任務3 金絲熱超聲鍵合工藝的確定教案

1、哈爾濱職業(yè)技術(shù)學院教 案課程名稱： 先進焊接與連接 教師姓名： 耿艷旭 教師所在院部： 機械工程學院 哈爾濱職業(yè)技術(shù)學院教案課程題目項目3 微連接任務3 金絲熱超聲鍵合工藝的確定課 時2教學目的：1.通過金絲熱超聲鍵合工藝的研究，了解引線鍵合技術(shù)的原理與應用情況；2.能正確使用金絲熱超聲鍵合設備，能自主設計金絲熱超聲鍵合工藝，并對焊接質(zhì)量進行初步分析。教學重點與難點：重點：自主設計金絲熱超聲鍵合工藝，并對焊接質(zhì)量進行初步分析。難點：自主設計金絲熱超聲鍵合工藝。教學方法與手段：講授法、提問法、實踐操作等。教學內(nèi)容與課時分配：課程引入：5分鐘內(nèi)容講解：40分鐘項目操作：35分鐘課堂練習：5分鐘本課

2、總結(jié)：5分鐘教具：多媒體作業(yè)與思考：作業(yè)：教科書思考題教學后記：項目3 微連接任務3 金絲熱超聲鍵合工藝的確定一、引線鍵合技術(shù)與熱超聲鍵合基礎(chǔ) 1.引線鍵合技術(shù)（Wire Bonding）作為現(xiàn)如今的一種主要的微電子領(lǐng)域內(nèi)的封裝技術(shù)，它是指使用細的金屬絲線（Al、Pt、，Au等），利用熱能、壓緊力與超聲波能量等促進金屬絲線和基板上的焊盤產(chǎn)生緊密的焊合，實現(xiàn)芯片與基板間的電氣互連和芯片間的信息互通的技術(shù)，是屬于壓力焊接的一種。作為一種可靠的芯片互連技術(shù)被廣泛地用于微電子行業(yè)。從20世紀50年代后期的單芯片組裝到今天的高密度多芯片組件(MCM)。引線鍵合技術(shù)以工藝簡單、成本低廉、適用多種封裝形式的

3、優(yōu)勢而在微電子封裝生產(chǎn)中占據(jù)重要地位。目前90%以上的IC封裝的互連是通過引線鍵合工藝實現(xiàn)的。集成電路裝配與封裝己經(jīng)實現(xiàn)高度的自動化，并且成為增長的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品性能的重要部分。但是引線鍵合技術(shù)也會受到其自身特征的制約而存在一些技術(shù)缺陷，其中包括：多根引線并聯(lián)造成鄰近效應，導致引線間或不同芯片鍵合引線間電流分布不均；鍵合引線自身寄生電感較大，給器件帶來較高的開關(guān)過電壓；引線本身很細(直徑20/500m)，元件普遍采用平面封裝結(jié)構(gòu)，從而導致傳熱性能不好等。雖然引線鍵合工藝存在一定缺陷，但是相對于其他封裝工藝，其自身的優(yōu)勢是十分明顯的。而且通過選取性能更優(yōu)異的基板材料，可以從一定程度上彌補引線鍵合

4、工藝的缺陷。無論是封裝行業(yè)多年的實際經(jīng)驗還是業(yè)內(nèi)的權(quán)威預測都已經(jīng)證明，引線鍵合工藝在可以預見的未來，仍將是微電子封裝領(lǐng)域的主流互連方式。針對微電子封裝領(lǐng)域的要求不同，在工業(yè)上通常有熱壓引線鍵合、超聲引線鍵合以及熱超聲引線鍵合這三種引線鍵合定位平臺技術(shù)被廣泛采用。2.熱壓鍵合是使用加熱以及劈刀壓緊力對芯片的金屬化層和金屬絲進行作用，使接觸面發(fā)生塑性形變，并損壞界面的氧化膜，使得待鍵合區(qū)域和金屬引線接觸面的原子抵達引力范圍區(qū)間，與此同時，金屬絲和待焊接區(qū)域的外表面上都有著不平整的情況，加之壓力作用在這些高低不平的地方互相充盈并生成彈性的嵌合，把二者之間緊密連合了起來。這種方式最先出現(xiàn)的封裝工藝技術(shù)

5、，是利用高溫和塑性流動使互相觸碰的部分的原子在一定的時間、溫度和壓力作用下產(chǎn)生固體擴散鍵合。它要求基板和芯片的溫度通常要達到 150作用，對表面的污染物很敏感，通常用于Au絲鍵合，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。超聲鍵合是充分使用超聲波的能量，完成了金屬引線材料和電極在常溫下的直接焊接。這種方式通常是在不加熱的情況下，利用超聲波發(fā)生器（60120KHz）施加超聲，使石英晶體在電致伸縮效應下產(chǎn)生微移，并利用變幅橫桿傳遞給劈刀產(chǎn)生水平彈性的振動，與此同時，施加豎直向下的壓力。引線材料在此二者的聯(lián)合作用下在被鍵合區(qū)的金屬接觸表面產(chǎn)生快速摩擦，并且因為能量的強大作用，接觸面的氧化膜被損壞，裸露下層干凈的表面，于此同

6、時引線發(fā)生塑性的形變，靠著原子間的引力作用完成緊密接觸的兩者間的焊接，通常用于Al絲的鍵合。 熱超聲鍵合工藝結(jié)合了熱壓工藝與超聲工藝這兩者之間的優(yōu)點，以其只需要比較低的加熱溫度、鍵合完成后鍵合的強度高并且對器件的可靠性非常有利等優(yōu)勢成為鍵合法的主流。熱超聲鍵合是目前微電子封裝的主要鍵合方式，常用的鍵合材料為金絲和銅絲。鍵合過程是一個復雜的形變過程，而且始終伴隨著微區(qū)織構(gòu)變化，如冷拔金絲中的線織構(gòu)，金絲球內(nèi)柱狀晶的鑄造織構(gòu)以及鍵合后的壓縮織構(gòu)。織構(gòu)對金絲的性能會產(chǎn)生影響，織構(gòu)不同，彈性模量也不同。表4-1 超聲鍵合、熱壓鍵合及熱超聲鍵合優(yōu)缺點對比二、楔形鍵合與球形鍵合 熱超聲引線鍵合技術(shù)有兩種基

7、本形式：楔形鍵合與球形鍵合，通常情況下也可以簡稱為楔焊和球焊。 1.楔形鍵合的具體鍵合過程如下： （1）利用內(nèi)部運動控制組件的功能，將劈刀定位到第一鍵合點頂部快速下降至預設的搜索高度后速度變慢，減速后劈刀繼續(xù)向下運動直至到達待鍵合區(qū)域的表面，在超聲波的振動以及楔形劈刀壓制力的聯(lián)合作用下，把金屬引線的一端緊緊壓到芯片的金屬焊盤上。 （2）金屬引線被拉起，在運動控制組件的作用下使劈刀依照軌跡挪動，鍵合頭抵達第二鍵合點的正上方。劈刀開始下降，直至基板接觸后按照預先設定好的“第二鍵合點參數(shù)”進行鍵合。 （3）在第二鍵合點完成焊接后，利用劈刀的壓制力將金屬引線切斷，至此芯片和基板實現(xiàn)連接，達成了引線鍵合

8、的目的。 （4）劈刀抬起至初始高度停止，線夾關(guān)閉，至此一個完整的楔焊周期完成。 2.球形鍵合的具體鍵合過程如下： （1）成球：劈刀尾端預留一部分金絲，電子打火系統(tǒng)組件產(chǎn)生高壓電，電極和金屬引線周圍的空氣發(fā)生電離，讓引線斷面和電極二者之間的空氣被擊穿產(chǎn)生電弧，此時的高溫度將會使金屬引線的尾絲熔化，與此同時，這熔化的金屬引線由于重力與表面張力的共同作用之下，將會形成一個球。 （2）引線夾把金屬引線向上提起，并且讓這一金屬熔球在球形劈刀頂?shù)膱A錐孔里面卡位固定。 （3）再利用運動控制桿的控制，將鍵合頭快速下降至第一點待鍵合區(qū)域上方的預設搜索高度后速度變慢，減速后劈刀繼續(xù)向下運動直至到達結(jié)合界面，保持設

9、置的力一段時間，在綜合超聲能、鍵合力以及熱能的作用下形成第一鍵合點。 （4）鍵合頭上升至設定的位置，在運動控制部件的作用下使劈刀按照原本設定的軌跡進行移動，鍵合頭到達第二點待鍵合區(qū)域合位置的上方。劈刀開始下降，直至和基板焊盤發(fā)生接觸后依據(jù)事先程序輸入號的“第二鍵合點參數(shù)”去進行鍵合，在這里和前面的第一鍵合點有所不同的是，第二鍵合點將不會產(chǎn)生出一個金屬熔球，并且劈刀會直接地把金屬引線壓制在焊盤上，在超聲能和熱能的雙重效用下完成鍵合后，第二鍵合點的尾端會形成一段壓痕，劈刀上提，上提的距離被參數(shù)設置里所需預留的尾絲長度決定。 楔形鍵合和球形鍵合這兩種鍵合方式最主要的不一樣之處是球形鍵合方式每次循環(huán)的

10、起始由打火桿造成一個金屬的焊球，然后利用劈刀將這個圓形球緊緊壓到芯片的金屬焊盤上形成為第一焊點（往往是芯片表面），而楔形鍵合則是不用在循環(huán)的最初形成焊球的，它是直接在加熱加壓和超聲的能量運行之下，將金屬引線焊到芯片的焊盤上。此外，通常來說，正因為球鍵合每一次鍵合的開始都需要打火成球，然后將這個球壓到焊盤上，因此需要準備的焊盤面積比楔鍵合要大。楔形鍵合和球形鍵合雖然有所不同，但歸納起來它們的基本的步驟都可以囊括為：一般是在芯片上構(gòu)建產(chǎn)生第一焊點，拉線成弧，然后去在引線框架或者基板上面最后構(gòu)造產(chǎn)生第二焊點。 熱超聲鍵合中，鍵合的兩種不同形式對應著引線焊接所使用的兩種不同的焊線工具，另一種是楔焊使用

11、的楔形劈刀，一種是球焊使用的毛細管劈刀。完成楔形焊接需要使用的是楔形劈刀，一般為鈦碳合金或者鎢碳所做成，在這種劈刀的尾部一定有一個呈特定角度的進線孔，如圖所示，在生產(chǎn)使用中，根據(jù)實際使用情況，這一角度往往有 30°、45°等不同情況。 從引線的原材料方面來講，現(xiàn)在的大部分能實現(xiàn)球形鍵合的鍵合機采用的都是純度為 99.99的金線。然而總有部分的待鍵合器件有特別的的使用要求，比方說要求鍵合的強度很高等，在這種情況下也會采用 99.99%或者更低的純度的合金引線。因為在金線里加入一些其它物質(zhì)作為摻雜物可以有效地降低金-鋁界面的界面層擴散生長的速度。此外，近年來銅線在鍵合中的表現(xiàn)也

12、不容小覷，因為從成本上來算，銅的成本遠遠低于金線，并且在引線的傾斜方面也有不俗的表現(xiàn)，因此銅線也能作為一種引線材料來被開發(fā)利用。但是銅線有一個很大的缺點則是它容易發(fā)生氧化，同時鍵合點容易發(fā)生裂痕。實際應用的種種現(xiàn)象和資料都表明，在常規(guī)器件的封裝連線步驟里，金仍將是主要的引線材料。三、引線鍵合的技術(shù)要求 引線鍵合必須滿足下面的幾點要求： （1）引線材料易加工成絲，即可塑性好，易卷繞。 （2）鍵合完成后，不會殘留會引起腐蝕的物質(zhì)。 （3）鍵合后產(chǎn)生電阻很小，保證低歐姆接觸和良好的導電性。 （4）鍵合過程中施加的功率和壓力等都應該在保證鍵合質(zhì)量的情況下，越小越好，使焊盤結(jié)構(gòu)不致?lián)p壞。 （5）能與芯片

13、表面的金屬化焊盤（在本文涉及到的所有任務里，此處的金屬化焊盤均為鋁焊盤）及基板材料（金）實現(xiàn)良好的鍵合。這才是鍵合的本質(zhì)。 針對以上的要求，作為目前被使用地最廣泛的封裝內(nèi)部銜接方式的引線鍵合技術(shù)，在發(fā)展的過程中形成了一套完善的質(zhì)量檢測標準?？傮w說來，有如下幾點： （1）鍵合位置和焊點的形狀達標 鍵合位置沒有定位好的化，容易發(fā)生焊盤出坑的情況。這樣有可能會毀損焊盤下層的重要半導體材料層，所以這種情況下的毀損將可能會降低器件的性能并且引起電損傷這一問題提出鍵合位置達標，焊點形狀達標有助于芯片和外界的良好聯(lián)通。 （2）剪切力測試和拉力測試達標 剪切力測試和拉力測試達標可以提高封裝連接的可靠性，在實際

14、應用中，利用拉力測試來檢測鍵合強度的時候更多。 （3）鍵合前后對芯片各方面性能無影響 假若鍵合情況不良好，會產(chǎn)生金屬的遷移現(xiàn)象，這一現(xiàn)象會使橋連區(qū)域的泄露電流激增，使器件失效。此外，過鍵合會使芯片下層材料受到影響，甚至影響讀出電路，導致電路響應前后發(fā)生變化。 （4）震動任務達標 震動任務后，引線是否無歪斜坍塌并且焊點強度無明顯變化。在強烈振動下，引線鍵合質(zhì)量不達標有可能會引起鍵合點脫鍵隱患，并會引起引線彎曲疲勞和震動疲勞，這些失效均對半導體器件可靠性的危害極其嚴重。任務實施一、金絲鍵合材料及設備 本次任務里金絲鍵合平臺采用 HYBOND626型號的熱超聲多功能引線鍵合設備，機器整體外觀見圖，該

15、設備是一臺半自動的引線鍵合設備，通過更換劈刀類型就能完成楔焊或者球焊功能?？紤]到國軍標和公司雙重要求下要達到5g的拉斷力數(shù)值，本文選取25m的純度為 99.99%的Au絲作為鍵合引線材料，分別采用楔形劈刀和球形劈刀兩種不同的方式去進行楔形鍵合和球形鍵合，劈刀采用90°安裝方式，如圖所示。圖4-5 金絲及任務實操設備圖4-6楔形劈刀安裝方式 HYBOND626 多功能引線鍵合設備的主要技術(shù)指標如下： （1）超聲系統(tǒng)：PLL 自校準，62.5KHZ 系統(tǒng) （2） 超聲功率：0-0.2W（低），0-2W（高） （3）焊接時間：0-900ms （4）焊接壓力：12-250G （5）溫度控制：

16、室溫至 250°C （6）線徑：12.7um-75um ×510um(楔焊) （8）絲帶材料：金、鋁、覆金銅 （9）焊接頭部運動：伺服馬達，控制器或腳踏開關(guān) （10）焊接移動定位：傳感器與焊接面的接觸 （11）Z 軸行程：19mm，全自動 （12）工作臺運動：4:1，手動，可選 8:1 （13）電源：90-260VAC，10A （14）凈重：31.8KG 二、設計楔形鍵合的任務方案 1.設計方案： （1）選定超聲功率和鍵合壓力這兩個工藝參數(shù)作為任務對象，并且根據(jù)出廠參考值以及前期所做任務的種種經(jīng)驗，確定出可能影響鍵合質(zhì)量的每個工藝參數(shù)的基準值列表如下表。表4-2 楔焊單因素

17、引線鍵合工藝參數(shù)實驗的基準值 （2）將第一焊點的超聲功率的設定值由小到基準值再繼續(xù)增大，其余參數(shù)的取值不變，做金絲楔焊的任務。 （3）在完成后用 ROYCE 650做拉力的測試，保存結(jié)果。 （4）為了減小誤差，每個設定值均做10次任務。10次結(jié)果所得的平均值才為此設定值下的鍵合強度。 （5）將第一焊點的鍵合壓力這一參數(shù)的設定值逐漸增大，保持包括超聲功率在內(nèi)的其余工藝參數(shù)取基準值不變，進行金絲楔焊任務。 （6）重復步驟3、4。 （7）進行鍵合第二點工作，任務方法與第一焊點一樣。 （8）記錄第一焊點和第二焊點處，每一個參數(shù)的不同值對應的拉力強度，錄入表格，方便直觀分析。 2.注意事項： （1）若楔

18、形鍵合第一焊點處的超聲功率太?。ú坏?50m W），則金絲吸取能量不夠，不能產(chǎn)生合格的鍵合強度，在拱絲的過程中極度容易產(chǎn)生剝離現(xiàn)象而導致無法成功焊線。 （2）超聲功率逐漸增大，達到可以消除掉阻礙鍵合的表面氧化物以及其它雜質(zhì)的能力，在下層干凈的鍵合區(qū)域上發(fā)生反復式的摩擦，有助于發(fā)生接觸并且產(chǎn)生強度。 （3）超聲功率持續(xù)變大，我們測試到的拉力值反而開始變得越來越小。這種現(xiàn)象發(fā)生是因為過多的超聲能量使已經(jīng)形成的鍵合區(qū)域發(fā)生損傷，產(chǎn)生過鍵合。當這一數(shù)值超過一定范圍（70mw），鍵合區(qū)域嚴重變形，鍵合點根部斷裂，鍵合發(fā)生失效的概率增大。 （4）楔形鍵合第一焊點超聲功率設置值應該在50mw-70mw，此時

19、鍵合強度良好。三、設計球形鍵合的任務方案 1.設計方案： （1）球鍵合比楔形鍵合多一個參數(shù)即打火桿的功率，根據(jù)朱炳金的實驗研究得出打火桿功率只對焊球直徑影響較大，因此，打火桿功率不是影響球形鍵合質(zhì)量的主要因素。根據(jù)出廠參考值和前期的試驗性實驗得出的經(jīng)驗，確定出可能影響鍵合質(zhì)量的各個工藝參數(shù)的基準值列表如下。表4-3 球形鍵合單因素引線鍵合工藝參數(shù)實驗基準值 （2）首先對第一鍵合點處的超聲功率參數(shù)做實驗。因此需要固定其余的所有參數(shù)為上表 中的基準值不動，對第一鍵合點處的超聲功率設定最小值，從最小值開始做鍵合樣本，然后此參數(shù)數(shù)值逐步增大，每一個取值都要進行實驗。 （3）以上的所有樣本完成后，進行拉

20、力測試，保存結(jié)果。在這里，我們同前面的楔形鍵合實驗方案一樣，為了減小誤差，無論是第一鍵合點處還是第二鍵合點處，變動的參數(shù)設定值都要做10次實驗。 （4）計算每一個變動參數(shù)值所進行的10次實驗得到的拉斷力的平均值，即為該超聲功率設定值對應的引線鍵合強度。 （5）固定別的參數(shù)值為基準值不變動，然后讓第一鍵合點處的壓力參數(shù)由小經(jīng)過基準值到超過基準值的過程進行實驗。每一個參數(shù)都要做10次實驗后由ROYCE650做拉力測試，并記錄結(jié)果，計算平均值。 （6）第二焊點的實驗情況同第一焊點。 （7）記錄第一焊點和第二焊點兩個工藝參數(shù)不同設置值對應的拉力強度，填入表格，進行分析討論。四、檢驗與分析 檢測引線鍵合質(zhì)量有位置檢驗、焊點情況檢驗、引線質(zhì)量檢驗以及鍵合強度檢驗四個方面。在本任務中，我們的檢驗主要是通過考察鍵合的強度來評定，鍵合強度檢測一般又有兩種方式，一種方式是鍵合拉力測試(BPT)，