绝缘引线键合技术的应用.doc

绝缘引线键合技术的应用作者：Robert Lyn ()、William (Bud) Crockett，Microbonds 公司随着半导体封装持续朝着多引脚、小间距及多列多层叠的方向发展，引线键合技术正面临越来越大的挑战。被称为X-wire的绝缘引线键合技术已经在2006年ITRS路线图上被提出，作为一种可行的、经济的解决方案实现复杂封装，提高封装性能和高密度封装的成品率。要成功实施绝缘引线键合技术，必须做到将此技术以低成本集成到现有的封装基础设备中。具体来说，就要求绝缘引线键合技术能在现有的引线键合平台上达到现有的标准、规范和性能。绝缘引线键合的优势电子连接重要的第一步是芯片级别连接，也被称为第一级连接。这一连接将在很大程度上决定可以从芯片上获得多少性能。性能虽然很关键，但是IC产品经理也不会因此就忽视其他经济因素。对封装技术而言一个全面的利益/成本分析必须包括以下几个方面，即对成本、性能、尺寸/密度、和上市时间的评估。芯片到芯片或芯片到基板的第一级连接技术中，有两种方式一直在工业中占主导地位，即引线键合和倒装芯片。其中引线键合，由于其灵活性和经济性，在市场中占90%以上。但是，在绝缘引线键合出现之前，引线键合的局限性在于连接被限制在芯片的四周，当芯片I/O数量增加时，就需要使用区域阵列技术，使芯片的I/O不再被局限在芯片的四周。引线键合的另外一个问题是长的、平行的引线之间的自感应，这点可以通过使用交叉和紧密排放的绝缘引线得以缓解。绝缘引线键合有人们熟知的众多优点。从整体利益/成本分析，绝缘引线键合可以提供最优的成本，即能够使用最低成本的引线键合设备；从性能方面分析，绝缘引线键合能够在芯片单位面积上提供更多的连接点，使用低成本的更小的芯片，降低键合点的限制。另外，绝缘引线键合能够以最高的带宽将芯片直接连接起来，降低了芯片的叠层和基板/主板线层，可以灵活布线。绝缘引线键合还可以使得信号线和地线非常靠近，使得其自感应效应最小。铜线键合的出现使得线键合再一次获得性能和成本上的显著提高，与绝缘引线技术结合有助于引线键合技术在低成本、高性能方面继续站在最有利的位置。绝缘引线键合技术还可以在封装尺寸方面发挥优势，因为使用绝缘引线能够把芯片紧密地放置在一起，就象砌砖墙一样，而不需要普通引线键合的扇出空间；或者可以按照不同的设置直接、灵活的连接层叠的芯片。使用绝缘引线，可以直接利用现有的芯片，不需要额外的芯片或硅片工序，可以非常灵活的使用到更多的应用场合，大大缩短芯片产品的上市时间。封装技术带来成本增加的通常排序为引线键合(包括绝缘线)、晶圆级封装和倒装芯片、载膜自动键合TAB，最高的是新兴的硅通孔技术TSV。这是由于引线键合的基础设备、材料被广泛使用，人员技术储备较好，而且在应用上的灵活性也不错。晶圆级别封装和倒装芯片的基础设备因其较高的成本仍停留在早期的阶段，出货量目前仍是少到中等量。从单位成本方面考虑，根据最近Yole公司的一项研究，对比不同封装技术在第一级连接中硅片上每个连接的单位成本（图1），引线键合（非绝缘）是现在最为低成本的IC连接技术。比较倒装芯片和引线键合的成本曲线，一旦传统引线键合在两维和三维上平行布置的局限性被克服，扩展到使用绝缘线的引线键合，就能通过不多的成本增加来获得额外的连接能力提升（表1）。与现有引线键合设备工艺的集成要获得绝缘线键合所带来的好处，现有基础设备工艺应该是向后兼容的，相对简单又不需要太多的资本投入，认识到这一点非常重要，而了解成功实施绝缘引线键合技术所必需的工艺窗口最为关键。衡量第一级别连接中的绝缘引线，首先要考虑电气信号通路和主要的连接界面的性能，包括键合引线、IC键合垫和基板键合指。绝缘键合线的直径与合金成分。当前可用于商业用途的绝缘引线都是金基的合金，直径为20um或更大。由于镀层工艺是一种附加的方法，所以它可以应用于任何合金，比如铜线或有些特殊参杂的键合线。这点非常重要，比如有些客户已经认证其现有高可靠性的合金可以产生较长的IMC寿命，他们就只需将镀层应用到这些已经认证过的键合线上。绝缘线被设计成可以应用于任何普通引线键合的地方。典型的含有1%硅和0.5%铜的铝合金键合垫结构已经被测试过并获得通过。绝缘线也曾用于敏感的low-k键合垫结构，不过有点困难，当然普通引线键合目前也一样。与普通（非绝缘）引线键合一样，基板材料结构对绝缘线键合的成功应用起着关键作用。一些常用的规则，比如均匀、洁净的键合指等，对于所有材料都起作用。绝缘线在标准的有机BGA和引线框材料上都有测试过。与普通引线键合类似，每种应用都要根据其它封装要求加以优化，比如键合间距、劈刀的选择、温度设定、基板厚度、线性及其他因素。如何优化键合参数正确的理解和应用键合参数可以使绝缘引线键合获得同普通引线键合一样的键合强度。引线键合机的设置。要使用绝缘引线需要对键合机做一些简单的改动，主要是键合线的接地点部分。通常键合线是通过线夹来接地，这样用来产生FAB的高电压EFO放电便通过线夹形成其回路。但是对于绝缘线，其线端可能被作为接地点，和绝缘线本身一起形成回路。这样是为了防止在FAB形成时对镀层造成过度的损伤。ASM和Shinkawa制造的引线键合机上坚固的线轴尾端接地是一个标准配置。其他的引线键合机只需价格不高的升级费用。焊球形成与第一键合。通常绝缘线焊球键合和非绝缘线焊球键合的剪切强度相差不多。但是FAB的优化却很不一样。绝缘线的FAB形成主要取决于正确的参数选择象尾线长度，EFO电流、间隔和时间。X-wire绝缘线的一个特别之处是焊球形成后表面会出现像西瓜皮一样的带状条纹（图2）。如果处理得当，焊球下部几乎都很干净，而上部则残留有分裂开来的镀层材料。绝缘线最为明显的特殊之处在于EFO间隙（线端与EFO棒尖的距离）和EFO电流值。一般地，与普通线相比，绝缘线要求较小的EFO间隙和较低的EFO电流来获得最优的FAB质量。月型键合优化。在早期的绝缘线技术中第二键合或月型键合一直就是一个弱点。因此，许多新近的X-wire绝缘线的开发工作，都集中在找到一种只在第二键合处辅以现有的超声能量和键合参数，就能够容易开裂的镀层材料。为了获得强壮的第二键合，许多标准技术被开发出来，结合镀层材料本身的特性使其在需要的时间和地点发生断裂（crack）。这些技术有：(1)应用较高的初始键合力加上低的超声能量，(2)在键合接触时施加较大的初始冲击力和(3)在第二键合进行轻微的刮擦动作来增加镀层材料的去除程度，提高键合强度或提高较难键合的表面洁净度。劈刀的选择。选择引线键合的劈刀，要考虑许多几何要素(图5)，如内孔径(H)、斜面直径(CD)、迎面角(FA)、斜面角(CA)、外半径(OR)和尖端表面处理等。为绝缘线选择合适劈刀的过程与普通键合线类似，额外需要考虑内孔尺寸、外半径和尖端表面处理。绝缘线不宜使用过大的劈刀内孔径，小孔径适用于镀层引线。X-wire的镀层表面很光滑，其低摩擦特性足以保证顺畅的引线送给，但使用较小的劈刀内孔径，更有助于防止绝缘镀层在进线过程中被划伤。外半径小些为好，这样可以加大劈刀接触月型键合的面积。绝缘线要求劈刀的尖端处理粗糙一些，而普通非绝缘线则要求抛光表面。同时，由于镀层材料摩擦系数较低，较粗糙的表面处理能使得劈刀与镀层的引线结合较好以便最大限度的传递超声能量。最近劈刀表面压型的一些进步则可以进一步提高月型键合的强度。测试表明，以往出现的劈刀污染问题并没有出现在X-wire上。另据研究显示，X-wire键合的金属间化合物（IMC）覆盖率在时间=0时都大于75%。引线线型。绝缘引线的一个重要特性就是通过累加成型应力使引线在键合或成型时可以互相接触。这样就降低了以往所要求的精确线型算法和特别坚硬的键合线合金，后两者是降低引线偏移的关键。比如，在某些高密度的封装设计中，引线需要4个弯结来实现所需的上下两层引线所需的形状。每多制作一个弯结就意味着整个引线键合工艺时间的增加。在同样的连接处应用绝缘引线后就会减少所需的弯结数量，降低生产周期。绝缘引线布局的设计规则。绝缘引线可以实现以前无法实现的布线设计，从而有效的消除了许多现有非绝缘线键合设计规则的限制。然而绝缘线还是应该小心应用，在利用其灵活布线的特点时避免一些潜在的问题。现在绝缘引线版本为X-wire 2.0，可以实现引线接触和交叉、线偏移、长引线和超过现在退出角的引线。图6中列出了这些式样。绝缘线最重要、最直接的优势之一便是突破了线长的限制。现在引线长度只由键合机的能力所决定，对于所有直径的引线通常为7.5微米。这对于正在减小芯片尺寸的IC特别有帮助，因为这样就可以继续使用原有尺寸的基板了。而一般的25um的引线最大长度仅为5mm，20um的一般引线最大长度只能到4mm。如前所述，了解当前绝缘线键合不适用的设计布局也十分重要。因为绝缘线允许引线相互接触，所以设计时就可能布线非常密。这种情况下，引线可能会被弯折从而受到较平常高些的塑膜冲力，特别是填充物的冲击。因此，不建议绝缘线在键合时使用弯折或折扣动作，这对于普通引线键合并不是个问题。塑封前等离子清洗。X-wire已经通过测试证明在塑封封装内没有分层，因此找到一个适合于绝缘线镀层的离子清洗程序和设置是非常重要的。许多研究和试验证实，纯氩气比其它常用的混合气体更适合于绝缘线离子清洗，如氩氧或氩氢。其他替代气体也正在开发当中，以扩展适用于绝缘线的工艺窗口。在线离子清洗系统，象March Plasma的I-Trak，正在逐渐流行并替代原来的批处理系统。这些在线系统允许单根基板通过自动传送器输入和输出离子清洗站。从工艺上来看，区别在于处理室的尺寸更小了，暴露在离子中的处理时间便短了。越小的处理室会使分布在基板上的离子能量更加均匀，这正是我们所希望的。绝缘引线的塑封。如前所述，绝缘线的优点便是如果适当应用可以允许引线互相接触而不会短路。对于现在的2.0版本X-wire还是应该遵守以前那些规定合理布局的设计规范。后续开发版本将会扩展键合弯折能力和其他工艺窗口。在塑封材料方面，绝缘线已经在Nitto Denko和Sumitomo的最常用的塑封材料上测试过。绿色塑封材料也经过测试并推荐使用。至于塑封工艺