半导体wb基础解析.ppt

1、1,目录 Wire Bonding種類 Ball Bonding実現手段 Bonding用 Wire Bonding用 Capillary Ball Bonding Process的概要 超声波 FAB（Free Air Ball）形成 Wire Pull Test Wire Bonding稳定化,Wire Bonding 的基礎,2,Wire Bonding種類,Ball Bonder,半導体Chip上的接続電極和Package外部提取用端子間用Bonding Wire来连接 要连接的金属之间进行加熱，通过受熱或者超声波振動或者受两方的影响结合。,这种方式是为降低Bonding温度为目的所開

2、発的。 为补充因温度降低导致 熱Energy減少的部分而附加超声波Energy,熱压缩方式,Wedge Bonding 、 Wire,Ball Bonding 、 Wire,Wire Bonding,超声波熱圧缩并用方式,3,影响Ball Bonding的要因,4,主要特征有,等、具有良好的化学性、機械性的性質,Bonding用 Wire Wire主要特征,在大気中或在水中化学性稳定及非氧化的性質 。 金属中、展延性较好、可加工Bonding用 Wire使用的直径为 程度的極細線。 吸収Gas极其少 具有对熱压缩 Bonding最适合的硬度 具有耐樹脂 Mold的Stress的機械性強度 具有

3、銀、銅其次的高電気传导性 电阻率（）的比較 Ag（）Cu（）Au（）Al（）, Wire的特性,高純度（：）生金上添加特定的不純物、再经过加工行程調質処理（熱処理：Anneal）、作成具备各种特性的Wire。,5,高温破断強度与自然Loop高度,自然Loop高度（m）,高温破断強度（N）,線径：25m Bonder：CUB-10 （Reverse無） 高温条件：250X20sec,：高Loop ：中Loop ：低Loop ：超低Loop,根据Mitsubishi Materials的資料転載,熱影響領域大、Loop高度高。使用在需要高Loop的Tr或Sensor上。还使用在用大線形流大電流的P

4、ower Tr上。,用在Loop長4mm的Memory等用在少Pin Package上。,用在Loop長7mm的Logic等用在多 Pin QFP Package上。,高強度Type的N Wire、用在最新狭 Pich Pakage(QFP,BGA,CSP)用途上。可利用高強度、原有的 Wire同等強度得到細線径、可实现Cost Down。,热影响领域小、可形成Loop高度低的 Loop 可使用在TSOP等薄型 Package或S-MCP。,具有高強度和高信頼性、是第2世代使用的2N純度金合金 Wire。尤其是要求60m Pich以下狭 Pich Bonding的用户、为保证充分的信頼性、推荐

5、使用合金 Wire的,熱影響領域（再結晶領域）,6,对 Wire的要求、除純度以外,等機能的要求,寸法的精度要高（用0.1um制御可能） 表面要圆滑、金属要有光泽 表面不能有灰尘、污染 具有拉伸强度、要有一定的弹性 Curl（卷曲性）要小 Wire前端形成的 Ball的形状要有一定的真圆性,对 Wire的要求,7,WD : Wire Diameter (Wire径) H : Hole Diameter (Hole径) CD : Diameter (Chamfer径) CA : Chamfer Angle (Chamfer角) OR : Outer Radius FA : Face Angle

6、(Face角) T : Tip (前端径),Bonding用 Capillary Capillary的基本,FA,Capillary（Bonding Tool）按下記寸法,被設計製作的各寸法会压到Pad的 Ball Size及压到Lead的 Stitch Size,所以需要十分谨慎。,8,H,WD,对Ball Bond直接影響的Capillary寸法仕様（）,Hole径（） Hole径是由规定的Wire径（）来決定 標準是Wire径的倍,WD : Wire Diameter (Wire径) H : Hole Diameter (Hole径),Fine Pad Pitch用上,为Control成

7、小的Ball Size、Wire径最好是小Hole径,Wire径的大部分是倍以下,9,与所要求的Ball圧缩径相比、 Chamfer径过于大,对Ball Bond直接影響的Capillary寸法仕様（）,Chamfer径（） Pad開口部Ball SizeChamfer径 Chamfer径过于大的话、Bonding強度有弱的傾向,10,对Ball Bond直接影響的Capillary寸法仕様（）,Chamfer角 作为傾向性所定的 Chamfer角：小Ball Size：小 Chamfer角：大Ball Size：大,11,根据Bond Pitch所限制的Capillary的寸法仕様（参考）,

8、寸法、Corn角 所定的Bond Pitch、是由Loop高度決定,Min B.P.P.=Tip/2+Tan(CA/2)(L.H.-B.T.)+W.D/2+A B.P.P : Bond Pad Pitch （Bond Pad Pitch） L.H. : Loop Height （Loop高度） B.T. : Bond Thickness （Ball圧缩厚度） W.D. : Wire Diameter （Wire径） A : Bonder Accuracy + Operator Accuracy （Bond精度Teaching精度）,12, 的現状,1st Ball Lift対策,Ball厚度

9、SPEC：175m 実測：約30m,Ball径 SPEC：11020m 実測：約90m,如左図所示、Ball形状 Spec：Ball厚度=175m、Ball径=11020m現状Chamfer角强压US Power在Spec外。还有、Ball径的宽度也小，与Pad的接触面積也小。将Chamfer角90120变更可使Ball形状变大随之Ball的宽度变宽、与Pad接合面積也能变宽。,13,Chamfer角与Ball形状（依据KKC評価結果）,CA（Chamfer Angle）从90120変更来确保宽度，可使接触面積增大。,Chamfer Angle：90,Chamfer Angle：120,14,

10、2nd Neck Open 対策,2nd Neck部 Crack発生,荷重过度附加接触面导致破损Hill Crack発生,对Hill Crack、Capillary的OR（Outer Radius）及FA（Face Angle）形状是重要Point。,15,FA（Face Angle）変更08変更来抑制与接触面過度强加荷重。OR（Outer Radius）：0.0035inch 同一,用FA変更的Wire Pull強度面确认不到有意差，但如下記图片，2nd Neck部的状態比较稳定。,FA=0、MIN条件,FA=0、MAX条件,FA=8、MIN条件,FA=8、MAX条件,FA=0、TYP条件,

11、FA=8、TYP条件,16,Ball Bonding的Process概要 超声波熱圧缩的Process概要（没有Loop Control的情况）,Search動作,Search 動作 从Capillary前端突出的 Wire前端形成Ball 状態、Capillary对着 Bond位置（Pad表面）的速度会下降（ ）。, Bonding,Bond Capillary Touch到Pad表面后、随着静荷重、超声波振動的 温度、Ball压着到Pad表面。,17,looping,Looping Bond完了後、 Capillary向 Bond点 移動的過程中、Capillary上升 左右、 会陆续挤出

12、形成Loop必要長度以上的 Wire。,Looping 之后Capillary从最高点落到 Bond 点的過程、 Wire被吸到Capillary、過剰Wire到达 Bond 点。,18,2nd BondingFAB（Ball）形成,Bond 到达 Bond 点後、根据静荷重、超声波振動的温度 Wire压接 Lead表面。, Feed Up Bond完了後、形成Bonding必要的Ball, 但为了形成必要的、所定的Wire挤出、上升到Spark为止。,Ball 形成 Capillary 上升到Spark高度後、通过放電,Wire前端形成Ball,19,超声波熱圧接概念重要概念,Work To

13、uch,Pad表面清浄面露出,伴随滑动変形転位発生,転位周辺空孔密度増大,Al/Au原子拡散定数的増大,転位、空孔密度的増大,原子濃度勾配的増大,Ball的初期塑性,由于Pad材質軟化塑性変形増大,熱,Ball塑性変形進行,超声波振動印加,荷重,根据Al原子与Au原子的相互拡散而接合,20,Bonding Process与接合過程（）,根据衝撃荷重BallPad的塑性変形（滑动変形）,由于滑动変形,発生転位 転位周辺有予原子移動（拡散） 的空孔密度高的傾向,由于滑动変形变大,使転位増殖、空孔密度高的话、原子容易移動（拡散）,高転位密度状態 空孔密度高状態可以说是良好的条件,塑性変形（滑动変形）

14、变大 初期変形量増大 衝撃荷重増大 （軸inasha増加、Search Speed増加）,滑动変形因滑动線（帯）的発生、致Pad表面氧化皮膜（Alumina）的破壊和新生面的露出,21,4Bonding Process与接合過程（）,受超声波振動、荷重、熱影响 引起Ball変形拡散接合,受超音波振動、荷重、熱影响 引起Ball変形拡散接合,Ball的塑性変形,促进新生面露出,塑性変形的话、転位増殖、 空孔密度高，原子容易移動（拡散）,从Arenius式看 原子拡散定数对 温度依存性強,最近低温化傾向或温度拡散定数増加制御期待薄,要印加充分的超声波Energy、需要Ball変形量Margin,从

15、Hooke法則来看 原子的濃度差越大 拡散的原子数越多,要原子濃度差变大，需要 充分的超声波,Ball的 初期変形量低減,被印加的超声波Energy大部分耗费在Ball変形上，只有剩余的Energy拡散接合,向接合面近傍较好的伝達超音波振動効率高频化,22,o o : 共振周波数, : Horn内音速,: 波長 例）o : 100kHz, v : 4,920m/sec, : 49.2mm,超声波Horn 将振動子的出力振動振幅机械性的増幅 代表性的材質：Stainless Steel，Titan合金，Aluminum合金 形状：Exponential Type，Linear Type其他 振動

16、子 将圧電素子用金属板Sandwich 圧電素子的一般的材質：（Titan酸Zircon酸鉛） 金属部分的一般的材質：Stainless Steel，Titan合金，Aluminum合金,超声波的概要 超声波（）,Transducer的構造与特性 （振動子及Horn的振動分布）,23,超声波（）,System Block,Capillary振動分布,*重要：超声波振動的安定化 Torque Wrench 装配Capillary时拧紧Screw,管理Torque Tool冶具 管理安装Capillary的長度,24,Ball通常称为（Initial Ball）、 （Free Air Ball）、

17、初期Ball,FAB（Free Air Ball）形成 FAB形成（1）,Ball形成手段的种类与变迁,正極性式,負極性式,大概 負極性较有Initial Ball形成能力,大概 電気Torch较有安全性、経済性,大概 固定式较有高速対応性或Maintanance性,25,正極性与負極性,根据放電電極取方法的放電形体不同,正極性的情况 放電電極是正極时的特征是Arc移动到 Wire上方。 从物理角度来看、放出熱電子时容易往稳定的,即函数小的表面领域、扩散到负极、Arc会移动到 Wire上方 電流電子从 Wire放出、移动到放電電極产生电流、但丛 Wire放出的電子时、因为容易放出电子（函数小）

18、、 Arc扩散到 Wire上方。,負極性的情况 負極时Arc不会移动到Wire。 从物理角度来看、電子会集中最短距離的 Wire前端、形成陽極、确保安定的溶融Mode。 電子从負极放電電極放出、移动到 Wire产生電流，从放電電極产生的电子集中到更近的地方 Wire前端、形成稳定的Ball。 还有、带負極性时、 放電電極表面产生Arc的特征。 因为从放電電极放出的电子容易扩散到比较稳定的，即函数小的陰極領域。,正極性式,負極性式,26,Wire Pull Test Wire Pull Test的目的,Wire Pull Test 的目的, Bonding側的評価 Ball Bonding的強度

19、 Ball Neck部的強度 再結晶領域的強度 Reverse動作的影響, Bonding側的評価 Stitch Bonding的強度 Hill部的強度,27,Pull Strength 可根据 Pull Position确认出是否变大。 下图表示的是根据Pull Position怎样变化的事例。,Pull Position Top 時的Pull Strength比Center 時的大,Pull Position : Top : Center Wire Dia. : 25u Bonding Temp. : 180Deg. Loop Height : 180um,Pull Position影響（

20、）,28,Pull Position在Top付近时得到的Pull Strength : 、与1无关，因为接近与90deg.FF1 、作为Breaking Mode C（在Wire部）,Pull Position接近Center时F1=F2 可得到角度12。,在Pull Position上进行Pull Test时、Break的位置是 Ball Neck部或者Stitch Bond部的弱的部位,Pull Strength : 、 假设1st Bond側的力 : F1、側的力 : F2 时、就可以容易理解,Pull Position的影響（）,29,一般的Pull Position有、LoopTop

21、、Wire Span Lead前端附近等3个。,在Top附近的Pull Test是、评价Ball Neck部的Wire強度时采用。,在Lead前端附近的Pull Test是评价在2nd Bond的Stitch Bond部的Strength时采用。,这是因为根据前式、F2=、Pull Position在Lead前端附近时、得到的Pull Strength : F是与2无关因为接近90deg Stitch Bond部強度F2、Breaking Mode得到D（Stitch Bond部Break）或者E（Stitch部剥）。,为得到精度更高的Pull Strength、在Wire Span 有必要进行Pull Test。 这时的Pull Position、有必要考虑进去Wire長、1st Bond和2nd Bond間的段差。,Pull