【半导体封装引线键合的WireBond焊接时序分析概述4600字】

半导体封装引线键合的WireBond焊接时序分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u15154半导体封装引线键合的WireBond焊接时序分析概述 147781.1引线键合的分类和特点 1193241.1.1热压焊 1186281.1.2超声焊 2269721.1.3金丝球焊 3202791.2金丝球焊键合工艺 3214891.1.1键合焊接原理 3151841.1.2金丝球键合工艺过程 469701.1.3线孤特征 554671.3键合机EagleXtreme 556841.4金丝球焊工艺材料的选择 6235931.4.1引线的选择 6259011.4.2焊针的选择 71.1引线键合的分类和特点在引线焊接中，金丝球焊接是最具代表性的焊接工艺，除此工艺外，另有热压焊和超声波焊两种主要的焊接工艺。无论何项技术,其主要作用都应该是将半导体芯片的焊区和采用微电子密封方式进行外围传感器的I/O引线或衬底上的金属布线焊区直接地通过一根细丝相互连接在一起。1.1.1热压焊热挤压金属焊接的主要操作技术及其工作基本原理就是通过对被压焊区内的其它金属(包括例如各种铝制的挤压焊垫)基体进行高温加热和挤压塑形,同时加热会直接破坏在压焊边缘和界面上的金属氧化层,使得压焊后的焊接电弧纹曲线和其他焊接金属丝与其他受到压焊的其它金属在其他接触部位和在接触面上的压焊电弧线和原子之间都会形成相互产生吸引的特殊电磁辐射及其作用效应范围,使得压焊电弧线和原子之间相互产生吸引。此外,由于两个金属的接触面实际上并不平坦,在受热或者加压时,还可以帮助与之相接触的其他金属互相镶嵌。热压力焊接工艺所用的焊件一般有针形、楔形和锥形三种。焊压一般是0.5-1.5N/s。技术上存在以下三方面的缺点：（1）加热当器件进行芯片高温压焊时,芯片与连接电导体的芯片焊头均通常需要被进行高温压焊加热,电导体的芯片焊头通常可以直接加热至150℃左右,芯片通常焊头需要被进行高温压焊加热至200℃以上,焊接螺丝和芯片电导体在连接芯片的两个焊区很容易直接产生活性氧化层；（2）由于焊接芯片在压焊过程中直接加热的瞬间温度较高,长期在一段时间内容易过热导致压焊芯片外壳受到严重损坏,并且容易在压焊过程中直接形成不同的颜色异质体和金属(Au-A1)间的颜色化合物--色斑即我们俗称“紫斑”和“白斑”,这些因素都会最终导致压焊接触点的绝缘接触面和电阻范围变得更大,影响直接压焊达到整个器件正常工作的安全可靠性和器件使用寿命；（3）热压焊的金属接头在两端进行金属焊接加工操作时易因为过热造成接点金属焊接丝的绝缘变性压力超出接头工作固定位置而使其绝缘受损,焊接接点的金属键合反应压力较小(<0.05n/点)。由于上述工艺的缺点,目前热压焊技术在我国的应用已经越来越小。1.1.2超声焊超声波磁场焊接一种技术又称之为超声波磁场焊接,利用磁场发生器发射产生的声波能量,通过一种磁性伸缩式声波换能器,在各种超高频声波磁场的直接感应下进行磁性伸缩,产生超大的内部弹性压力振动,通过磁性变幅杆向整个劈割器内部传递弹性振动,使得整个劈割器内部产生超大的弹性振动,同时对内部施加一定的振动压力。因此,在这两种摩擦力的共同作用影响相互作用下,在各种磁性金属以及化学材料涂层(其中例如膜或Al膜)上,将高于Al膜的丝快速地对其进行强力摩擦,使低于A1丝或高于A1膜的涂层表面结构形成了可塑型状的改变。这一电子变形也严重地直接破坏了两个Al原子界面的金属氧化层,使两个纯正的金属原子界面紧密地相互接触,从而在两个原子之间逐渐形成“连接”,从而在两个原子之间逐渐形成牢固的电子连接。与热压焊接新技术焊接相比,超声波热压焊缝焊接技术不仅能充分地有效除去连接焊缝材料表面的各种活性金属层和氧化物以及涂层,从而大大提高了热压焊接的焊缝质量,焊接焊缝强度较之前的热压焊。超声波的作用,对于设备可靠和长使用寿命十分有利。1.1.3金丝球焊引线最关键的铝合金丝型钢球焊制造工艺本身就是最新的具有国际代表性的一种丝型钢球焊制造工艺。本电焊工艺软件使用简单操作方便,焊点牢固,压点焊接面积大,焊点无方向性,可以直接实现在人工微机自动控制下的高速自动压点焊接。另外,现代超声波金丝球的焊接经常还因其具有超声波的功能,又由于其具有超声波技术焊接的优势,所以这种技术也有很多叫热(压)(超)声焊的说法,被广泛地应用于中低功率晶体管的焊接。1.2金丝球焊键合工艺介绍了金丝球引线焊接的工艺种类及基本技术特点,并对金丝球引线焊接的工艺进行了详尽的介绍,了解工艺流程、主要设备及材料,为以后进行“塌线”失效情况的分析做好准备。1.1.1键合焊接原理焊接是在超声能量、温度、压力和时间等多种因素共同影响下完成的。把引线与焊盘接触紧密，就会产生金属焊或冷焊。例如，在金丝球焊中，焊针将焊盘末端的无空球压入铝焊盘。利用超声波能量，对焊球进行清洗，达到清洗焊球的效果。与此同时，在擦洗过程中，施加压力控制焊头，否则焊头接受、转换的超声波能量会在焊垫上跳动。洗涤完毕后,将焊垫上的残留物和氧化剂清除干净,使焊垫暴露于纯金属表面。由于超声波能量的作用,金丝球和焊接垫片相互作用而产生可塑性变形,从而导致二者的连接更加紧密。在使用焊球和铝镀垫的材料是因为不同的金属而制成,例如金丝球和铝镀垫之间有一个连接对,但由于金丝球比铝镀垫更坚硬,只能通过超声来进行连接,而不能破坏引线或基板,这使得连接很难进行。此时我们就必须用大量的金属热能来帮助让较硬的其他金属(又比如铁和铝)“软化”,使其铝的硬度更加接近,促使金属铝原子与其他类似铝的金属原子相互作用分离和迅速扩散,最终在加热空气中结合形成与其他铝的原子结合，加热后还同样可以有效清除附在焊盘本体表面的各种无害有机物,提高焊缝质量。1.1.2金丝球键合工艺过程金丝球焊接工艺是指用直径极细的金丝线将芯片上的焊盘与基扳连接起来的技术过程，主要包括几个基本步骤：形成第一焊点（通常在芯片上）、形成线弧、形成第二焊点（通常在引线框架或基扳）。图1.1打线循环打线初期，通过“电子火焰熄灭”（EFO）离子化空气间隙产生的电子火花，将引线的一段线尾（焊针）完全加热熔化形成一个金丝无空小球（FAB）。其是关系到连接质量的重要参数，一致性受“电子火焰熄灭”过程和线尾长度的控制。焊接头随后移到第一焊点的位置（步骤1和2）。FAB被放置在与焊垫相互接触的界面，在压力、热能和超声波的作用下，在金丝球和焊垫之间形成的金属焊接，使焊球变形，形成最终的形状，至此无空球被焊到焊垫上，形成第一个焊点（步骤3）。第一焊点的焊接也称为球焊。然后，将金线拖曳到引脚架的相应引脚处的相应焊缝处，按照线弧形设置的程序形成一个特定的线弧（步骤4、5和6）。二次焊接是在引脚焊接区与引线之间，在压力和超声的作用下进行的（步骤7）。最终，焊头上升到一定高度，在留出所需长度的线尾之后，将导线断开,焊头继续向上上升,直至达到所需高度,形成一个FAB(步骤8、9和10)。接着再对线路进行EFO,把线路尾部融化成FAB,为接下来的打线时间周期作好准备。1.1.3线孤特征如何使引线线弧及其形状满足器件日益复杂的内部连接，同时保持一定的封装尺寸符合工业标准，是当前半导体封装面临的挑战之一。引线的线弧特性是决定引线连接质量的重要条件,它直接地影响到设备的效能与可靠度。例如,线弧不能太高,线弧过大就会直接导致注塑件的引线表面产生外露。纵使引线未完全外露,过高的圆形弧线也可能引起了该项引线的过长与下垂,在随后的塑封过程中,会被塑封材料的树脂所冲断,有可能会造成引线之间的短接。多余的长引线容量会直接造成两个引线之间的相互干扰,使得器件电动机的性能大大降低,但是线弧的值不能太低,较少一个线弧就意味着这条引线从第一个焊针拉向第二个焊点时,它将会被拉下。但是,要想能够生产出更薄、更复杂的封装产品,特别是多层封装,必须尽量采用低线弧键合,所以如何生产出一条适合低线弧键合的可靠导电引线也就成为了封装领域的一个重大难题。如今许多的键合器都能够做到低线型和弧形的键合,可靠性也就不再只是个小问题。借助于这种技术自动化程度高,精度大的机器,半导体工程师就能够非常方便地"编织"出所需要的线圈和弧形。1.3键合机EagleXtreme对于键合机,为完成键合焊接,它通常由几个系统组成,即引脚框架进给和固定系统、温度系统、和打线系统。ASM生产的新一代高EagleXtreme金线球焊机设计用于提供工业上增加进阶焊接运用.EagleXtreme配备有革新的超轻型数字焊头,双线圈之XY工作台,能够用于高速度焊接,高级的位置和力量控制分辨率给予前所未有的效能在微小的焊线间距处理.完全地可编程工作台和爪夹系统结合在Windows接口之操作系统以提供用户一个人性化及简单之设定与改机。1.3.1BondHead主要部件(1)线夹:线性马达，张开宽度线径的1.5-2倍(2)Z轴马达:线性马达(3)换能杆:频率138KHZ(4)光学组件:高低倍率，自动聚焦，PR精度0.4PF(5)编码器：精度0.1um1.3.2WireBond工作台特性WireBond工作台具有完全编程的传送器合轨道，其具有软接触的特征，可自动控制压板，输出传送器具有LF保护功能，特殊设计的热座更方便热量扩散和传导。1.3.3材料耗材介绍以及选用基板(LeadFram)：是模塑封装的骨架，它主要由两部分组成：芯片焊盘和引脚。其中芯片焊盘在封装过程中为芯片提供机械支撑，而引脚则是连接芯片到封装外的电学通路。劈刀(Capillary)：它是在金丝球焊接工艺过程中使用得到的把金丝焊在上面作为一个圆锥型的载体,主要组成部件就是氧化铝或者陶瓷材料。劈刀的选型重点在于需要确定一下劈刀的h、cd、t三大主要参数。其中h为1.2-1.5倍的金丝长度;cd为1/2-2/3倍焊盘的大小。金线(GoldWire)：Au具有良好的导电性，仅次于银、铜，其具有较好的延展性，便于线材的加工制作，常用金线直径为23um、25um、30um，高纯度99.99%，其经电火花放电能可以形成大小一致的金球，具有对热压缩Bonding最适合的温度。1.4金丝球焊工艺材料的选择1.4.1引线的选择键合引线用于连接集成电路和封装外壳的引脚，使其与外界相连，这些非常精细的引线由纯度极高的金、铝或铜制成。焊接的可靠性在很大程度上取决于对这些引线的合理选择，尤其是对于要求特殊弧形特性和极小焊接点节距的封装而言更是如此。当选用引线时，要考虑以下因素。（1）封装形式和材质首先需要考虑的是被应用的封装形式。金线不能承受密封时那么高的温度，而铝线通常是密封的标准选择。塑胶包装，一般选用金线，方便快捷。采用金丝球焊接工艺，所选金线纯度为99.99%，通常称为4ns级引线，如满足高引线强度，还可采用合金线。为了提高设备的可靠性，还可采用3ns级和2ns级的引线。表格1.1不同材料的导线特性对比。表1.1不同材质引线特性特性铜金铝银电导牢（%IACS）103.173.464.5108.4热导率（W/mK）398.0317.9243.0428.0热膨胀系数f（gm/mK）16.514.223.619.O拉伸弹性模量（GPa）11578627l（2）引线直径焊区开孔小的要用较细的引线，而对于要承载大电流亦或者热机械性能好的，则选较粗的引线。（3）抗张强度引线在其整个使用寿命生长周期中都会受到张应力作用，例如在金属键合件的焊接,塑封件的制造焊接工艺。所以,抗张运动能力的引线强度要求越高,引线也就越好。（4）延长性如果延长性较好,则引线比传统的键合工艺在打线时更加困难,所以通常会选用延长性并且不是特别好的引线。（5）热应区焊前引线末端的FAB附近的颗粒结构会变大，引线在此区域容易被剪切破坏而使强度降低