【文章內(nèi)容簡介】 C芯片內(nèi)部相應的焊盤上。 扯絲第二焊接完成后，焊頭快速上升，線夾夾緊金線并將其扯斷。 成球位置金線被扯斷的瞬間，打火桿尖對金線高壓放電，將劈刀尖下的金線燒成金球，(10)回到初始位置打火燒球工序完成后，焊頭回到初始位置，完成一條焊線的焊接。 本章小結 本章主要介紹了半導體封裝和其中焊接工藝的概念和特點，從中可以知道，超聲球焊工藝在半導體封裝中起到舉足輕重的作用，因此，要將傳統(tǒng)的金絲球焊改成銅絲球焊，就必須從設備、材料、工藝、性能等方面進行研究和驗證，保證產(chǎn)品的性能和可靠性，從而提高半導體器件的性能價格比。 39 第四章 銅線超波球焊工藝的幾個重要因素 第三章 超聲波球焊設備的結構和作用 引言金絲球焊機，是一款利用超聲波焊線技術，在壓力和超聲波能量共同作用下，用細小的金線連接IC芯片電極與框架上的焊盤，從而實現(xiàn)封裝前的芯片（硅片）內(nèi)部引線焊接的高科技機電一體化設備。它的功能主要在封裝前，用金絲連接芯片內(nèi)部電路或?qū)?nèi)部電路與管腳連接。 KS公司球焊機介紹 了解球焊機器上的設備原理。該設備廣泛應用于各半導體公司的焊線工序，一般來說包括以下幾個部分： KS公司球焊機Fig wire bonding of KS KS公司球焊機結構Fig structure of wire bonding machine（1）電源控制臺包括電源供應器、資料存儲系統(tǒng)、電路控制以及散熱系統(tǒng)。（2）XY工作臺（XY Table） 包括有二個線性伺服馬達以驅(qū)動整個工作臺到達定點位置。（3）焊線頭（Bond Head）：位于XY工作臺上，主要是完成產(chǎn)品的焊線動作。 (4)影像處理系統(tǒng)：將產(chǎn)品的影像進行辨認工作并將影像傳送到屏幕，包含有兩個改良掃描的鏡頭、直斜燈裝置、透鏡與反射鏡與影像控制板，主要作用為辨識及搜尋芯片與引線框架，控制影像的亮度以及提供軟件與硬件所支援影像和圖像的使用界面。（5）送線系統(tǒng)：提供焊線到焊線頭以進行焊線動作，送線系統(tǒng)控制板處理光學感應器的訊號驅(qū)動。12英寸直徑的線軸，提供充足的焊線完成送線的動作。并且提供真空清潔焊線，另外還有偵測焊線的質(zhì)量的功能。（6）進料系統(tǒng)：將待焊線產(chǎn)品從進料區(qū)導入焊線工作區(qū)以及完成的產(chǎn)品退料到成品區(qū)，包含有進料升降機構、工作臺和退料升降機構。（7）緊急停止按鈕：在緊急狀態(tài)下，停止機臺的電源供應。（8）人機界面：提供操作者與機臺的溝通界面。（9）顯微鏡：在調(diào)試機器時，觀察機器的各個動作是否正常。 （10）信號燈塔：設置的各個信號燈的控制和顯示，主要是在正常工作時能及時起到提示操作人員和維修員便捷的知道機器的狀態(tài)。 （11）蜂鳴器：與信號燈塔一起工作，提示該機臺處于何種狀態(tài)下。 （12）工作燈：起到照明作用。（13）屏幕：人機交互界面，輸入輸出工作設置和機臺的參數(shù)與狀態(tài)。[1] 本章小結 本章主要介紹了KS公司的球焊機的設備構成，包括總體架構和關鍵的結構兩部分，介紹了各個部分構成和功能。第四章 銅線超聲球焊工藝的幾個重要因素 引言銅線超聲球焊工藝是在金線球焊工藝的基礎上進行的，但由于銅線與金線的物理性質(zhì)的區(qū)別，所以，需要對各項工藝因素進行優(yōu)化和改進。如果只是按照金線球焊的設備和工藝參數(shù)進行銅線球焊工藝，會對產(chǎn)品造成很嚴重的影響。因此，需要先了解有哪些重要的材料和參數(shù)需要優(yōu)化，做什么樣的優(yōu)化，從而才能對銅線超聲球焊工藝試行批量性的生產(chǎn)。本章針對銅絲球焊技術的鍵合因素，包括劈刀、工藝參數(shù)（超聲能量、壓力、溫度）以及銅絲、焊盤制造工藝等幾個方面開展了一系列研究工作。 銅線超聲球焊的劈刀銅絲球焊中所使用的鍵合設備與金絲球焊大致相同。為解決形球過程中銅球易氧化的問題，研究人員研制出銅絲球焊形球防氧化保護裝置，如Kulickeamp。Sofa開發(fā)的“Copper Kit”。該裝置在形球過程中引入純氮或氮氫混合氣體，對銅球進行保護以防氧化物的形成。銅絲鍵合技術對鍵合工具劈刀的設計也提出了新的要求。劈刀的主要結構特征有內(nèi)腔、劈刀嘴部外圓直徑、面角度、劈刀嘴部表面拋光度、中心角等。與金絲球焊用劈刀相似，銅絲球焊用劈刀設計主要考慮因素有焊盤間距、焊盤窗口尺寸以及金屬絲直徑等。銅絲球焊技術對劈刀面角度以及劈刀嘴部外圓直徑要求更高，合適的面角度與外圓直徑匹配能夠鍵合出理想的第一、二焊點，并有效提高焊點可靠性。銅絲球焊中劈刀的面角度適用范圍為0~11O度。另外，由于銅球、銅絲硬度較高，銅絲球焊用劈刀需要進行表面耐磨處理，選擇更耐磨的陶瓷作為劈刀材料，以提高銅絲球焊用劈刀的使用壽命。隨著塑封材料的發(fā)展，無鹵化物環(huán)保型塑封料成功取代傳統(tǒng)塑封料，封裝后銅絲易受腐蝕的問題得到有效緩解。 Fig shape of capillary and position for bonding 鍵合的工藝參數(shù) 鍵合超聲能量鍵合超聲能量是焊點質(zhì)量的主要影響因素。超聲能量的作用包括增加金屬球的變形，擠壓焊盤上金屬層，增加金屬原子的遷移率和晶格位錯密度，減小金屬材料的屈服強度以利于金屬間的擴散連接。銅絲球焊中由于銅絲、焊盤表面附著氧化物、污染物，必須依靠超聲能量去除它們以改善可焊性能。超聲能量過大將導致焊點疲勞，降低其連接強度；能量過小，去除污染物不充分，導致焊點連接失敗或形成虛焊。針對這一矛盾，Nguyen等人提出采用兩階段的超聲施加方式，第一階段能量主要用來去除污染物和氧化物，第二階段能量主要用于連接，第二階段超聲能量為第一階段的30％~50％。研究結果表明這種超聲能量施加方法可以提高銅球焊點連接強度。另外，結果還顯示銅球焊點的連接強度與第一階段的超聲能量大小有直接關系，與第二階段關系不大。研究發(fā)現(xiàn)超聲振動方向?qū)Φ诙更c的抗拉強度有著較大的影響，當振動方向平行于線弧方向時，低溫銅氧化物會直接影響到第二焊點與引線框架的連接質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)超聲振動方向?qū)更c尺寸也有較大的影響，在金焊盤或陶瓷焊盤上，振動方向平行于線弧方向的第一焊點的直徑要大于垂直方向的焊點直徑。超聲振動頻率對鍵合質(zhì)量也有一定影響。目前，絲球焊中使用的超聲頻率多為60~140 kHz。研究發(fā)現(xiàn)在金焊盤上和鋁焊盤上，采用100 kHz超聲頻率獲得的焊點剪切強度要遠大于60 kHz超聲頻率下的焊點。盡管采用超聲振動頻率為60 kHz后所獲得的工藝參數(shù)窗口要大于超聲振動頻率為100 kHz的工藝參數(shù)窗口，但100 kHz超聲振動的顯著優(yōu)點是使鍵合時間降低20％工藝參數(shù)窗口增大60%，并保持焊點剪切強度不變。 鍵合壓力溫度時間鍵合工藝參數(shù)除超聲能量以外，鍵合溫度、鍵合壓力以及鍵合時間等對焊點性能也有著很大的影響。鍵合壓力控制著銅球變形量，對焊點形貌影響很大。鍵合壓力又決定了銅球底部與焊盤的實際接觸面積，對焊點連接強度有著很大的影響。在超聲施加之前用一個較大的壓力使銅球充分變形，并在超聲能量施加后適當減小鍵合壓力以減輕對芯片的損傷。兩階段的壓力大小比例在2~4：1左右。鍵合時間的長短會引起焊點尺寸、連接強度的變化。時間過短，能量輸入不足，焊點連接不充分；時間過長，能量輸入過大，銅球變形過于嚴重，內(nèi)部出現(xiàn)滑移、重結晶等現(xiàn)象，還可能引起焊點連接疲勞效應，另外焊點和焊盤之間產(chǎn)生較有影響的內(nèi)應力，給銅球焊點可靠性帶來隱患。如果銅絲表面出現(xiàn)較多的氧化物時，可以適當加長鍵合時間，以保證充分去除氧化物。鍵合溫度的主要作用有：軟化金屬表面上的氧化層，確保金屬氧化物層在較小的載荷下被撕裂開來；軟化金屬本身，使得它們在外力作用下更容易發(fā)生塑性變形；促進連接面上金屬原子的擴散能力；提供除鍵合能量、壓力等以外的能量，促進鍵合過程的順利進行。銅絲球焊中，過高的鍵合溫度會加重銅絲的氧化，不利于連接并對產(chǎn)品的可靠性產(chǎn)生不良影響；但過低的鍵合溫度不能保證銅球焊點的連接強度。針對超聲功率以及鍵合壓力對銅球焊點質(zhì)量的影響作了相應研究，結果表明在適當范圍內(nèi)，銅球焊點的剪切力及直徑隨超聲能量的增大而增大，而焊點剪切強度隨之減??；鍵合壓力對銅球焊點剪切力的影響不明顯，但對銅球焊點外形有較大影響。隨著鍵合壓力的增大，銅球焊點直徑增大，剪切強度下降．過大或過小的鍵合壓力都可能導致芯片出現(xiàn)芯片損傷[8]。 銅線銅材料在常溫下極易氧化，在溫度高于40℃的環(huán)境中氧化速度更快，并因沒有自保護能力而向縱深發(fā)展。銅絲球焊工序中有許多場合的環(huán)境溫度遠高于40oC，銅絲的氧化將不可避免并導致銅絲可焊性的退化。銅絲組織結構對第二焊點的形狀、強度也有較大的影響。研究發(fā)現(xiàn)銅絲球焊第二焊點的形狀主要由銅絲晶粒尺寸與銅絲直徑的比例所決定的，如果在銅絲橫截面上能同時存在數(shù)個晶粒并相互交錯將能獲得可靠的第二焊點。另外當銅絲晶粒尺寸與銅絲直徑不匹配時會削弱銅絲拉弧的穩(wěn)定性。以上問題對銅絲制造工藝提出新的要求。通過摻雜、回火工藝可以使銅絲的機械性能、晶粒組織發(fā)生改變，從而提高其可焊性。 焊盤金屬焊盤作為芯片電路與外界電路聯(lián)系的窗口，承擔著傳送電流、疏散熱量等任務，在鍵合過程中還須能有效緩沖外界壓力以保護芯片不受損傷。目前焊盤材料多為鋁及鋁合金焊盤。鋁焊盤表面易形成氧化物，對焊點連接有一定的影響，鋁焊盤上氧化物層厚度若超過20nm會嚴重降低焊盤的可焊性能。采用等離子清洗法對焊盤上氧化物及污染物進行表面處理，發(fā)現(xiàn)焊盤表面的微觀組織有所改變，焊盤表面上的氧成分明顯減少。這種方法可以有效去除焊盤表面的氧化物及污染物，但會對焊盤周圍的散熱層造成一定的傷害。隨著電子技術的不斷發(fā)展，鋁焊盤不能很好的滿足更快、更可靠的電學性能要求，因此銅絲與銅焊盤的直接連接形式成為新的發(fā)展方向。銅焊盤的主要優(yōu)勢在于低電阻率、低電遷移、高響應速度等，銅焊盤的應用對絲球焊工藝提出挑戰(zhàn)，其關鍵問題就是如何防止銅焊盤被氧化。裸露的銅焊盤表面極易形成氧化物層，如果銅焊盤上氧化物層超過5 nm后其可焊性將大大削弱。通過研究發(fā)現(xiàn)銅焊盤上的氧化物萌生于晶粒邊緣區(qū)域并向內(nèi)部逐漸發(fā)展，其氧化速度與晶面取向有關。銅焊盤上氧化面積超過10％ ~20％時，焊盤可焊性將明顯下降。針對以上問題，在銅焊盤上加上保護層，鍵合過程中再利用超聲振動將保護層去除，實現(xiàn)銅絲到銅芯片的直接連接而不需要中介層的過渡?，F(xiàn)行發(fā)展的保護層材料有金屬材料、有機材料和無機材料，研究發(fā)現(xiàn)在銅焊盤上覆蓋有機材料進行防氧化保護可以獲得性能很好的銅球焊點，連接后銅焊盤上的有機材料能被充分去除，形成的銅焊點連接強度高。 本章總結在實現(xiàn)銅線球焊的過程中，涉及到的設備和工藝參數(shù)的要求都比較高，在利用銅絲的優(yōu)良的電性能達到產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)性能時，也同時需要解決銅線不耐氧化和硬度高的問題。通過各項工藝參數(shù)和設備的調(diào)整，可以使銅線球焊工藝達到一個較高的性能水平。第五章 銅線工藝設備優(yōu)和參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整第五章 銅線工藝設備和參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整 引言 前面一章介紹的是銅線工藝涉及到的各個因素，由于材料不同，相比于傳統(tǒng)的金絲球焊工藝，需要調(diào)整和優(yōu)化設備和工藝參數(shù)，根據(jù)該工藝的特性，需要制定不同的檢驗質(zhì)量標準。本一章對調(diào)整的具體參數(shù)、如何調(diào)整，成品的性能和可靠性方面進行研究，找到最為合理的工藝要求和檢驗標準，并檢驗了產(chǎn)品的性能和可靠性。 銅線焊接工藝要求 焊接位置，或觸及其他金屬體和沒有鈍化層的劃片方格；，重疊面積不能大于之前焊接面積的1/3；。 焊點狀況鍵合面積的寬度不能小于引線直徑的1倍或大于引線直徑的3倍；焊點的長度不能小于引線直徑的的1倍或大于引線直徑的4倍；不能因為缺尾而造成鍵合面積減少1/4，絲尾的總長度不能超出引線直徑2倍； 鍵合的痕跡不能小于鍵合面積的2/3，且不能有虛焊和脫焊；焊球大小：焊球的直徑應該大于2倍金線直徑，小于4陪金線直徑。焊球厚度：。 弧度要求最低：第一點的高度應該高出低二點的高度，形成第一由點到第二點的拋物線形狀；最高：不能高出晶片本身厚度的2倍。拉力控制： 焊線要求引線不能有任何超過引線直徑1/4的刻痕，損傷，死彎等；引線不能有任何不自然拱形彎曲，且拱絲高度不小于引線直徑的6倍，彎曲后拱絲最高點離芯片的距離不應小于2倍引線直徑；不能讓引線下垂，在芯片邊緣上或其距離小于引線直徑的1倍；引線松動而造成相鄰兩引線間距小于引線直徑的1倍或穿過其他引線和壓點；焊點預引線之間不能有大于的30度的夾角。 芯片外觀不能因為鍵合而造成芯片的開裂，傷痕和銅線短路；芯片表面不能因為鍵合而造成的金屬熔渣，斷絲和其他不能排除的污染物；芯片壓點不能缺絲，重焊或未按照打線圖的規(guī)定造成錯誤鍵合。 鍵合強度對于25 um線徑拉力應該大于5g，23 um線徑拉力應該大于4g，30um銅線線徑拉力應該大于7g（當做破壞性試驗時，斷點不應該發(fā)生在焊點上）；對于25 um線徑要求銅線剪切力度大于25g；框架不能有明顯的變形，管腳，基底鍍層表面應該致密光滑，色澤均勻呈白色，不允許有沾污，水跡，異物，發(fā)花，起皮，起泡等缺陷。 銅線材料的性能銅絲與金絲相比具有明顯的優(yōu)勢，采用銅絲超聲鍵合不但可以大大降低器件制造成本，提高競爭優(yōu)勢，而且銅絲各種優(yōu)良的性能也加速了其在電子封裝業(yè)的應用。銅絲優(yōu)良的性能主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 銅線的力學性能鍵合絲的力學性能，即絲的破斷力和伸長率對引線鍵合的質(zhì)量起關鍵作用。，銅絲與同規(guī)格的金絲(％)相比力學性能優(yōu)良，具有高的伸長率和破斷力，由此，可在模壓和封閉過程中得到優(yōu)異的球頸強度和較高的弧線穩(wěn)定性。并且在滿足相同焊接強度的情況下，可采用直徑更小的銅絲來代替金絲，從而可使引線鍵合的間距做得更小。此外，銅的楊氏模量比金的大40，使其能更好地控制引線長度，減少下垂和變形。對于銅鍵合絲，長間距鍵合時比金絲更容易控制。 銅絲和金絲的機械性能數(shù)據(jù)Table Mechanical properties of the Cu wire and Au wire直徑（um)　222528303850Cu伸長率/%8168161020102010201525破斷力/g5108151020122220304055Au伸長率/%282102112