引线键合工艺在封装中的应用

引线键合工艺在封装中的应用

随着集成电路的发展，先进的封装技术不断发展和变化，以适应不同领域、不同材料的要求和挑战。半导体封装内部芯片和外部管脚以及芯片之间的连接起着确立芯片和外部的电气连接、确保芯片和外界之间的输入/输出畅通的重要作用,是整个后道封装过程中的关键。引线键合以工艺实现简单、成本低廉、适用多种封装形式而在连接方式中占主导地位,目前所有封装管脚的90%以上采用引线键合连接。引线键合是以非常细小的金属引线的两端分别与芯片和管脚键合而形成电气连接。引线键合前,先从金属带材上截取引线框架材料(外引线),用热压法将高纯Si或Ge的半导体元件压在引线框架上所选好的位置,并用导电树脂如银浆料在引线框架表面涂上一层或在其局部镀上一层金;然后借助特殊的键合工具用金属丝将半导体元件(电路)与引线框架键合起来,键合后的电路进行保护性树脂封装。无论是封装行业多年的事实还是权威的预测都表明,引线键合在可预见的未来(目前到2020年)仍将是半导体封装尤其是低端封装内部连接的主流方式。基于引线键合工艺的硅片凸点生成可以完成倒装芯片的关键步骤并且具有相对于常规工艺的诸多优势,是引线键合长久生命力和向新兴连接方式延伸的巨大潜力的有力例证。1引用线闭合工艺1.1热压超声波键合工艺引线键合工艺可分为三种:热压键合,超声波键合与热压超声波键合。热压键合是引线在热压头的压力下,高温加热(>250℃)焊丝发生形变,通过对时间、温度和压力的调控进行的键合方法。键合时,被焊接的金属无论是否加热都需施加一定的压力。金属受压后产生一定的塑性变形,而两种金属的原始交界面处几乎接近原子力的范围,两种金属原子产生相互扩散,形成牢固的焊接。超声波键合不加热(通常是室温),是在施加压力的同时,在被焊件之间产生超声频率的弹性振动,破坏被焊件之间界面上的氧化层,并产生热量,使两固态金属牢固键合。这种特殊的固相焊接方法可简单地描述为:在焊接开始时,金属材料在摩擦力作用下发生强烈的塑性流动,为纯净金属表面间的接触创造了条件。而接头区的温升以及高频振动,又进一步造成了金属晶格上原子的受激活状态。因此,当有共价键性质的金属原子互相接近到以纳米级的距离时,就有可能通过公共电子形成了原子间的电子桥,即实现了所谓金属“键合”过程。超声波焊接时不需加电流、焊剂和焊料,对被焊件的理化性能无影响,也不会形成任何化合物而影响焊接强度,且具有焊接参数调节灵活,焊接范围较广等优点。热压超声波键合工艺包括热压焊与超声焊两种形式的组合。就是在超声波键合的基础上,采用对加热台和劈刀同时加热的方式,加热温度较低(低于Tc温度值,大约150℃),加热增强了金属间原始交界面的原子相互扩散和分子(原子)间作用力,金属的扩散在整个界面上进行,实现金丝的高质量焊接。热压超声波键合因其可降低加热温度、提高键合强度、有利于器件可靠性而取代热压键合和超声波键合成为键合法的主流。1.2球键合的比较引线键合有两种基本形式:球键合与楔键合。这两种引线键合技术的基本步骤包括:形成第一焊点(通常在芯片表面),形成线弧,最后形成第二焊点(通常在引线框架/基板上)。两种键合的不同之处在于:球键合中在每次焊接循环的开始会形成一个焊球,然后把这个球焊接到焊盘上形成第一焊点,而楔键合则是将引线在加热加压和超声能量下直接焊接到芯片的焊盘上。引线键合过程如图1所示。1.2.1通过第二次结构设计、球焊形成球球键合时将金丝穿过键合机劈刀毛细管,到达其顶部,利用氢氧焰或电气放电系统产生电火花以熔化金属丝在劈刀外的伸出部分,在表面张力作用下熔融金属凝固形成标准的球形,球直径一般是线径的2倍~3倍,紧接着降下劈刀,在适当的压力和定好的时间内将金球压在电极或芯片上。键合过程中,通过劈刀向金属球施加压力,同时促进引线金属和下面的芯片电极金属发生塑性变形和原子间相互扩散,并完成第1次键合,然后劈刀运动到第2个键合位置,第二点焊接包括针脚式焊接和拉尾线,通过劈刀外壁对金属线施加压力以楔焊的方式完成第2次键合,焊接之后拉尾线是为下一个键合循环金属球的形成作准备。劈刀升高到合适的高度以控制尾线长度,这时尾端断裂,然后劈刀上升到形成球的高度。形成球的过程是通过离子化空气间隙的“电子火焰熄灭”过程实现的,所形成的球即为自由空气球。球焊是一种全方位的工艺(即第二次焊接可相对第一次球焊360°任意角度)。球键合一般采用直径75μm以下的细金丝。因为其在高温受压状态下容易变形、抗氧化性能好、成球性好。一般用于焊盘间距大于100μm的情况下。球键合工艺设计原则:(1)球的初始直径为金属丝直径的2倍~3倍。应用于精细间距时为1.5倍,焊盘较大时为3倍~4倍;(2)最终成球尺寸不超过焊盘间尺寸的3/4,是金属丝直径的2.5倍~5.0倍;(3)闭环引线高度一般为150μm,取决于金属丝直径及具体应用;(4)闭环引线长度不应超过金属丝直径的100倍。键合设备在芯片与引线框架之间牵引金属丝时不允许有垂直方向的下垂和水平方向的摇摆。1.2.2加强二次焊接楔键合是用楔形劈刀将热、压力、超声传给金属丝在一定时间形成焊接,焊接过程中不出现焊球。楔键合工艺中,金属丝穿过劈刀背面的通孔,与水平的被键合表面成30°~60°方向。在劈刀的压力和超声波能量的作用下,金属丝和焊盘金属的纯净表面接触并最终形成连接。超声楔焊是一种单一方向焊接工艺(即第二次焊接必须对准第一次焊接的方向)。传统的楔键合仅仅能在线的平行方向上形成焊点。旋转的楔形劈刀能使楔压焊线机适合不同角度的焊丝,在完成引线操作后移动到第二焊点之前劈刀旋转到程序规定的角度。在使用金丝的情况下,稳定的楔键合能实现角度小于35°的引线焊接。楔键合主要优点是适用于精细间距(如50μm以下的焊盘间距)低线环形状,可控制引线长度,超声焊接工艺温度低。常见楔键合工艺是室温下的Al丝超声波键合,其成本和键合温度较低。而Au丝采用150℃下的热压超声波键合,其主要优点是键合后不需要密闭封装。由于楔键合形成的焊点小于球键合,特别适用于微波器件、尤其是大功率器件的封装。但由于键合工具的旋转运动,其总体速度低于热压超声球键合。楔键合工艺设计原则:(1)即使键合点只比金属丝直径大2μm~3μm也可能获得高强度连接;(2)焊盘长度要大于键合点的尾丝长度;(3)焊盘的长轴与引线键合路径一致;(4)焊盘间距的设计应保持金属丝之间距离的一致性。1.3工艺参数1.3.1温度因素的影响键合温度指的是外部提供的温度,键合工艺对温度有较高的控制要求。工艺中更注意实际温度的变化对键合强度的影响。过高的温度不仅会产生过多的氧化物影响键合质量,并且由于热应力应变的影响,图像监测精度和器件的可靠性也随之下降。温度过低将无法去除金属表面氧化膜层等杂质,无法促进金属原子间的密切接触。隆志力等人实验研究了温度因素对热超声键合强度的影响,认为最佳键合“窗口”在200℃~240℃间,此时键合强度可达20g。孟艳通过实验研究了静压力对超声键合过程瞬态温度特性的影响,为键合工艺参数优化和引线键合过程的在线质量检测提供了技术依据。1.3.2球磨前配方的影响通常的键合时间都在几毫秒,并且键合点不同,键合时间也不一样。一般来说,键合时间越长,引线球吸收的能量越多,键合点的直径就越大,界面强度增加而颈部强度降低。但是过长的时间,会使键合点尺寸过大,超出焊盘边界并且导致空洞生成概率增大。Murali等人发现温度升高会使颈部区域发生再结晶,导致颈部强度降低,增大了颈部断裂的可能。因此合适的键合时间显得尤为重要。1.3.3超声波振动引起焊盘破裂超声功率对键合质量和外观影响最大,因为它对键合球的变形起主导作用。过小的功率会导致过窄、未成形的键合或尾丝翘起;过大的功率导致根部断裂、键合塌陷或焊盘破裂。Jeon研究发现超声波的水平振动是导致焊盘破裂的最大原因。超声功率和键合力是相互关联的参数。增大超声功率通常需要增大键合力使超声能量通过键合工具更多地传递到键合点处,但Rooney等人发现过大的键合力会阻碍键合工具的运动,抑制超声能量的传导,导致污染物和氧化物被推到了键合区域的中心,形成中心未键合区域。1.4声换能器的有限元分析及优化键合工艺的研究方式主要是数据实验分析和理论分析。理论方法一般通过有限元分析,了解键合机理,达到优化工艺参数的目的。Jeon对第一点球键合过程做了比较详细的有限元模拟;Takahasi等人用ANSYS软件模拟了热压键合中引线变形的过程;Lorenzo对高频超声换能器进行模块有限元模拟;Ding等人用二维和三维有限元方法分析了超声引线键合过程中键合参数对接触压力和摩擦力的影响;范柱子等人通过建立有限元模型,模拟键合头运动轨迹,应用仿真分析对比不同的反向段形式对引线轮廓形状的影响。朱正宇等提出了超声波键合的工艺优化方法,通过力学分析的有限元计算得出减少应力的关键是需要控制焊点的厚度的焊线的角度。数据试验分析经常使用试验设计方法(DOE)。相关的软件有ECHIPTM及Micro-Swiss等。国内外有许多工艺参数优化研究基于DOE。其中Rooney等人对芯片直接贴装(COB)的第一、二点的键合时间、键合压力、键合功率和工艺温度七个参数做了DOE优化;杨文建等人对超细间距引线键合第一键合点的超声波形、超声功率、冲击力保持时间、冲击速度、键合点直径、EFO参数等进行了优化试验;Shu等人对细焊盘引线键合机的工艺参数做了优化。2引用线组合材料2.1毛细刀的使用焊接工具负责固定引线、传递压力和超声能量、拉弧等作用。楔键合所使用的焊接工具叫楔形劈刀,通常是钨碳或是碳钛合金,在劈刀尾部有一个呈一定角度的进丝孔;球键合使用的工具称为毛细管劈刀,它是一种轴形对称的带有垂直方向孔的陶瓷工具。劈刀尺寸影响键合质量和生产的稳定性。Zhong等人用激光干涉仪测量了劈刀内超声振动的放大轮廓,在球键合相同的工艺参数下,对比分析了细颈劈刀与传统劈刀的超声传导差异。2.2金属丝的合成Au丝:键合后不需密闭封装。表面清洁度是保证可靠连接和防止劈刀阻塞的重要因素。Au丝应具有适当拉伸强度和延伸率。高纯Au丝非常柔软,需加入微量合金元素以提高其强度和再结晶温度,改善其可加工性。不同微量元素对金属丝的机械性质、焊球形状、弓丝弧度、尾丝余量都有不同程度的影响。Al丝:其键合成本和温度较低。纯Al丝过于柔软而不能拉拔成精细的丝状。通常添加质量分数为1%的Si或1%的Mg以合金强化。Au-Al系:是引线键合中最广泛使用的系统。但这一系统也会导致形成Au-Al金属间化合物和柯肯道尔空洞,而且其形成随温度和时间的增加而加速。Murali等人研究了在热超声键合的热老化中引线尺寸对金属间化合物和柯肯道尔空洞形成的影响。Ji等人对比分析了在热老化过程中超声Au丝和超声Al丝楔键合分离界面的不同变化。3波加金属一带一路超声振动是由PTZ(压电陶瓷)产生,PTZ将超声频率的电压驱动信号转换为相同频率的机械振动(压电逆效应)。并将振动加在变幅杆上,变幅杆和劈刀将振动传输并放大后作用在工作界面上,当劈刀、引线及键合表面接触时,在静压力和振动的作用下相互摩擦、破坏、清除表面氧化膜,产生摩擦热并发生塑性变形,致使两个纯净的金属面紧密接触,达到原子距离的结合,形成牢固的机械连接,从而将金线或铝线焊接在芯片和基板的引脚上,实现引线键合的功能。王福亮等开发了基于LabView和Matlab的PTZ驱动信号采集分析系统,获得实际键合过程中电流电压瞬时频率及相差变化规律,分析了分阶段特征点的稳定性。陈新等研究了超声波振动和能量的传播特性,阐明垂直双向加载是一种高效的传能模型。李军辉等分析了楔焊键合分离界面特性,给出了其界面模式,并证明PTZ输入阴抗分析的结论与界面微观判断一致。电流信号瞬时频率和相差如图2所示。4引线键合技术引线键合通常由引线键合设备完成。引线键合设备是通过陶瓷细管(劈刀)引导金属引线(金线)在三维空间中作复杂高速的运动以形成各种满足不同封装形式需要的特殊线弧形状,将已做好电路的芯片快速粘接于引线框架上的设备。换能器是引线键合机的核心部分,由PTZ、变幅杆和劈刀组成。目前键合设备中普遍采用压电陶瓷驱动的低阻抗超声换能器,共振频率基本上在120kHz以上。高频超声换能器便于能量迅速有效地传递到键合点的金属间界面。通过调整换能器可以改变键合工具的振动轨迹、振动幅度。之后耦合的变幅杆和劈刀部分负责超声能量的放大和传递,共同决定了系统谐振频率。谢敬华等分析了影响引线键合机超声系统性能的若干因素,提出优化超声系统性能的措施,使信号发生器、换能器和键合工具间的能量转换和传输达到最佳匹配。引线键合机的超声系统结构图如图3所示。半导体前端制造工艺的发展促使引线键合技术不断向更细间距,更高效率,更完善的过程控制和可靠性的方向发展。未来十年间,焊盘间距将从35μm减小到20μm。细间距的要求首先体现在键合设备定位精度上。目前35μm的引线间距要求设备的整体定位精度达到微米级,而局部的闭环控制分辨力则为亚微米级。视觉定位系统是设备整体定位精度的重要组成部分。精密直线导轨、高分辨力编码器(光栅尺)也在设备中得到广泛应用。高低两种放大倍率光路常被用来满足高精度和大视场的需要。随着半导体生产各道工序控制严格度的不断增加,对键合完整性检测的要求也不断提高。传统键合设备上的键合力、接触探测等都通过电机线圈电流、键合头速度等间接物理量进行监测的控制,易受外界因素的干扰而影响准确性。良好的自动键合机可在管芯中嵌入检测传感器以在键合过程中实时监测键合力、超声波、接触、失线等物理量和状态。由于管芯中的传感器探测到的是最直接的信号,检测准确度和效率都会大幅提高。Chiu等人研究了压电换能器里PVDF传感器的安装形状对测量结果的影响。Chu等人研究了压电换能器里PZT传感器的安装位置