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文档简介

1、哈尔滨职业技术学院教 案课程名称: 先进焊接与连接 教师姓名: 耿艳旭 教师所在院部: 机械工程学院 哈尔滨职业技术学院教案课程题目项目3 微连接任务3 金丝热超声键合工艺的确定课 时2教学目的:1.通过金丝热超声键合工艺的研究,了解引线键合技术的原理与应用情况;2.能正确使用金丝热超声键合设备,能自主设计金丝热超声键合工艺,并对焊接质量进行初步分析。教学重点与难点:重点:自主设计金丝热超声键合工艺,并对焊接质量进行初步分析。难点:自主设计金丝热超声键合工艺。教学方法与手段:讲授法、提问法、实践操作等。教学内容与课时分配:课程引入:5分钟内容讲解:40分钟项目操作:35分钟课堂练习:5分钟本课

2、总结:5分钟教具:多媒体作业与思考:作业:教科书思考题教学后记:项目3 微连接任务3 金丝热超声键合工艺的确定一、引线键合技术与热超声键合基础 1.引线键合技术(Wire Bonding)作为现如今的一种主要的微电子领域内的封装技术,它是指使用细的金属丝线(Al、Pt、,Au等),利用热能、压紧力与超声波能量等促进金属丝线和基板上的焊盘产生紧密的焊合,实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通的技术,是属于压力焊接的一种。作为一种可靠的芯片互连技术被广泛地用于微电子行业。从20世纪50年代后期的单芯片组装到今天的高密度多芯片组件(MCM)。引线键合技术以工艺简单、成本低廉、适用多种封装形式的

3、优势而在微电子封装生产中占据重要地位。目前90%以上的IC封装的互连是通过引线键合工艺实现的。集成电路装配与封装己经实现高度的自动化,并且成为增长的生产效率和产品性能的重要部分。但是引线键合技术也会受到其自身特征的制约而存在一些技术缺陷,其中包括:多根引线并联造成邻近效应,导致引线间或不同芯片键合引线间电流分布不均;键合引线自身寄生电感较大,给器件带来较高的开关过电压;引线本身很细(直径20/500m),元件普遍采用平面封装结构,从而导致传热性能不好等。虽然引线键合工艺存在一定缺陷,但是相对于其他封装工艺,其自身的优势是十分明显的。而且通过选取性能更优异的基板材料,可以从一定程度上弥补引线键合

4、工艺的缺陷。无论是封装行业多年的实际经验还是业内的权威预测都已经证明,引线键合工艺在可以预见的未来,仍将是微电子封装领域的主流互连方式。针对微电子封装领域的要求不同,在工业上通常有热压引线键合、超声引线键合以及热超声引线键合这三种引线键合定位平台技术被广泛采用。2.热压键合是使用加热以及劈刀压紧力对芯片的金属化层和金属丝进行作用,使接触面发生塑性形变,并损坏界面的氧化膜,使得待键合区域和金属引线接触面的原子抵达引力范围区间,与此同时,金属丝和待焊接区域的外表面上都有着不平整的情况,加之压力作用在这些高低不平的地方互相充盈并生成弹性的嵌合,把二者之间紧密连合了起来。这种方式最先出现的封装工艺技术

5、,是利用高温和塑性流动使互相触碰的部分的原子在一定的时间、温度和压力作用下产生固体扩散键合。它要求基板和芯片的温度通常要达到 150作用,对表面的污染物很敏感,通常用于Au丝键合,现在已经很少使用。超声键合是充分使用超声波的能量,完成了金属引线材料和电极在常温下的直接焊接。这种方式通常是在不加热的情况下,利用超声波发生器(60120KHz)施加超声,使石英晶体在电致伸缩效应下产生微移,并利用变幅横杆传递给劈刀产生水平弹性的振动,与此同时,施加竖直向下的压力。引线材料在此二者的联合作用下在被键合区的金属接触表面产生快速摩擦,并且因为能量的强大作用,接触面的氧化膜被损坏,裸露下层干净的表面,于此同

6、时引线发生塑性的形变,靠着原子间的引力作用完成紧密接触的两者间的焊接,通常用于Al丝的键合。 热超声键合工艺结合了热压工艺与超声工艺这两者之间的优点,以其只需要比较低的加热温度、键合完成后键合的强度高并且对器件的可靠性非常有利等优势成为键合法的主流。热超声键合是目前微电子封装的主要键合方式,常用的键合材料为金丝和铜丝。键合过程是一个复杂的形变过程,而且始终伴随着微区织构变化,如冷拔金丝中的线织构,金丝球内柱状晶的铸造织构以及键合后的压缩织构。织构对金丝的性能会产生影响,织构不同,弹性模量也不同。表4-1 超声键合、热压键合及热超声键合优缺点对比二、楔形键合与球形键合 热超声引线键合技术有两种基

7、本形式:楔形键合与球形键合,通常情况下也可以简称为楔焊和球焊。 1.楔形键合的具体键合过程如下: (1)利用内部运动控制组件的功能,将劈刀定位到第一键合点顶部快速下降至预设的搜索高度后速度变慢,减速后劈刀继续向下运动直至到达待键合区域的表面,在超声波的振动以及楔形劈刀压制力的联合作用下,把金属引线的一端紧紧压到芯片的金属焊盘上。 (2)金属引线被拉起,在运动控制组件的作用下使劈刀依照轨迹挪动,键合头抵达第二键合点的正上方。劈刀开始下降,直至基板接触后按照预先设定好的“第二键合点参数”进行键合。 (3)在第二键合点完成焊接后,利用劈刀的压制力将金属引线切断,至此芯片和基板实现连接,达成了引线键合

8、的目的。 (4)劈刀抬起至初始高度停止,线夹关闭,至此一个完整的楔焊周期完成。 2.球形键合的具体键合过程如下: (1)成球:劈刀尾端预留一部分金丝,电子打火系统组件产生高压电,电极和金属引线周围的空气发生电离,让引线断面和电极二者之间的空气被击穿产生电弧,此时的高温度将会使金属引线的尾丝熔化,与此同时,这熔化的金属引线由于重力与表面张力的共同作用之下,将会形成一个球。 (2)引线夹把金属引线向上提起,并且让这一金属熔球在球形劈刀顶的圆锥孔里面卡位固定。 (3)再利用运动控制杆的控制,将键合头快速下降至第一点待键合区域上方的预设搜索高度后速度变慢,减速后劈刀继续向下运动直至到达结合界面,保持设

9、置的力一段时间,在综合超声能、键合力以及热能的作用下形成第一键合点。 (4)键合头上升至设定的位置,在运动控制部件的作用下使劈刀按照原本设定的轨迹进行移动,键合头到达第二点待键合区域合位置的上方。劈刀开始下降,直至和基板焊盘发生接触后依据事先程序输入号的“第二键合点参数”去进行键合,在这里和前面的第一键合点有所不同的是,第二键合点将不会产生出一个金属熔球,并且劈刀会直接地把金属引线压制在焊盘上,在超声能和热能的双重效用下完成键合后,第二键合点的尾端会形成一段压痕,劈刀上提,上提的距离被参数设置里所需预留的尾丝长度决定。 楔形键合和球形键合这两种键合方式最主要的不一样之处是球形键合方式每次循环的

10、起始由打火杆造成一个金属的焊球,然后利用劈刀将这个圆形球紧紧压到芯片的金属焊盘上形成为第一焊点(往往是芯片表面),而楔形键合则是不用在循环的最初形成焊球的,它是直接在加热加压和超声的能量运行之下,将金属引线焊到芯片的焊盘上。此外,通常来说,正因为球键合每一次键合的开始都需要打火成球,然后将这个球压到焊盘上,因此需要准备的焊盘面积比楔键合要大。楔形键合和球形键合虽然有所不同,但归纳起来它们的基本的步骤都可以囊括为:一般是在芯片上构建产生第一焊点,拉线成弧,然后去在引线框架或者基板上面最后构造产生第二焊点。 热超声键合中,键合的两种不同形式对应着引线焊接所使用的两种不同的焊线工具,另一种是楔焊使用

11、的楔形劈刀,一种是球焊使用的毛细管劈刀。完成楔形焊接需要使用的是楔形劈刀,一般为钛碳合金或者钨碳所做成,在这种劈刀的尾部一定有一个呈特定角度的进线孔,如图所示,在生产使用中,根据实际使用情况,这一角度往往有 30°、45°等不同情况。 从引线的原材料方面来讲,现在的大部分能实现球形键合的键合机采用的都是纯度为 99.99的金线。然而总有部分的待键合器件有特别的的使用要求,比方说要求键合的强度很高等,在这种情况下也会采用 99.99%或者更低的纯度的合金引线。因为在金线里加入一些其它物质作为掺杂物可以有效地降低金-铝界面的界面层扩散生长的速度。此外,近年来铜线在键合中的表现也

12、不容小觑,因为从成本上来算,铜的成本远远低于金线,并且在引线的倾斜方面也有不俗的表现,因此铜线也能作为一种引线材料来被开发利用。但是铜线有一个很大的缺点则是它容易发生氧化,同时键合点容易发生裂痕。实际应用的种种现象和资料都表明,在常规器件的封装连线步骤里,金仍将是主要的引线材料。三、引线键合的技术要求 引线键合必须满足下面的几点要求: (1)引线材料易加工成丝,即可塑性好,易卷绕。 (2)键合完成后,不会残留会引起腐蚀的物质。 (3)键合后产生电阻很小,保证低欧姆接触和良好的导电性。 (4)键合过程中施加的功率和压力等都应该在保证键合质量的情况下,越小越好,使焊盘结构不致损坏。 (5)能与芯片

13、表面的金属化焊盘(在本文涉及到的所有任务里,此处的金属化焊盘均为铝焊盘)及基板材料(金)实现良好的键合。这才是键合的本质。 针对以上的要求,作为目前被使用地最广泛的封装内部衔接方式的引线键合技术,在发展的过程中形成了一套完善的质量检测标准。总体说来,有如下几点: (1)键合位置和焊点的形状达标 键合位置没有定位好的化,容易发生焊盘出坑的情况。这样有可能会毁损焊盘下层的重要半导体材料层,所以这种情况下的毁损将可能会降低器件的性能并且引起电损伤这一问题提出键合位置达标,焊点形状达标有助于芯片和外界的良好联通。 (2)剪切力测试和拉力测试达标 剪切力测试和拉力测试达标可以提高封装连接的可靠性,在实际

14、应用中,利用拉力测试来检测键合强度的时候更多。 (3)键合前后对芯片各方面性能无影响 假若键合情况不良好,会产生金属的迁移现象,这一现象会使桥连区域的泄露电流激增,使器件失效。此外,过键合会使芯片下层材料受到影响,甚至影响读出电路,导致电路响应前后发生变化。 (4)震动任务达标 震动任务后,引线是否无歪斜坍塌并且焊点强度无明显变化。在强烈振动下,引线键合质量不达标有可能会引起键合点脱键隐患,并会引起引线弯曲疲劳和震动疲劳,这些失效均对半导体器件可靠性的危害极其严重。任务实施一、金丝键合材料及设备 本次任务里金丝键合平台采用 HYBOND626型号的热超声多功能引线键合设备,机器整体外观见图,该

15、设备是一台半自动的引线键合设备,通过更换劈刀类型就能完成楔焊或者球焊功能。考虑到国军标和公司双重要求下要达到5g的拉断力数值,本文选取25m的纯度为 99.99%的Au丝作为键合引线材料,分别采用楔形劈刀和球形劈刀两种不同的方式去进行楔形键合和球形键合,劈刀采用90°安装方式,如图所示。图4-5 金丝及任务实操设备图4-6楔形劈刀安装方式 HYBOND626 多功能引线键合设备的主要技术指标如下: (1)超声系统:PLL 自校准,62.5KHZ 系统 (2) 超声功率:0-0.2W(低),0-2W(高) (3)焊接时间:0-900ms (4)焊接压力:12-250G (5)温度控制:

16、室温至 250°C (6)线径:12.7um-75um ×510um(楔焊) (8)丝带材料:金、铝、覆金铜 (9)焊接头部运动:伺服马达,控制器或脚踏开关 (10)焊接移动定位:传感器与焊接面的接触 (11)Z 轴行程:19mm,全自动 (12)工作台运动:4:1,手动,可选 8:1 (13)电源:90-260VAC,10A (14)净重:31.8KG 二、设计楔形键合的任务方案 1.设计方案: (1)选定超声功率和键合压力这两个工艺参数作为任务对象,并且根据出厂参考值以及前期所做任务的种种经验,确定出可能影响键合质量的每个工艺参数的基准值列表如下表。表4-2 楔焊单因素

17、引线键合工艺参数实验的基准值 (2)将第一焊点的超声功率的设定值由小到基准值再继续增大,其余参数的取值不变,做金丝楔焊的任务。 (3)在完成后用 ROYCE 650做拉力的测试,保存结果。 (4)为了减小误差,每个设定值均做10次任务。10次结果所得的平均值才为此设定值下的键合强度。 (5)将第一焊点的键合压力这一参数的设定值逐渐增大,保持包括超声功率在内的其余工艺参数取基准值不变,进行金丝楔焊任务。 (6)重复步骤3、4。 (7)进行键合第二点工作,任务方法与第一焊点一样。 (8)记录第一焊点和第二焊点处,每一个参数的不同值对应的拉力强度,录入表格,方便直观分析。 2.注意事项: (1)若楔

18、形键合第一焊点处的超声功率太小(不到 50m W),则金丝吸取能量不够,不能产生合格的键合强度,在拱丝的过程中极度容易产生剥离现象而导致无法成功焊线。 (2)超声功率逐渐增大,达到可以消除掉阻碍键合的表面氧化物以及其它杂质的能力,在下层干净的键合区域上发生反复式的摩擦,有助于发生接触并且产生强度。 (3)超声功率持续变大,我们测试到的拉力值反而开始变得越来越小。这种现象发生是因为过多的超声能量使已经形成的键合区域发生损伤,产生过键合。当这一数值超过一定范围(70mw),键合区域严重变形,键合点根部断裂,键合发生失效的概率增大。 (4)楔形键合第一焊点超声功率设置值应该在50mw-70mw,此时

19、键合强度良好。三、设计球形键合的任务方案 1.设计方案: (1)球键合比楔形键合多一个参数即打火杆的功率,根据朱炳金的实验研究得出打火杆功率只对焊球直径影响较大,因此,打火杆功率不是影响球形键合质量的主要因素。根据出厂参考值和前期的试验性实验得出的经验,确定出可能影响键合质量的各个工艺参数的基准值列表如下。表4-3 球形键合单因素引线键合工艺参数实验基准值 (2)首先对第一键合点处的超声功率参数做实验。因此需要固定其余的所有参数为上表 中的基准值不动,对第一键合点处的超声功率设定最小值,从最小值开始做键合样本,然后此参数数值逐步增大,每一个取值都要进行实验。 (3)以上的所有样本完成后,进行拉

20、力测试,保存结果。在这里,我们同前面的楔形键合实验方案一样,为了减小误差,无论是第一键合点处还是第二键合点处,变动的参数设定值都要做10次实验。 (4)计算每一个变动参数值所进行的10次实验得到的拉断力的平均值,即为该超声功率设定值对应的引线键合强度。 (5)固定别的参数值为基准值不变动,然后让第一键合点处的压力参数由小经过基准值到超过基准值的过程进行实验。每一个参数都要做10次实验后由ROYCE650做拉力测试,并记录结果,计算平均值。 (6)第二焊点的实验情况同第一焊点。 (7)记录第一焊点和第二焊点两个工艺参数不同设置值对应的拉力强度,填入表格,进行分析讨论。四、检验与分析 检测引线键合质量有位置检验、焊点情况检验、引线质量检验以及键合强度检验四个方面。在本任务中,我们的检验主要是通过考察键合的强度来评定,键合强度检测一般又有两种方式,一种方式是键合拉力测试(BPT),

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