引线键合工艺参数对封装质量的影响因素分析

引线键合工艺参数对封装质量的影响因素分析刘长宏，高健，陈新，郑德涛（广东工业大学机电学院，广州510090）1引言目前IC器件在各个领域的应用越来越广泛，对封装工艺的质量及检测技术提出了更高的要求，如何实现复杂封装的工艺稳定、质量保证和协同控制变得越来越重要。目前国外对引线键合工艺涉及的大量参数和精密机构的控制问题已有较为深入的研究，并且已经在参数敏感度和重要性的排列方面有了共识。我国IC封装研究起步较晚，其中的关键技术掌握不足，缺乏工艺的数据积累，加之国外的技术封锁，有必要深入研究各种封装工艺，掌握其间的关键技术，自主研发高水平封装装备。本文将对引线键合工艺展开研究，分析影响封装质量的关键参数，力图为后续的质量影响规律和控制奠定基础。2引线键合工艺WB随着前端工艺的发展正朝着超精细键合趋势发展。WB过程中，引线在热量、压力或超声能量的共同作用下，与焊盘金属发生原子间扩散达到键合的目的。根据所使用的键合工具如劈刀或楔的不同，WB分为球键合和楔键合。根据键合条件不同，球键合可分为热压焊、冷超声键合和热超声键合。根据引线不同，又可分为金线、铜线、铝线键合等。冷超声键合常为铝线楔键合。热超声键合常为金丝球键合，因同时使用热压和超声能量，能够在较低的温度下实现较好的键合质量，从而得到广泛使用。2.1键合质量的判定标准键合质量的好坏往往通过破坏性实验判定。通常使用键合拉力测试（BPT）、键合剪切力测试（BST）。影响BPT结果的因素除了工艺参数以外，还有引线参数（材质、直径、强度和刚度）、吊钩位置、弧线高度等。因此除了确认BPT的拉力值外，还需确认引线断裂的位置。主要有四个位置：⑴第一键合点的界面；⑵第一键合点的颈部；⑶第二键合点处；⑷引线轮廓中间。BST是通过水平推键合点的引线，测得引线和焊盘分离的最小推力。剪切力测试可能会因为测试环境不同或人为原因出现偏差，Liang等人[1]介绍了一种简化判断球剪切力的方法，提出简化键合参数（RBP）的概念，即RBP=powerA×forceB×timeC，其中A，B，C为调整参数，一般取0.80，0.40，0.20。此外，键合标准对于键合点的形状，如第一键合点的直径、厚度等，也有一定要求，这些将直接影响器件的可靠性。2.2电子打火系统（EFO）EFO用于球键合工艺中引线球的形成。第二点楔键合后，尾丝在电弧放电后熔化，受到重力、表面张力和温度梯度的作用，形成球体。尾丝的长度受第二键合点工艺参数的影响，因此第二点键合将影响到下一个第一点键合的质量。熔球与引线的直径比对第一键合点尺寸的影响非常大。在引线材质不变的条件下，熔球直径由放电电流、放电时间、放电距离和线尾露出劈刀的长度决定。其中，放电电流和放电时间对成球影响最大，目前控制精度己分别达到10mA和ms级水平。Qin等人[2]发现增加放电电流和减少放电时间可以减少热影响区域（HAZ）的长度，Tay等人[3]用有限元方法模拟了引线上瞬间温度的分布状况。此外，移动打火杆、紫外光辅助熔球、保护气系统也应用到EFO中，提高熔球质量。2.3超声系统US作为键合设备的核心部件，由发生器、换能器和聚能器组成。其中换能器负责电能到机械能的转换作用，最为重要。通过调整换能器可以改变键合工具的振动轨迹、振动幅度。之后耦合的聚能器和键合工具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。Tsujino等人[4]设计了一种双向垂直超声系统（如图1所示），在双向垂直杆上分别装压电陶瓷A，B，控制两个振动系统的频率可以得到不同图案的振动轨迹，试验测得圆形和方形振动轨迹的焊接升温、变形量和焊接强度高于线性轨迹。在几何尺寸固定的情况下，键合工具的振动幅度主要随超声功率的增大而增大，受键合力的影响很小。并且超声功率越大，达到最大键合强度的时间越短，反映出越快的键合速度。但是过大的超声功率会导致焊盘产生裂纹或硬化，降低键合强度。良好的自动键合机需要对超声振幅和键合时间等参数进行实时的监控。Chiu等人[5]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[6]研究了压电换能器里PZT传感器的安装位置，Chu认为放在驱动器的后部可以得到最大的信号噪声比。Zhong等人[7]介绍了使用激光多普勒振动计（如图2所示）测量劈刀的振动传递特性。2.4键合工具键合工具负责固定引线、传递压力和超声能量、拉弧等作用。其形状对质量有重要影响，球键合使用的劈刀如图3所示。图中，①为内孔，其直径由引线直径决定，引线直径由焊盘的直径决定。内孔的直径越小，引线轮廓越接近理想形状，如果内孔直径过小则会增大引线与劈刀间的摩擦导致线弧形状的不稳定；②为壁厚，影响超声波的传导，过薄的壁厚会对振幅产生影响；③为外端面和外圆角，影响第二键合点的大小，从而影响第二键合点的强度和线弧形状；④为内斜面，影响第一键合点的中心对准、键合强度、键合点尺寸大小，还影响线弧形状。为了增大第一键合点的键合强度，应适当减小内斜面的直径。超细键合所使用的劈刀无论在制作工艺和形状上都有重大改进。Zhong等人[7]对比分析了相同工艺参数的情况下，细颈劈刀与传统劈刀（如图4）的超声传导差异，显示出细颈劈刀的优异性能。2.5引线轮廓成型（拉弧）过程引线轮廓主要由引线和拉弧参数决定。引线参数主要指引线强度（硬度和刚度）和由EFO决定的HAZ。较高的引线强度可以减小HAZ从而增强颈部强度。拉弧参数包括劈刀运动轨迹、引线长度、转角、转角长度和运动速度。图5是一种拉弧方式的示意图[8]。合理的拉弧参数可以降低引线轮廓高度，减少蠕动，增强可靠性。Shu等人[9]运用统计分析方法描述了引线轮廓，评估了键合参数的相互作用和影响；Lo等人[10]提出了一种全新的连接弹簧模型分析了键合引线轮廓，用相互连接的扭转弹簧简化键合过程中复杂的材料非线性和几何非线性问题；范柱子等人[11]应用仿真实验研究了键合头运动轨迹中反向段的作用，以及不同的反向段形式对引线轮廓形状的影响；Ohno等人[12]提出了引线轮廓上的硬度分布类似V型；Liu等人[8]综合分析了更真实的应力应变关系，特别是HAZ至键合球的应力应变，并运用动态有限元分析了拉弧过程，研究引线轮廓的参数影响和残余应力分布。2.6主要工艺参数介绍2.6.1键合温度WB工艺对温度有较高的控制要求。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。在实际工艺中，温控系统都会添加预热区、冷却区，提高控制的稳定性。键合温度指的是外部提供的温度，工艺中更注意实际温度的变化对键合质量的影响，因此需要安装传感器监控瞬态温度。一般使用金-镍热电耦，但有时会对工艺条件产生限制。Mayer等人[13]介绍了一种环绕焊盘的铝丝环做成的微传感器，达到了1ms的分辨率；Suman等人[14]介绍了一种放置在焊盘下方的铝-多晶硅温差电堆传感器，具有灵敏度高、信噪比高等优点。2.6.2键合时间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[15]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。2.6.3超声功率与键合压力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[16]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的传递到键合点处，但Rooney等人[17]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。3高速、高加速度、高精度IC封装机构目前音圈电机因具有较高的分辨率和响应速度，已代替伺服电机，用于X-Y台和键合头的驱动设备，但其性能仍难满足高密度引线键合的需要。香港ASM正在研究应用直线电机、磁悬浮导轨等先进元件在运动控制上，主要是研究如何消除快速起停引起的宽频振动，主动控制定位系统的低频振动是当前研究的主要内容。机器视觉硬件方面，研究集中在光路和照明的优化设计或配置；软件方面，主要集中在高性能图象对准算法，如归一化相关检测技术、几何特征匹配技术等。此外，基于DSP芯片的运动控制系统、图像识别系统也正处于研究阶段。目前国外先进设备可达到：定位精度5～10μm，频带宽度300Hz，加速度6～10g，焊头往返速度15000次/h；预计下一代封装设备可达到：定位精度2～5μm，频带宽度400Hz，加速度15g，焊头往返速度30000次/h。我国IC封装设备制造业起步较晚，再加上加工、设计能力差，相关的基础理论缺乏，因此与其他发达国家相比，总体水平相差2～4代，生产的手动型、半自动型的键合机，键合速度达到6000线/h，全自动焊线机的键合速度达到10000线/h左右。4工艺优化方法封装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。Takahasi等人[18]用ANSYS软件模拟了热压键合中引线变形的过程；Jeon[16]对第一点球键合过程做了比较详细的有限元模拟；Lorenzo[21]对高频超声换能器进行模块有限元模拟；Qin[2]对键合球的形成进行了数值模拟和试验工作。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[16,18-19]。其中Rooney等人[17]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[19]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[20]对细焊盘引线键合机的工艺参数做了优化。5结语随着封装尺寸的减小，新材料、新封装形式COB、MCM等的应用，对于引线键合技术提出了更高的要求。当前先进的IC封装设备基本上被国外大公司所垄断，如美国的US、瑞士的ESEC、日本的TOSOK，NEC等。面对国外的技术封锁，迫切需要掌握关键封装技术，自主开发高性能的封装设备。因此，有必要进一步探索各个影响因素及其耦合作用对封装质量的影响规律和控制方法。未命名.jpg