半导体封装过程wirebond中wireloop的研究报告及其优化

1、-. z师大学电气与自动化科学学院毕业设计论文半导体封装过程wire bond中wire loop的研究及其优化专 业 机电一体化 班级* 22021439 学生 晶炎 单位指导教师储焱 学校指导教师 朝晖 评阅教师 2005年5月30日摘要在半导体封装过程中，IC芯片与外部电路的连接一段使用金线金线的直径非常小0.8-2.0 mils来完成，金线wire bond过程中可以通过控制不同的参数来形成不同的loop形状，除了金线自身的物理强度特性外，不同的loop形状对外力的抵抗能力有差异，而对于wire bond来说，我们希望有一种或几种loop形状的抵抗外力性能出色，这样，不仅在半导体封装的

2、前道，在半导体封装的后道也能提高mold过后的良品率，即有效地抑制wire sweeping, wire open.以及由wire sweeping引起的bond short.因此，我们提出对wire loop的形状进展研究，以期得到一个能够提高wire抗外力能力的途径。对于wire loop形状的研究，可以解决：金线neck broken的改善。BPT数值的升高。抗mold过程中EMC的冲击力加强。搬运过程中抗冲击力的加强。关键词：半导体封装，金线，引线焊接,线型。AbstractDuring the process of the semiconductor assembly, we use

3、 the Au wire to connect the peripheral circuit from the IC. (The diameter of the Au wire is very small .Usually, its about 0.8mil2mil.)And during the Au wire bonding, we can get different loop types from control the different parameters. Besides the physics characteristic of the Au wire, the loop ty

4、pes can also affect the repellence under the outside force. For the process of the wire bond, we hope there are some good loop types so that improve the repellence under the outside force.According to this, it can improve the good device ratio after molding. It not only reduces the wire sweeping and

5、 the wire open of Au wires but also avoid the bond short cause by the wire sweeping.Therefore, we do the disquisition about the loop type for getting the way to improve the repellence under outside forces. This disquisition can solve the problem about:Improve the neck broken of Au wire.Heighten the

6、BST data.Enhance the resist force to EMC during the molding process.Decrease the possibility of device broken when it be moved.Keyword: the semiconductor assembly, Au wire, wire bond, wire loop.目录摘要 Abstract1 绪论1.1 本课题研究的意义 1.2环境及实验设备简介 1.3主要的研究工作 2 根底知识介绍 2.1wire bond的介绍及根本原理 2.2 wire loop 的根本参数 2.

7、2.1 loop type弧型 2.2.2 LH弧高 2.2.3 reverse distance(反向线弧长度) 2.2.4 RDA(反向线弧角度) 2.2.5 2nd kink(第二弯曲点) 2.2.6 2nd kink HT factor(第二弯曲点高度因素)2.6.7 span length (水平长度) 2.3 mold 的根本概念 2.4 BPT 测试的简单介绍3 实验设备及环境条件3.1实验材料 3.2实验设备介绍 3.2.1wire bond设备 测试仪 3.2.3 mold设备及wire sweeping 测试设备 3.3环境条件4 实验设计及数据处理4.1实验设计及研究方法

8、 4.2实验过程及数据采集 4.2.1 loop type: Q-LOOP (1) 4.2.1.1 参数 4.2.1.2 BPT数据4.2.1.3 wire sweeping测试数据 4.2.2 loop type: Q-LOOP(2) 4.2.2.1 参数 数据 4.2.2.3 wire sweeping测试数据 4.2.3 loop type: SQUARE-LOOP(1) 4.2.3.1 参数 4.2.3.2 BPT数据 4.2.3.3 wire sweeping测试数据 4.2.4 loop type: SQUARE-LOOP(2) 4.2.4.1 参数 4.2.4.2 BPT数据 s

9、weeping测试数据 4.3数据处理分析及其结果 4.3.1实验数据处理 数据分析及分析结果 4.3.2.1 BPT数据分析及结果 4.3.2.2 wire sweeping测试数据分析及结果 综合分析及结果 5理论计算5.1关于理论计算的说明5.2转动惯量的概念转动惯量的定义 5.2.2移轴定理5.3转动惯量条件下S弧与Q弧的比拟5.3.1 S弧的转动惯量 5.3.2 Q弧的转动惯量 5.3.3 一定条件下两弧的比拟计算5.4转动惯量对S弧模型的影响5.4.1 S弧模型1弧模型25.5转动惯量对Q弧模型的影响 5.5.1 Q弧模型1 5.5.2 Q弧模型26结论 绪论1.1 本课题研究的意

10、义在现在的半导体封装中，大多在对金线的机械强度的提高在做努力，即提高原材料的机械强度，而对wire loop形状的研究还鲜有报道，即使有这方面的研究也并未正式公开的发表相关论文。所以，在这方面的深入研究还是很有意义的。1.2环境及实验设备简介固定一种金线2.0mil作为实验原材料，固定实验机器为ASM*Eagle 60 wire bonder进展实验。(注：1mil=25.4um)1.3主要的研究工作本设计主要的研究工作是对芯片进展引线焊接所行成的各种不同线型的研究分析。我们通过设计实验的方法将其进展优化，以提高金线承受外力的能力，并最终指导实际生产工具。2 根底知识介绍2.1wire bon

11、d的根本原理Wire bonding是一种使用了热能、压力以及超声能量的芯片互连技术，本质上是一种固相焊接工艺。用金线或铝线把芯片上的焊盘与引线框架上的相应引脚连接起来，以实现芯片与外部电路连接的功能，如图。图2.1.1本设计中金线的wire bond采用热超声法，其将焊件加热到200250oC,使用劈刀。图是wire bond-ball bonding的大致过程。图2.1.2 W/B过程Bond过程是一个极其复杂的过程，它聚集了计算机控制技术、高精度图像识别处理技术PRS、高精度机械配合、自动控制反响等高科技。Wire bond技术的开展是围绕封装技术的开展进展的。目前还是最成熟的芯片互连技

12、术。在任何开发出的新封装类型中都可以应用WB技术。随着技术的开展，提出了超细间距BOND技术、铜线BOND技术、带BOND技术等新技术，也给我们带来了新的研究课题。同时我们也应该看到，毕竟作为一种“老技术也有不可防止的缺点如：线长带来阻抗增加和电感增大，从而限制了对高频器件封装的选择，另外散热性能也没有裸倒装芯片来得好。不过掌握wire bond技术从而保证生产的稳定，对公司的开展来说有重要的意义。2.2 wire loop的根本参数2.2.1 loop type弧型: 图2.2.1.1 Q-LOOP图2.1.1.2 SQUARE-LOOPLH弧高图LH = loop height弧高reve

13、rse distance(反向线弧长度)图reverse distance反向线弧长度RDA(反向线弧角度)图RDA=reverse distance angle反向线弧角度2nd kink(第二弯曲点)图2nd Kink(第二弯曲点)2nd kink HT factor(第二弯曲点高度因素)图2nd kink HT factor span length (水平长度)图span length(水平长度)2.3 mold的根本概念Mold就是把已经Wire-bond完成后的材料用EMC包装起来，从而到达保护Chip,使其免受外界的因素，包括热辐射、机械冲击、化学腐蚀等因素的影响、维持其本身所具有

14、的电子性能，因而Mold工程对PKG技术的开展具有很重要的意义。其中的封装材料EMC是Epo*y Molding pound的缩写，其性质为一热固性树脂。EMC在高温作用下，其中的一局部颗粒受热后逐步融化，但当温度继续上升时，这局部物质反而又逐渐反响成为固体，而且其过程不逆转，如此循环，直至全部颗粒反响完毕。由于反响是不可逆的，因此保证了PKG在使用过程中产生的热量不会对其外形产生太大的影响。2.4BPT测试的简单介绍BOND PULL TEST简称BPT是测量PAD和 LEAD的BOND质量的一种方法。利用测力的小钩，在LOOP的规定的位置测量WIRE BROKEN力的大小，并观察是否有LE

15、AD OPEN、PAD OPEN和METAL OPEN等不良。图2.4 Bond pull test 3 实验设备及环境条件3.1实验材料实验材料采用金线直径=2mil,纯度99.9999%，如图3.1。芯片采用LVIC,尺寸为95*93(mil)。Lead Frame引线框架采用TO-220 D-PAK的。图 3.1 金线3.2 实验设备介绍3.2.1 wire bond设备 Wire bond 我们使用ASM*Eagle 60 wire bonder来完成。如图3.2.1:图3.2.1 ASM*Eagle 60 wire bonder BPT测试仪Bond pull test即通常我们所说

16、的BPT测试，我们使用dage*SERIES 4000测试仪来得到所求数据。如:图3.2.2 dage*SERIES 4000设备及wire sweeping 测试设备在半导体封装的后道，Mold是将前道bond好的芯片通过模具注入环氧树脂EMC，将芯片封装起来的一道工序。在 MOLDING工程中，生产设备主要设备有：UPS 120N系列N/NC/NE*/S自动设备，如图。Mold 过后的wire sweeping我们使用dage*L6500*光测试仪测得。如:图 UPS120N系列mold设备图3.2.3.2 dage*L 6500(*-RAY)3.3 环境条件环境温度控制围：3摄氏度+ -

17、 5度，湿度控制围：50%+ - 30%。wire bond条件：正常工作条件。Molding条件：压力45kg,EMC流动时间24s。4 实验设计4.1实验步骤及研究方法一种线的形状涉及到以下参数：loop type弧型, loop height弧高, reverse distance反向线弧长度， reverse angle反向线弧角度, 2nd kink HT factor, pull ratio拉力比率, span length水平长度。首先，我们通过在Q，S两种弧型中分别改变loop height弧高，span length水平长度来得到12种不同的loop形状，其他则参数不变。第二

18、步，我们对每种弧型进展拉力测试和封装mold测试，分别得到BPT和wire sweeping的数据。BPT数据我们是通过专用的测试仪来测定的，属于破坏性的试验，,共12组，每组测12个数据。Wire sweeping则是将芯片封装mold完成之后，通过*-RAY透过其表层的环氧树脂量取的。同样12组，每组测12个数据。第三步，在得到BPT和wire sweeping这两项数据后，我们将其输入电脑，使用专业软件JMP.5对这些数据进展综合处理。然后对其处理结果进展综合分析。得到实验的优化结果。第四步，我们将过简单的理论计算来证明实验所得到的优化结果。最后，我们可以得出结论，即得到最优化的bond

19、ing loop。如为本实验中芯片需要经历的三道工序：图4.1.1wire bond 前图4.1.2wire bond后mold 前 图4.1.3mold 后4.2实验过程及数据采集4.2.1 loop type: Q-LOOP1参数Q-LOOP1弧型1参数弧型2参数弧型3参数loop height10mil10mil10milReverse distance30%60%90%LHT correction151515Pull ratio0%0%0%Reverse distance Angle0004.2.1.2 BPT数据弧型 (Q型)BondPull Test (BPT) 数据弧型140.5

20、0936.08024.83122.53236.97343.99942.60239.21739.70638.43537.84137.667弧型238.02939.72036.77227.50926.43123.73619.85422.12324.11223.42926.27224.648弧型322.75423.86326.96426.50228.89729.81333.03633.99233.95236.49933.24734.9884.2.1.3wire sweeping测试数据弧型 (Q型)Wire sweeping 测试数据弧型12.861.422.392.652.022.842.292.

21、092.582.692.301.19弧型23.013.463.153.813.762.342.682.572.622.593.752.81弧型34.723.092.943.422.622.923.652.952.933.651.892.854.2.2 loop type : Q-LOOP(2)参数Q-LOOP弧型4参数弧型5参数弧型6参数loop height15mil20mil28milReverse distance60%60%60%LHT correction151515Pull ratio0%0%0%Reverse distance Angle0004.2.2.2 BPT数据弧型 (Q

22、型)BondPull Test (BPT) 数据弧型414.29715.83416.50520.53016.92822.63821.50324.41226.08429.38118.72823.710弧型522.07625.26027.17928.37225.01427.28727.23925.82327.29728.31126.00629.286弧型615.25419.25018.61422.61721.44223.37037.95641.93318.89728.80123.34624.0554.2.2.3 wire sweeping测试数据弧型 (Q型)Wire sweeping 测试数据弧

23、型42.372.722.562.653.042.461.981.741.352.642.572.01弧型52.644.983.034.622.675.522.332.983.104.744.863.81弧型62.204.222.372.212.192.253.052.802.222.963.143.424.2.3 loop type: SQUARE-LOOP(1)参数SQUARE-LOOP弧型7参数弧型8参数弧型9参数Loop height10mil10mil10milReverse distance60%60%60%Span length80%40%15%2nd kind HT factor

24、 (%)505050Pull ratio0%0%0%Reverse height18 18 18Reverse distance angle000Wire length factor (%)500500500LHT correction5554.2.3.2 BPT数据弧型 (S)Bond Pull Test (BPT) 数据弧型723.18324.86428.76131.84935.77338.62036.34942.35434.36732.79535.35134.964弧型814.05226.10217.47622.02519.98818.73718.10220.01420.33525.42

25、019.39327.228弧型919.59020.77218.24921.87723.64625.54125.41426.98528.58730.66025.34625.7554.2.3.3 wire sweeping测试数据弧型 (S型)Wire sweeping 测试数据弧型72.132.012.843.233.043.522.581.982.232.511.952.20弧型82.423.273.181.993.382.993.092.532.803.573.893.46弧型95.023.511.673.524.043.702.902.434.993.022.984.304.2.4 loo

26、p type : SQUARE-LOOP(2)参数SQUARE-LOOP弧型10参数弧型11参数弧型12参数Loop height8mil15mil19milReverse distance60%60%60%Span length40%40%40%2nd kind HT factor (%)505050Pull ratio0%0%0%Reverse height18 18 18Reverse distance angle303030Wire length factor (%)500500500LHT correction5554.2.4.2 BPT数据线型SBond Pull TestBPT数

27、据线型1022.01725.30621.59227.32823.05524.68022.73628.54019.57124.78429.45031.207线型1122.75923.46624.65924.70019.06821.21927.33733.06227.18529.37429.18932.994线型1222.31126.53025.95430.08526.06231.48437.58831.37534.20136.28031.97537.4704.2.4.3 wire sweeping测试数据线型(S型)Wire sweeping 测试数据线型102.612.292.873.032.

28、532.482.913.123.873.994.023.86线型113.113.052.243.042.622.811.922.992.652.082.062.54线型123.042.753.303.482.242.992.882.552.872.792.002.684.3数据处理分析实验数据处理我们使用JMP 5 统计分析软件进展数据分析。首先我们需要把实验测得的12组BPT数据每组12个数据和12组Wire sweep数据每组12个数据输入JMP 5 软件里，通过软件分别计算出每组数据各自的平均值。然后，再将这些参数同我们设计的各线型的各项参数一起重新输入软件。最后我们得到如.1所示的表格

29、： JMP.5专业统计分析软件在上图表格中，我们以实验测得数据的2组平均数据组为Y轴，而另外4组弧型参数loop type, loop height, reverse distance, span length则作为Model Effects参加进去。如所示：图4.3.1.2 建立模型然后，我们Run Model 后软件即开场进展分析计算。数据分析及分析结果4.3.2.1 BPT数据分析及分析结果Response BPT(g)Whole ModelActual by Predicted PlotParameter EstimatesTermEstimateStd Errort RatioPro

30、b|t|Intercept32.946268.3865383.930.0057loop typeQ3.88818532.7026551.440.1934loop height(mil)-0.1738350.26446-0.660.5320reverse distance(%)-0.1053960.117129-0.900.3981span length(%)0.14393440.1063111.350.2179Effect TestsSourceNparmDFSum of SquaresF RatioProb Floop type1151.1110342.06970.1934loop heig

31、ht(mil)1110.6698710.43210.5320reverse distance(%)1119.9949070.80970.3981span length(%)1145.2659421.83300.2179Residual by Predicted Plotloop typeLeverage PlotLeast Squares Means TableLevelLeast Sq MeanStd ErrorMeanQ31.1790683.059775927.8162S23.4026973.059775926.7655loop height(mil)Leverage Plotrevers

32、e distance(%)Leverage Plotspan length(%)Leverage Plot4.3.2.2 wire sweeping测试数据分析及结果Response wire sweeping(%)Whole ModelActual by Predicted PlotParameter EstimatesTermEstimateStd Errort RatioProb|t|Intercept2.36573820.7550013.130.0165loop typeQ-0.3231890.243307-1.330.2257loop height(mil)-0.0005320.02

33、3808-0.020.9828reverse distance(%)0.01418050.0105451.340.2206span length(%)-0.0141420.009571-1.480.1830Effect TestsSourceNparmDFSum of SquaresF RatioProb Floop type110.353130181.76440.2257loop height(mil)110.000099860.00050.9828reverse distance(%)110.361958401.80850.2206span length(%)110.436957052.1

34、8330.1830Residual by Predicted Plotloop typeLeverage PlotLeast Squares Means TableLevelLeast Sq MeanStd ErrorMeanQ2.58556060.275457232.88514S3.23193930.275457232.93236loop height(mil)Leverage Plotreverse distance(%)Leverage Plotspan length(%)Leverage Plot综合分析及结果根据wire bond 的要求，同时也是我们实验的最初要求，为了得到金线更大

35、的抗外力能力，我们需要wire sweeping的值越小越好，BPT的值越大越好。所以我们得到如下列图所示的结果：Prediction Profiler由图表我们可以清楚的看到，由我们实验分析所得出S，Q两种弧型中最优的弧型应当是Q弧，且当它最优时其参数为loop height=17.8mil , reverse distance=30.4% 。而在S弧型中最优的弧型它的loop height = 17.8mil, spanlength= 79.5%。当其最优化时的wiresweeping=1.339915%,BPT=41.97893g。由最优化的参数，我们可以知道，在我们进展实验的12组弧型

36、中，Q弧中较优化的是弧型1和弧型5。S弧中较优化的是弧型7和弧型12。而在所有弧型中较优化的是弧型1和弧型5。5 理论计算5.1关于理论计算的说明大家都知道能够影响到金线LOOP抗冲击能力的因素很多，包括它的转动惯量，金线的合金成份，两焊点的焊接强度，绕度等，都会影响到其LOOP的抗外力能力。在进展理论计算时，假设要将实际中诸多复杂因素都考虑进去，难度将非常之大，而且在短时间也不可能完成。因此，我们提出，只从考虑转动惯量的角度出发，来对S，Q弧各模型进展分析计算。在实际优化和解决问题的过程中，它也将是我们的一个重要的参考标准。5.2转动惯量的概念转动惯量的定义刚体的转动惯量是刚体转动时惯性的度

37、量，它等于刚体各质点的质量与质点到轴的垂直距离平方的乘积之和，即:Jz = 并且我们知道，当物体由几个几何形状简单的物体组成时，计算整体物体系的转动惯量可先分别计算每一局部的转动惯量，然后再合起来。移轴定理刚体对于任一轴的转动惯量，等于刚体对于通过质心，并与该轴平行的轴的转动惯量，加上刚体的质量与两轴间平方的乘积。即：Jz = Jzc + md5.3 转动惯量条件下S弧与Q弧的比拟因为金线的直径为2 mil = 50 m ,在我们看来非常小，因此我们可以把金线看成是细直杆，忽略其本身的转动惯量来到达简化计算的目的。5.3.1 S弧的转动惯量根据转动惯量的定义Jz = 和移轴定理Jz = Jzc

38、 + md我们可以得到图的S弧型的转动惯量：Js = ( a = h ) Q弧的转动惯量同理我们得Q弧的转动惯量为：.1无论是S弧，Q弧我们都需要证明它们斜边转动惯量的计算。因此，如图，根据积分定义：图5.3.3一定条件下两弧的比拟计算为了做比拟，我们假定两种弧的弧高，即loop height是相等的，且Q弧中实际生产中最大为，并且我们知道它们两焊点间的距离S也是相等的。所以我们可以建立两个用以比拟的模型，如图和图。；在我们所建立的上面两个模型中是相等的，s相等，也相等。；由经历我们知道值都很小，一般来说,因此，当我们分别取span length等于80%、60%、40%时，我们可以得到：.当

39、span length = 80%,即b = 80%时，。.当span length = 60%,即b = 60%时，。.当span length = 40%,即b = 40%时，。在我们取的三种情况中，在一样loop height的情况下，当它的span length = 80%、60%时，S弧的转动惯量小于Q弧的转动惯量，这时Q弧比拟优秀。而当它的span length = 40%时，S弧的转动惯量大于Q弧的转动惯量，这时S弧比拟优秀。通过上面计算我们可以知道，当两弧型的loop height相等的情况下，只要知道S弧的span length，我们就可以比拟出两弧型转动惯量的大小，进而比拟

40、出抗冲击能力的大小。5.4转动惯量对S弧模型的影响S弧模型1图 S弧模型1和实验分析一样，我们从loop height和span length的改变来做比拟。由S弧的模型1(图)我们可以看出，模型中b不变，S不变，h改变(h=a),c与h成正比关系，它的值和随着h的变大而变大。在b不变，S不变，只改变loop height的情况下，loop height越大的，它的转动惯量越大，相对来说也越稳定。5.4.2 S弧模型2图5.4.2 S弧模型2如图 S弧模型2，h不变，s不变，只有b和c值在改变，由图我们可以看出来，b和c是成反比的，b值越大c值就越小。呈单调递增的趋势。在h不变，s不变，只改变

41、span length的情况下，S弧的span length越大，它的转动惯量越大,相对来说也就越稳定。5.5转动惯量对Q弧模型的影响5.5.1 Q弧模型1图5.5.1.1 Q弧模型1和实验分析一样，我们从reverse distanceRD和loop height的改变来做比拟。如图5.5.1.1 Q弧模型1，h不变，S不变,RD改变。我们知道在wire bond过程中RD的变化直接决定了的大小，两者成正比关系，RD越大也越大。如图：；又；由图形的单调性得：；在h不变，S不变，只改变它的RD的情况下，Q弧的 RD值越大，它的转动惯量也越大，相对来说也越稳定。 在这里，我们有必要来证明一下长度在Q弧模型1中的变化是否呈单调性变化以及其单调变化的趋势。将模型1简化如图。图证