金线键合技术

AdivisionofSPTRothGroup金线键合封装技术简介焊线封装工艺焊线封装工艺：用导线将半导体芯片上的电极与外部引脚相连接的工艺，即完成芯片与封装外引脚间的电流通路．焊线工艺(续)BGAQFP焊线工艺(续)QFNSmartCard焊线工艺分类1。热超声/金丝球焊-该工艺利用加热温度和超声能量使被压紧在一起的两种金属界面间形成焊接键合。目前90%以上的半导体封装技术采用该工艺。焊线工艺分类(续)2。超声楔焊-利用超声能量作用于压紧在一起的两种金属间形成键合3。热压焊-利用加热及压紧力形成键合。该技术1957年在贝尔实验室被使用，是最早的封装工艺技术，但现在已很少在用。热超声焊与超声楔焊比较T/SU/S金属线Au/CuAl/Au焊线工具CapillaryWedge焊线温度需加热室温焊线机-电火花放电烧球-不需烧球-焊头与焊线-焊头与焊线无方向要求方向一致金丝球焊工艺图示金丝球焊工艺图示(续)金丝球焊工艺图示(续)金丝球焊工艺图示(续)第一点球焊主要参数z超声功率/压力/时间(US_Power/Force/Time)z键合温度(BondTemperature)z芯片焊区金属层类型(BondingPadMetallization)zCapillary设计z图象识别系统（PRS）性能主要特性z焊球形状（球径/BallSize，球高/BallHeight）z键合强度(BallShearStrength)z无凹坑（Cratering)z焊球位置精度(BondPlacement)金丝球焊工艺图示(续)金丝球焊工艺图示(续)线弧形成主要参数z金线尺寸，类型zCapillary设计z焊线机线弧计算及送线系统性能等z金线热影响区高度(HAZ)z线轴放线性能主要特性z线弧高度（Loopheight）z线弧扭曲（Wiresway）z线弧下垂（Wiresagging）z塑封过程中线弧冲弯（Wiresweepduringmolding）金丝球焊工艺图示(续)金丝球焊工艺图示(续)第二点楔焊主要参数z超声功率/压力/时间(US_Power/Force/Time)z焊线温度(BondTemperature)z框架表面质量z框架压紧状况zCapillary设计主要特性z焊点不粘（Liftedpost）z焊点压扁（Smashbond）z断线（Brokenwire）金丝球焊工艺图示(续)金丝球焊工艺图示(续)金球形成主要参数z线尾长度（Wiretaillength）zEFO参数设顶定(ballsizeratio/torchcurrent,torchtime)zEFOgapz线尾熔化后，表面张力使其冷却凝固时形成圆球状主要特性z金球太小会造成capillary堵孔z金球太大易产生焊点偏及“Golf”球热超声焊工艺机理定义：用导线将半导体芯片上的电极与外部引脚相连接的工艺，即完成芯片与封装外引脚间的电流通路．热超声焊工艺机理（续）在焊线制程中，在高温，超声波功率，压力及其他因素的作用下，象金和铝这样相互接触的两种金属发生软化变形，同时两种金属间发生原子扩散形成金属化合物(IntermatellicCompound)或合金(Alloy)，保证焊线键合是可靠的电路连接。热超声焊工艺机理（续）1stBond(Ball)2ndBond(Stitch)TemperatureTemperatureUSUSForceForceTTUSUSFF热超声焊工艺机理（续）BondForce将金球或金线固定于焊线位置以便于超声能量的传播焊线压力使金线与焊接表面紧密压合，并将金线延伸变形金线延伸使其表面污染破裂，露出纯金金线的纯金表面与键合表面相互接触即可发生金属间的分子键合热超声焊工艺机理（续）UltrasonicPower促进结合表面间的原子相互扩散使焊线及焊接表面软化超声功率可使键合面间产生少量的热量键合机换能杆的振动幅度与超声能量成正比超声能量高，振幅会高，键合球尺寸大热超声焊工艺机理（续）Temperature(加热)加热可以去除键合面上的湿气，油污等污染物加热还可增加金属原子动能加速原子间的键合过程热超声焊工艺机理（续）BondTime键合时间既是键合过程中超声能量的作用时间键合时间一般设定为最短５毫秒到２５５毫秒过短的超声时间设定一般不能完成有效的键合Capillary设计Capillary主要尺寸–标准设计Capillary设计（续）Capillary主要尺寸–密间距设计Capillary设计（续）材料SPT的非密间距capillary的材料为高纯Al2O3精细颗粒高密度陶瓷材料（平均颗粒度＜２微米）．密间距capillary则是选用ZrO2掺杂的超细颗粒陶瓷材料（平均颗粒度＜０．２５微米）．HighDensityCeramicCompositeCeramicCapillary设计（续）ManufatureProcessSPTCIM(陶瓷注模)vs.Grinding（磨削）Capillary设计（续）ManufatureProcess(Cont.)Capillary设计（续）Capillary主要尺寸对键合工艺的影响Capillary设计（续）H:HoleBallSizeLoopingBuildupRecommend:H=1.4WDFinePitch:H=1.3WD(min)UltraFinePitch:H=1.2WD(min)Capillary设计（续）CD:ChamferDiameterLargerCD,higherball/shearLargerCD,smallerstitchbondBallcentering,ballsizeMBD(min)=CD+10%CD=H+10um=H+8um(finepitch)Capillary设计（续）CA/IC:ChamferAngle/InnerChamferFABcenteringBallsize/BallshapeBallstrengthTailbondstrengthCapillary设计（续）T/FA/OR:Tipdiameter/faceangle/outradiusStitchlengthHeeltransitionBuild-uprelatedlifespanRecommendation:-SelectthelargestT-largerORwithsmallerFA,viceverseSLTFAORCapillary设计（续）BondingpadpitchlimitationontipsizeCapillary设计需要的应用信息ItemExampleApplication:QFPLeadCount:208WireMaterial/Diameter:Au1.0milBonder/Model:ESEC3088BondPadOpeningSize:80umPadPitch:90umLoopHeight(target):200umMashedBallDiameter:70umCapillary设计需要的应用信息（续）ItemExampleBondPadMetallization:1%Si.05%CuAlDistancebetweenPadtoLead:3.0mmLeadWidth:150umLeadPitch:200umLeadMetallization:SilverplatedCopperBondingTemperature:200degreeCUltrasonicBondingFrequency:125kHzWireBondingProblemsifany:------金线金线是键合工艺中非常重要的直接原材料，需要符合以下要求：正确的合金组份以保证合格的机械及电性能适当的生产工艺与热处理正确的尺寸（线径及长度）合格的表面质量（表面清洁无污染或损伤）良好的放线性能（可顺利的从线轴放线，无打弯或扭曲）GoldPropertyMeltingpoint:—1064℃Boilingpoint:—2807℃Density—19.32g/mm3Electricalresistivity—0.022Ω.mm2/mElasticity—78KN/mm2Shearmoudle—28KN/mm2Resistance(Φ25μｍ,20℃)—46.88Ω/mNooxidizing,goodstability&reliability,easytobondandproduce金线来料检验-金线的主要测试指标是抗张强度（拉断力）及延展率-外观检验标准为表面完整性．比较好的测试方法是使用ＳＥＭ．-放线性能键合工艺质量控制测试VisualInspection（目检）BondShear（推球）WirePull（拉线）Wirepeel（第二焊点拉线）IRmicroscopy（红外线显微镜）Cross-section（抛面分析）Chemicaletch（化学腐蚀）VisualInspection体视显微镜缺陷目检：missingwirebrokenwiremisbondbadloopliftedbondsecondbondimpressionweak/smashedbondpad/leadbondplacementforeignmetterdiedamage……BondShear破坏性测试第一焊点推球测试焊点的键合强度推球测试会在最弱的结合面剪切第一焊点（金球，金铝结合面，焊点金属层与芯片基底结合面．．．）．所以推球后需观察推落模式.该测试是球焊工艺的业界标准测试项目BondShear(Cont.)BondShear(cont.)-失效模式失效模式CODENO.BallLift1BallShear2BondPadLift3Cratering4*WireShear/Others5Notes:*无效推球BondShear(cont.)-失效模式BallLiftAluminumShearBondShear(cont.)-失效模式Ball(Intermetallics)ShearBall(Au)ShearBondShear(cont.)-失效模式BondPadLiftCrateringBondShear(cont.)-失效模式WireShearBondShear(cont.)-失效模式有效推球模式Balllift–推球后小于或等于２５％的残金残留在焊区金属层2.Ballshear–大于或等于２５％的残金残留在焊区金属层3.Padmetallift–焊区金属粘附在金球上与芯片基底脱落脱落4.Cratering–芯片基底硅层或氧化层部分损坏或脱落1.BondShear(cont.)-失效模式无比效推球模式推刀推线或其它-推刀推过球上部或未推掉球的全部-推球过程中推刀接触芯片表面-推球结束后推刀划到芯片-其它5.Wireshear&otherinterferences–BondShearStrengthCriteria85g(2.0mil金线)NA6.0x6.040gNA4.5x4.530g20g4.0x4.020g20g3.5x3.515g15g3.0x3.0＞7.0mils7.0mils或密间距键合焊区间距焊区尺寸(mils)*无最小推力要求单位面积推球强度单位面积推球强度因为推球强度（BallShearReading－BSR）会随键合面积的减小而显著降低，所以有必要用归一化的推球强度值来衡量键合质量，即单位面积推球强度（BallShearStressBSS）．WirePull拉线测试（WirePull）是常用的控制键合线弧和工艺质量的测试方法．它是破坏性测试，拉断点为线弧的最弱位置．拉线钩子放置位置及线弧形状会影响测试结果．WirePull(Cont.)在下述情况下拉线力会降低：　钩子越靠近线弧中点，拉力越小　线弧越低，拉力越小　线弧越长，拉力越小　第一焊点与第二焊点高度差别越大，拉力越小WirePull(Cont.)一般是将钩子位于第一焊点上方或在线弧中点附近HookWirePullForceCriteria5.05.010.010.0