超声参数对引线键合性能的影响

1、超声参数对引线键合性能的影响摘 要：介绍了超声引线键合技术的基本技术路线和基本原理，分析了超声波的功率、频率、振动轨迹及压力等参数对超声引线键合性能的影响。相比其它影响参数，采用高频或频复杂振动系统最有利于提高键合性能。关键词：超声，引线键合，超声焊接The influence of ultrasonic parameters in wire bonding performanceZhou Guangping1 Liang Zhaofeng1 Zhang Yang2 Lu Yigang2(1. Shenzhen Polytechnic; 2. College of Physics and Te

2、chnology, South China University of Technology)ABSTRACT: In this paper, the basic technical rout and the principle of the ultrasonic wire bonding technology were introduced. The parameters, such as ultrasonic power,frequency, the vibration locus, force, etc, which influence the performance of ultras

3、onic wire bonding, were analyzed. Compared with other influence parameters, the using of high-frequency system or high-frequency complex system is most in favor of increasing bonding performance.KETWORDS: ultrasonic; wire bonding; ultrasonic welding引言在超大规模集成电路中，引线键合是封装工艺中半导体芯片和外界连接的关键性工艺，也是最通用最简单而有效

4、的一种连接方式1-2。当今，引线键合仍然是第一级连接的主要形式3。引线键合(WB)技术是用金属丝将集成电路(IC)芯片上的电极引线与集成电路底座外引线连接在一起的工艺过程，通常采用热压、热超声和超声方法进行，现在常用的键合方法主要是热超声和超声方法，热超声键合已逐步取代了热压键合4。引线键合机的工艺技术涉及光、机、电及软件的设计控制等许多方面5。因国外的技术限制，我们国家在这种设备上主要依赖于进口，特别是全自动键合机。在超声焊接系统与工艺方面，主要研究外部条件，如超声波的功率、频率、振动轨迹、振幅、焊接压力的大小、键合时的温度等工艺参数，对键合性能的影响。对于超声工作者，主要研究超声振动系统对

5、于键合性能的影响。本文主要探讨键合机中超声参数对键合性能的影响。1 超声引线键合技术一般的引线键合机的超声系统由电信号发生器、换能器（包括压电换能器和聚能器）以及键合工具组成，如图1所示。电信号发生器是向超声换能器提供超声频电能的一种装置，换能器由压电换能器和聚能器（又称变幅杆）两部分组成，压电换能器将电能转变为机械能，聚能器在传递压电换能器所转换成的振动能量的同时，实现放大输出振幅的功能，键合工具的作用是通过与引线的接触传递超声能，并在静态压力、温度的配合下实现引线与焊盘的键合。超声键合方法是利用超声波的能量，使金属丝与电极在常温下直接键合，其键合工具头呈楔形，故又称楔键合（楔压焊）。热超声

6、键合方法是先用高压电火花使金属丝端部形成球形，然后在IC芯片上球焊，再在管壳基板上楔焊，故又称为球键合。目前大约有93%的半导体封装采用球键合工艺，5%采用楔键合工艺，其中最为广泛采用的是热超声u丝球键合，主要原因是其键合速度快于超声波l丝楔键合4,6。PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建目前，大多数引线键合机的超声频率为60kHz。选择60kHz的作为工作频率已有几十年的历史，那是基于当时用于生产的合适的换能器尺寸和焊接时的稳定性3。随着科技的不断进步和生产、使用要求的不断提高，铜丝键合新工艺的出现，晶片铝金属化布线向铜金属化布线的转变，推动了

7、低成本、细间距、高引出端数器件封装的发展，也在制造工艺上对键合机提出了挑战。超细间距引线键合需要超声换能器所发生的超声振动具有更高的稳定度及更大的强度，此外，新的键合材料(例如铜)要求超声换能器有最合适的振动频率7。在BGA8封装中，常需要在低温下进行键合，而在低温下进行键合时，对键合强度和可靠性会产生不良影响，要解决这一问题就必须要求键合机具有较高的（100kHz以上）超声频率。近年来，引线键合机的生产者已经把他们的换能器的振动频率从60kHz提高到了100kHz以上，设计出了高频超声振动系统7。还有的研究者还根据不同的焊头振动轨迹，设计出高频复杂振动系统9-10。2 超声参数对引线键合性能

8、的影响影响引线键合质量的因素有多方面，例如超声功率、焊接压力、焊接时间、温度、引线材料、键合工具等。超声引线键合的键合质量是由各参数相互匹配来决定的，不能单一强调某个参数的作用。近年来，人们研究了超声功率、频率、振动轨迹、振幅等参数对超声引线键合性能的影响，得到了许多有助于提高焊接性能的结果。2.1 超声功率与键合性能的关系目前，在工业上人们多数认同扩散是引线键合中焊点形成的机制这一理论11。在超声焊接过程中，焊接依靠超声功率带动焊接工具振动，从而使引线产生塑性形变，并能去除界面的污物和氧化层，为原子扩散提供原始的接触区域，使焊点实现真正的冶金键合。如果超声功率设得非常高，将使引线立即产生塑性

9、形变，结果，在键合压力作用下，引线马上坍塌下来，不能有效去除键合表面的污物和氧化物，限制了原子的扩散，原子扩散由外向里向起始焊接环扩张，导致一个大区域未获得焊接11。过大的超声功率会导致键合工具以过大的振幅振动，导致变形太大，会使焊点抗拉强度减弱12-13。功率过大还会损坏金属化层，破坏芯片表面13。而且，使用高功率可能会在金属化合结构间产生气泡，这会导致非常大的失效11。另一方面，如果超声功率设得相对较低，引线的塑性形变较为平缓，能有效去除键合表面的污物和氧化物，为最新的活性原子扩散提供原始的接触区域，原子扩散是从起始焊接环由里向外扩张，这种情况的焊接是比较充分的，而且还使得金属化合结构间的

10、变化降到最小，但是所需的键合时间长，这不利于提高生产速度；倘若减少焊接时间，又可能因键合的能量不够，起不到焊接作用，造成虚焊 1114 。不同直径的引线所需的功率不同，直径粗的引线，要求的功率大些。只有选择合适的超声功率，才能获得良好的键合效果11-15。2.2 超声频率、振动轨迹和振幅与键合性能的关系Bill Gonzalez等采用60kHz和120kHz的换能器，对直径为25µm的铝丝和两层PGA板间的焊接特性进行了研究，结果表明，提高超声频率对于减少焊接时间有显著的效果。对比推荐的焊接时间，每个焊点能减少10ms，每根引线能减少20ms，采用120kHz换能器焊接，产生的引线焊

11、点剥落失效比采用60kHz产生的少，还能减少对焊点根部的损伤16。PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建正如前面提到的，过大的超声功率会导致键合工具以过大的振幅振动，导致变形太大，会使焊点抗拉强度减弱。而采用高频超声振动系统能避免这种情况，在功率一定的情况下，增加频率f可以看作一种降低振幅的方法，而且能在减小振幅的情况下获得同样质量的焊点。同时，振幅减小，有利于减小焊点宽度，也就相应的可以在相同面积的芯片内获得更多的焊点。我们知道，完成一次焊接需要一定的时间。在其他焊接条件不变的情况下，随着焊接时间的增加，焊接强度会增大到一个最大值，之后继续增加焊

12、接时间的话焊接强度会逐渐下降20。为了提高生产速度，我们希望在获得同样的焊接质量的情况下能尽量缩短焊接时间，高频系统明显的优势之一就是能减少焊接时间。研究者还发现18，采用复杂振动的高频系统，能进一步减少焊接时间。在引线键合过程中，基板的温度控制是很重要的，人们希望能尽量减小焊接时的温度，最理想的就是希望能在室温下进行焊接，减小键合温度对于像PBGA这种封装也是必要的，PBGA的特点是采用聚合物作为基版，它存在1700C2150C的玻璃化过渡（glass120kHz高频的PBGA引线键合，结果发现，在120kHz高频引线键合中，温度起的作用较小，使用高频超声引线键合机，金丝引线键合在低温下（8

13、01200C）也是可行的。其结果表明，把换能器的工作频率从60kHz提高到120kHz，可以补偿在PBGA引线键合中受PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建到温度限制的能量，而无需增加焊头的振幅和焊接时间22。T. H. Ramsey等人采用超声频率为240kHz的引线键合系统，也在实验中证实了使用高频换能器的低温引线键合能提高键合点的剪切强度23。焊接过程中，还有一个非常重要的影响因素，就是键合压力（焊接压力），它指的是焊点处的垂直压力。焊接压力的大小直接影响到焊点的键合质量。如果压力太小，会导致引线焊不牢，同时会造成引线与键合工具端面粘连现象。

14、而压力过大，会使引线的变形增大，甚至切断引线，破坏金属层。在其他焊接条件不变的情况下，不同规格的引线在焊接时需施加的静压力也不同，粗的引线所需的压力要大些13。Shze.J .Hu采用不同的超声功率和焊接压力研究了温度参数对热声金丝引线键合的影响，其实验结果表明，在其他焊接条件一定的情况下，一定焊接压力范围内的平均球剪切强度随着焊接压力的增大而增大15。从能量因素来看，可以认为压力也是提供原子扩散所需的能量的一方面，增大压力可以补偿低温键合时的温度限制，但是，压力过大会导致不利于焊接质量的结果。这说明压力的调节是有限制的。研究者发现16，采用高频超声振动系统，允许在非常低的初始焊接压力下焊接，

15、而不影响焊接质量。3 高频超声振动系统工作性能问题超声振动系统是超声键合机的关键部分，为适应封装业发展的需求，工业生产者和研究者已逐步开始采用高频超声焊接系统，在实践中人们已经证实了相对一般60kHz的超声焊接系统，高频（100kHz以上）系统能获得更好的引线键合质量，但同时相应的问题也出现在人们面前，就是高频超声振动系统的工作性能问题。提高引线键合机的超声频率，也就是提高换能器的工作频率，换能器的工作性能会出现可靠性问题。原因是，超细间距引线键合需要超声换能器所发生的超声振动具有更高的稳定度及更大的强度，而换能器存在的工作谐振模式很容易和其它更高的谐振模式耦合，例如半径、厚壁模式和以及出现在压电PZT环的它们的谐波，这样就难以控制换能器24。换能器是用一个法兰盘安装在引线键合机上的，用螺钉把常用的法兰盘拧紧组装时，法兰盘受到约束，法兰盘及换能器的超声场受到干扰，超声换能器与焊接部件存在超声耦合问题，而采用新的材料钛，使用有限元法（FEM）及激光干涉测量法等新的方法，就能解决换能器的稳定性、强度和超声耦合等问题，设计出适合引线键合