《金丝球焊在封装产品中的应用分析（论文）》3700字

金丝球焊在封装产品中的应用研究目录TOC\o"1-2"\h\u30495金丝球焊在封装产品中的应用 128955一、引言 122270二、金丝球焊以及金丝球焊工艺 16469（一）金丝球焊 126701（二）金丝球焊工艺 29356三、金丝球焊在封装产品中的应用 329435（一）封装技术发展现状 416534（二）金丝球焊的应用 59665四、结论 725148参考文献 7摘要：在现代半导体芯片器件封装设计工艺中，最关键的一个工艺设计环节莫过于器件焊接导线封装工艺，其中也是非常重要具有技术挑战性的一个工艺设计环节。随着电子芯片技术开发和器件生产工程技术的迅速进步发展，焊接电线焊接工艺也越来越被人们重视，焊接电线焊接工艺的升级将是半导体智能化工厂实现的重点之一。本文主要针对金丝球焊的分类、原理进行分析，其次详细了研究了金丝球焊在封装产品中的应用。关键词：金丝球焊；封装产品；应用研究一、引言在半导体技术应用迅速发展的今天，封装技术也面临着更为严峻的挑战。这就必然需要使wafer的面积变得更大、功能更强、结构更复杂、工作频率更高，尤其特别是I/O管脚的使用数量也在惊人地不断增加。与此同时，由于面对全球化的电子市场竞争和移动终端以及消费应用电子产品的日益激烈的市场竞争，对整个产业链各种类型封闭包装应用电子产品的制造成本和产品质量的控制要求也越来越高，这就必然要求各种封装电子技术必须不断地进行改进和技术创新，不断地优化提高各种封闭包装产品层次的技术生产工艺制造能力。二、金丝球焊以及金丝球焊工艺（一）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。（二）金丝球焊工艺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。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）。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。图2.1打线循环三、金丝球焊在封装产品中的应用（一）封装技术发展现状随着半导体技术发展包装技术也在不断进步。目前，对高密度、低成本、高性能的要求越来越高。从而出现了各种封装类型。可编程芯片器件(双列直插式芯片封装)、plc(一个带双列引线的小型塑料载体芯片封装载体)、QFP(双列平面式芯片封装)、tsop(双列薄型化或小型化芯片封装)、bga(双列球栅式或阵列式芯片封装)、QFN(双列方形式或平面式的无引脚芯片封装)、wlcsp(晶圆级塑料芯片载体封装)、FlipChip（倒装芯片）等，如图3.1，主要罗列了目前市面上比较常见的封装类型。虽然在名字上有点复杂，但若能弄清芯片封装的发展历程也不是那么难懂。DIP类产品从最小、引脚数量最少，到可有上千个IO的Flipchip类产品，芯片的封装技术发生了跨时代的重大变革，随着技术要求一代比一代高，追求性能最佳的同行们也要求芯片的面积不断减小，以应对成本压力，以及高集成度的要求，当芯片面积不断减小时，封装面积也必须随之减小。如图3.1所示，如：以70年代的一个dip(dualln-linepackage)芯片为一实例，即目前所谓的芯片双列采用直插模式封装，它代表了低封装区域/脚数比的封装类型，其总脚数在36足以下，每个脚数占用8-18平方毫米的面积。尽管如此dip封包安装有其自身的许多特点，如：主要适用于dipcb(小型印刷端子电路板)的圆形穿孔电路安装，布线方式较方，操作简单等。但目前作为衡量一种新型芯片器件封装设计技术先进与否的最重要衡量指标仍然还是器件芯片封装面积/器件封装使用面积，在图3.1中，以每针所占的面积平方为纵轴，越接近0就越好，当然永远不会是0，只有离0越近。很明显，DIP产品，与0差别很大。可见，DIP类封装的尺寸，比原来的芯片大得多，因此是一种比较浪费面积的封装方式，封装效率非常低。图3.1各封装形式与产品脚数分布示意图（二）金丝球焊的应用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3.1不同材料的导线特性对比。表3.1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。较长热应区不能用低线弧台。与金线相比，较细的铜线与粗金线具有相同的粘结效果，虽然铜线的成本低，较金、铝线坚硬，但是如果焊接工艺参数控制不严，更易损坏晶片。此外，铜的易氧化性也是个问题，如果不加以检查，则会导致储存和保存方面的问题，在焊接合成气体的环境下，还需要防止它在形成空心球的过程中被氧化，因此合金线的是更优选择。2.焊针的选择焊接工具称为焊针，是一种对称的陶瓷工具，其内腔是垂直引线进入给料孔。从图3.2可以看出，该方法适用于控制焊接工艺中的引线，该引线在无气囊和焊点形成过程中有重要作用。图3.2焊针四、结论根据相关统计，在小型半导体以及微电子器件封装中，大约1/4到1/3的小型半导体器件出现故障大都是由多个芯片间的互连故障造成的。引线器件连接的异常失效情况发生和产品可靠性能的降低，会直接影响涉及到整个整体封装产品工艺的生产质量，并且有可能直接导致整个封装产品的质量损坏和产品报废，所可能造成的经济损失将远远不会超过其封装工艺本身，尤其在多晶元组件、叠层成型封装工艺产品的批量生产中尤为突出。提高公司芯片封装互连连接工艺技术的生产可靠性，包括对公司传统芯片引线封装连接生产工艺以及失效处理模式的不断深入研究，以及公司工艺创新能力的不断提高，将极大有助于公司提高整个芯片封装连接工艺的生产质量和提高大规模封装生产中的效率，促进公司产品成本不断降低和市场竞争力不断增强。