的电极。由于楔形辟刀的压力使引线产生凹槽，如果焊接参数控制不当，凹槽太深就会削弱焊点的键合强度。并且，楔压焊不易做到自动送丝。因此，这种方法的生产效率会比较低。如图3.1所示,图3.1楔形焊接示意图,20,图3.2球形焊接示意图,（2）球形焊接这种方法又称为针头热压焊或金丝球焊法。它可以避免凹槽现象的产生。还可以在不增大引线直径的情况下，提供较大的焊接面积，并可以做到自动送丝。如图3.2所示,21,2.2.4WB材料（1）键合工具引线焊接所使用的焊线工具有两种，一是楔形劈刀，通常是钨碳或者钛碳合金，在劈刀尾部有一个呈一定角度的进线孔。二是球形焊线所使用的毛细管劈刀，它是一种轴形对称的带有垂直方向孔的陶瓷工具。劈刀的尺寸影响引线键合质量和生产的稳定性，因此劈刀的选择及安装是很重要的。由于键合实验中劈刀易损，所以劈刀必须多备以用。（2）引线材料导电性能好、可塑性好、弹性小及键合处的机械强度高等，常用的引线材料主要有：铝丝、硅铝丝、金丝、铜丝等。,22,金丝我们主要用纯度、线径、延展性、抗拉强度和热影响区域等几个参数来描述金线的性能。线径：根据不同产品的要求,我们通常所用线径有0.6mil、1.0mil、1.2mil、1.3mil、2.0mil等几种。延展性：我们知道，金是一种延展性很好的金属，在引线键合工艺中，延展性指的是一米的金线所能拉伸最大余量所占原长的百分比。抗拉强度：指金线拉伸至断裂所用力的临界值。热影响区域：在超声波-热压-金球焊过程中，打火成球的一瞬间，金线是暴露在高温下的。在金球成型后，露于劈刀外的球颈由于高温的作用，相较于金线的其他部分晶粒变大且硬度减小将近20%，我们把这部分暴露在外的脆弱的金线叫做热影响区。热影响区的长度和其晶粒大小很大程度上影响到了线弧的形状和强度。,23,铝丝和硅铝丝铝丝和硅铝丝是微电子器件内引线的主要材料之一，广泛运用于平面型器件及集成电路中。用作器件内引线的铝丝的纯度为99.999%，由于铝的表面容易生成坚硬的高熔点氧化层(AL2O3），所以加工成极细的铝丝比较难。纯铝丝在使用前应进行退火处理，退火可在或真空气氛中进行，退火温度为400500C，如果退火不当，铝丝显得太硬，影响焊接。纯铝丝的主要缺点是抗拉强度低。为了改善纯铝丝的抗拉强度，目前采用硅铝丝，即在纯铝中掺入1%的硅，这样既便于拉丝加工，也有利于焊接。,24,铜丝在集成电路内连接领域，铜球键合主要以其较低的成本和较强的抗冲弯特性（塑模过程中线弧在垂直于它的长度的方向上移动的趋势）得到了极大的关注。这种材料键合的主要问题是它的可焊性，众所周知，铜比金和铝都要硬，这能够导致在做焊接强度和腐蚀测试时，容易把金属化层轻易地全部推开，因此，更牢固的金属化层成为了攻克这一问题的关键。此外，铜球键合必须在惰性气体中进行，不然铜接触空气会迅速氧化。,25,2.2.5WB主要参数影响（1）超声功率超声功率是超声波热压焊的基本条件。焊接依靠超声规律使劈刀振动，从而使引线塑性变形和去除界面的氧化层，使焊点实现真正的冶金键合。功率过大，引线过多磨损而导致行变太大，造成焊点抗拉强度减弱，严重的损坏铝层破坏芯片表面。功率太小，则起不到焊接作用。不同直径的引线所需的功率不同，直径粗的引线要求超声波功率大一些。（2）键合温度键合温度也是热压焊的基本条件。在一定的压力和焊接持续时间下，若温度过低则不能形成键合；若温度过高，焊点变形很厉害，以致减弱键合的机械强度。并且管芯在过高的温度下进行焊接，其电参数会变坏，甚至成为废品。,26,（3）键合压力键合压力是超声波焊的必要条件。这里所指的是焊点处的垂直静压力。施加压力的目的是为了使引线与电极金属化层紧密地接触。压力太小，劈刀不能牢固地压住引线，超声功率不能传递到引线与电极金属化层的交界面，不能使引线与电极金属化层产生相对摩擦，以致焊不牢。压力过大时，引线的变形增大，会切断引线或破坏电极金属化层。因此，选择适当的压力是焊接的关键。在一定的超声波功率和焊接持续时间的情况下，不同规格直径的金丝，在焊接时需加的静压力也不同，粗的引线需加的压力要大些。（4）键合时间键合时间是超声焊的充分条件。在一定的超声功率与压力下，焊接持续时间太短，焊点处的引线与电极区金属化层的表面吸附层和氧化膜还没有清除，,27,或者还没有形成原子间的冶金键合超声振动就停止了，这样都会造成焊不牢的现象。如果焊接持续时间太长，使金丝和铝层在长时间的超声振动下摩擦，造成引线与金属层损伤很厉害，轻者使焊点机械强度减弱，重者会被破坏焊点。在具体热压焊接过程中，超声波功率、焊接温度、压力及焊接持续时间四者之间，只能在可焊情况下适当调整。其中任何一参数的增加或减少都可以用其它几个参数来补偿。但是，不能在一个很大范围内变动。此外，为了在低温实验中不至于因引线的收缩而绷断压点，在热压焊接时引线走向要略有弧度，不可太松或太紧。,28,2.2.6WB环境影响因素（1）键合区域有绝缘层在芯片制造过程中，由于键合区光刻胶或窗口钝化膜未去除干净，可能形成绝缘层。金属问键合接触时，在有氧、氯、硫、水汽的环境下，金属往往与这些气体反应生成氧化物、硫化物等绝缘夹层，或受氯的腐蚀，导致接触电阻增加，从而使键合质量可靠性降低。如：器件A1焊盘内的氧含量过高，将焊盘表面的大部分A1氧化；由此生成的过厚的A12O3氧化膜阻碍了键合所必需的金属连接和扩散过程，导致键合质量差，甚至无法实现金丝和Al焊盘的键合。在这种情况下，即使勉强键合上，其结合强度也很低，极易开裂，导致失效，因此必须尽可能地避免或者减少氧化膜的产生。,29,（2）表面污染，原子扩散受影响焊盘上及厚膜导体的杂质污染是引线键合可焊性和可靠性下降的一个主要原因。包括芯片、管壳、劈刀、金丝、镊子各个环节均可能造成污染。外界环境净化度不够，可造成灰尘污染；人体净化不良，可造成有机物及钠污染等；芯片、管壳等未及时处理干净，残留镀金液，可造成钾及碳污染等，这种污染属于批次性问题；金丝、管壳存放过久，不但易被污染，而且易老化，金丝硬度和延展率也会发生变化。（3）键合参数不合理金丝键合中影响金球与基板键合强度的因素多种多样，除了超声、温度以及压力之外，烧球质量、劈刀质量、金丝线的拱度、手动操作时的平稳性以及运动机构的稳定性等因素都直接影响键合的效果。,30,（4）金属间合金化合物随着时间的延长和温度的升高，键合界面总会产生这些金属间化合物，金属间化合物的晶格常数、膨胀系数及形成过程中体积的变化都是不同的，而且多是脆性的，导电率较低，少量的金属间化合物，对界面键合强度起一定强化作用，过多的金属间化合物就出现键合强度降低、变脆、以及接触电阻变大等情况，最终可导致器件在开路或器件的电性能退化，所以必须适当控制工艺尽金属间化合物的生成。在Au-A1键合系统中，采用的是Au丝热压焊工艺，由于在高温(300以上)下，金向铝中迅速扩散，金的扩散速度大于铝扩散速度，结果出现了在金层一侧留下部分原子空隙，这些原子空隙自发聚积，在金属间化合物与金属交界面上形成了空洞，形成柯肯德尔效应。当柯氏效应一空洞增大到一定程度后，将使键合界面强度急剧下降，接触电阻增大。,31,（5）人为因素引线表面肮脏；金属丝传送角度不对；楔通孔中部分堵塞；用于夹断引线的工具肮脏；夹具间隙不正确；夹具所施加的压力不对；金属丝拉伸错误。,32,2.2.7WB出现的问题及其解决方案,33,2.2.8总结随着IC封装尺寸的减小，新材料、新封装形式COB、MCM等的应用，对于引线键合技术提出了更高的要求。当前先进的IC封装设备基本上被国外大公司所垄断，如美国的US、