【正文】 m： 劈刀外形 Capillary： DOE流程圖 DOE follow diagramDOE計劃： 針對產(chǎn)品的球形標(biāo)準(zhǔn)，球的大小被定義為2 4倍的焊線直徑，球厚為40%80%焊線直徑，從而來找出合適的球焊參數(shù)，然后通過DOE進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化(針對第一焊點）。當(dāng)完成上述工作之后，進(jìn)入設(shè)備調(diào)試，壓焊機的超聲頻率不能改變，焊接爐溫主要與芯片有關(guān)，因此只有通過改變超聲功率、超聲時間和超聲時的壓力來達(dá)到焊接目的。還原氣體均勻地吹向銅線線尾，為了保證銅球形成過程中不被氧化，氣流量不能太小，但是如果氣流量太大，則容易將線尾吹偏，影響打火燒球。 打火裝置的改進(jìn) The improvement of the Lighting實際情況下，考慮到成本等因素， %的氮氣，并以95∶5 的比例與高純氫氣混合，形成還原氣體，保證銅球周圍沒有氧氣。先前的壓焊機都是以金線作為晶體管連線的，金線打火燒球時，金并不會氧化，針對銅線壓焊易氧化的特點必須做一個特別的設(shè)計，在劈刀側(cè)面加裝一個塑料氣管，塑料氣管須耐200 ℃以上的高溫，以免被焊接爐溫熔化，并且不會干擾打火棒對銅線放電。 球焊機設(shè)備與改進(jìn)鍵合設(shè)備采用K＆S公司生產(chǎn)的NuTek絲球焊機，超聲頻率為120m赫茲，銅絲球焊時，增加了一套Copper Kit防氧化保護(hù)裝置，為燒球過程和鍵合過程提供可靠的還原性氣體保護(hù)（95％N25％H2），芯片焊盤為Al＋1％Si＋％Cu金屬化層，厚度為3μm。鍵合時需要施加更大的超聲能量和鍵合壓力，因此容易對硅芯片造成損傷甚至是破壞[2]。降低了焊點力學(xué)性能和電學(xué)性能，對于銅引線鍵合到鋁金屬化焊盤，研究得相對較少，在同等條件下，Cu/Al界面的金屬間化合物生長速度比Au/Al界面的慢10倍，因此，銅絲球焊焊點的可靠性要高于金絲球焊焊點。 銅線優(yōu)勢（1）價格優(yōu)勢：引線鍵合中使用的各種規(guī)格的銅絲，其成本只有金絲的1/3－1/10。為了提高銅線的焊接性能，焊接過程中采用了增加還原和保護(hù)氣體的方法：在焊接過程中，加入保護(hù)性氣體防止氧氣與銅發(fā)生反應(yīng)，同時還加入適量的氫氣作為還原氣體以去掉銅表面的Cu20，其反應(yīng)式為：Cu20+H2—2Cu+H20。銅線在焊接過程中存在這2種氧化物，影響了銅線的焊接性能。銅線表面的污染問題一般可采用離子清洗法和過程控制來解決，而對于氧化問題則必須采用增加保護(hù)氣體來處理。研究發(fā)現(xiàn)Cu／Al擴(kuò)散速度緩慢的原因有2個：銅原子的激活能力高，原子間距離短，擴(kuò)散過程中需要更多的能量來克服原子束縛力。金屬間化合物的導(dǎo)電性差、硬度高，所以金屬間化合物的存在與發(fā)展會影響電路鍵合點處的可靠性，應(yīng)控制其生長。并且銅的熱膨脹系數(shù)比鋁低，因而其焊點的熱應(yīng)力也較低，大大提高了器件的可靠性。隨著芯片密度的提高和體積的縮小，芯片制造過程中的散熱是設(shè)計和工藝考慮的一個重要內(nèi)容。另外，銅絲的熔斷電流和抗電遷移性能比金絲要高，用其替代金絲可進(jìn)一步提高芯片可靠性。m，是優(yōu)良的導(dǎo)體； x108 ohm隨著芯片頻率的不斷提高，對封裝中導(dǎo)體材料的電性能提出了更高的要求。對于銅鍵合絲，長間距鍵合時比金絲更容易控制。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。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(xué)性能鍵合絲的力學(xué)性能，即絲的破斷力和伸長率對引線鍵合的質(zhì)量起關(guān)鍵作用。 鍵合強度對于25 um線徑拉力應(yīng)該大于5g，23 um線徑拉力應(yīng)該大于4g，30um銅線線徑拉力應(yīng)該大于7g（當(dāng)做破壞性試驗時，斷點不應(yīng)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(yīng)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。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(yīng)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(yù)引線之間不能有大于的30度的夾角。焊球厚度：。 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；。第五章 銅線工藝設(shè)備優(yōu)和參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整第五章 銅線工藝設(shè)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)。 本章總結(jié)在實現(xiàn)銅線球焊的過程中，涉及到的設(shè)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(dá)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。針對以上問題，在銅焊盤上加上保護(hù)層，鍵合過程中再利用超聲振動將保護(hù)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。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(guān)。銅焊盤的主要優(yōu)勢在于低電阻率、低電遷移、高響應(yīng)速度等，銅焊盤的應(yīng)用對絲球焊工藝提出挑戰(zhàn)，其關(guān)鍵問題就是如何防止銅焊盤被氧化。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。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(yán)重降低焊盤的可焊性能。 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(dān)著傳送電流、疏散熱量等任務(wù)，在鍵合過程中還須能有效緩沖外界壓力以保護(hù)芯片不受損傷。以上問題對銅絲制造工藝提出新的要求。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。銅絲球焊工序中有許多場合的環(huán)境溫度遠(yuǎn)高于40oC，銅絲的氧化將不可避免并導(dǎo)致銅絲可焊性的退化。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(dǎo)致芯片出現(xiàn)芯片損傷[8]。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。如果銅絲表面出現(xiàn)較多的氧化物時，可以適當(dāng)加長鍵合時間，以保證充分去除氧化物。鍵合時間的長短會引起焊點尺寸、連接強度的變化。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(dāng)減小鍵合壓力以減輕對芯片的損傷。鍵合壓力控制著銅球變形量，對焊點形貌影響很大。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。目前，絲球焊中使用的超聲頻率多為60~140 kHz。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。另外，結(jié)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(guān)系，與第二階段關(guān)系不大。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％。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。 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。另外，由于銅球、銅絲硬度較高，銅絲球焊用劈刀需要進(jìn)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。銅絲球焊技術(shù)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。劈刀的主要結(jié)構(gòu)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。該裝置在形球過程中引入純氮或氮氫混合氣體，對銅球進(jìn)行保護(hù)以防氧化物的形成。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(hù)裝置，如Kulickeamp。本章針對銅絲球焊技術(shù)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。如果只是按照金線球焊的設(shè)備和工藝參數(shù)進(jìn)行銅線球焊工藝，會對產(chǎn)品造成很嚴(yán)重的影響。[1] 本章小結(jié) 本章主要介紹了KS公司的球焊機的設(shè)備構(gòu)成，包括總體架構(gòu)和關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)兩部分，介紹了各個部分構(gòu)成和功能。 （12）工作燈：起到照明作用。 （10）信號燈塔：設(shè)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)。（8）人機界面：提供操作者與機臺的溝通界面。（6）進(jìn)料系統(tǒng)：將待焊線產(chǎn)品從進(jìn)料區(qū)導(dǎo)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(jìn)料升降機構(gòu)、工作臺和退料升降機構(gòu)。12英寸直徑的線軸，提供充足的焊線完成送線的動作。 (4)影像處理系統(tǒng)：將產(chǎn)品的影像進(jìn)行辨認(rèn)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。（2）XY工作臺（XY Table） 包括有二個線性伺服馬達(dá)以驅(qū)動整個工作臺到達(dá)定點位置。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。 本章小結(jié) 本章主要介紹了半導(dǎo)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(dǎo)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(shè)備、材料、工藝、性能等方面進(jìn)行研究和驗證，保證產(chǎn)品的性能和可靠性，從而提高半導(dǎo)體器件的性能價格比。 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。 第二焊接第二焊接檢查完成后，劈刀慢速下移，劈刀碰到被焊面，使變幅桿前端上抬，焊頭尾部檢測觸打斷開，焊頭停止下移，此時第二焊接壓力、第二超聲功率通過劈刀施加于焊件上，進(jìn)行第二打焊接，并計時。 第二焊接瞄準(zhǔn)移動工作臺，用聚光點瞄準(zhǔn)第二焊打，此時線夾處于張開狀態(tài)，焊絲拉移一定角度，第二焊點移至劈刀下。此時，劈刀在焊件上停留的時間稱為第一焊接時間，第一焊接時間結(jié)束后，超聲功率輸出結(jié)束，此時金球焊于IC芯片內(nèi)部相應(yīng)的焊盤上。 第一焊接檢查焊頭架開始下降，線夾張開，劈刀下降把金絲拉至劈刀尖端，同時拉下金絲，當(dāng)劈刀尖下降至焊件一定距離時停止，該距離調(diào)整為2倍金球高度，這一位置稱第一焊接檢查位置，此時線夾處于張開狀態(tài)，在此位置可檢查焊點與劈刀是否對準(zhǔn)，如果劈刀未對準(zhǔn)焊打，可移動工作臺，對準(zhǔn)焊點位置。焊線機焊一條線的動作流程如下圖所示，主要包括以下動作： 球焊示意圖 bonding sketch map 初始位置開機或復(fù)位后劈刀停留的位置，或者每次第二焊點焊接完成后，劈刀上升回到的位置稱為初始位置。首先對焊線機的動作過程作適當(dāng)了解。 超聲波球焊的過程焊絲球焊機是一款利用超聲波焊線技術(shù)，在壓力和超聲波能量共同作用下，用細(xì)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(shè)備。球形鍵合工藝設(shè)計原則：(1)焊球的初始直徑為金屬線直徑的2～3倍。成球的過程是通過離子化空氣間隙的打火成球過程實現(xiàn)的。 超聲波球焊的原理球形鍵合時將金屬線穿過鍵合機毛細(xì)管劈刀(capillary)，到達(dá)其頂部，利用氫氧焰或電氣放電系統(tǒng)產(chǎn)生電火花以熔化金屬線在劈刀外的伸出部分，在表面張力作用下熔融金屬凝固形成標(biāo)準(zhǔn)的球形(Free Air Ball，F(xiàn)AB)，球直徑一般是線徑的2～3倍，緊接著降下劈刀，在適當(dāng)?shù)膲毫投ê玫臅r間內(nèi)將金屬球壓在電極或芯片上。這兩種引線鍵合技術(shù)的基本步驟包括：形成第一焊點(通常在芯片表面)，形成線弧，最后形成第二焊點(通常在引線框架／基板上)。熱壓超聲波鍵合因其可降低加熱溫度、提高鍵合強度、有利于器件可靠性而取代熱壓鍵合和超聲波鍵合成為引線鍵合的主流。熱壓超聲波鍵合工藝包括熱壓鍵合與超聲波鍵合兩種形式的組合。因此，當(dāng)有共價鍵性質(zhì)的金屬原子互相接近到以納米級的距離時，就有可能通過公共電子形成了原子間的電子橋，即實現(xiàn)了所謂金屬“鍵合”過程[5]。這種特殊的固相焊接方法可簡單地描述為：在焊接開始時，金屬材料在摩擦力作用下發(fā)生強烈的塑性流動，為純凈金屬表面間的接觸創(chuàng)造了條件。金屬受壓后產(chǎn)生一定的塑性變形，而兩種金屬的原始交界面處幾乎接近原子力的范圍，兩種金屬原子產(chǎn)生相互擴(kuò)散，形成牢固的焊接。熱壓鍵合是引線在熱壓頭壓力下，高溫加熱(250℃)金屬線發(fā)生形變，通過對時間、溫度和壓力的調(diào)控進(jìn)行的鍵合方法[4]。封裝過程為：來自晶圓前道工藝的晶圓通過劃片工藝后被切割為小的晶片（Die），然后將切割好的晶片用膠水貼裝到相應(yīng)的基板（引線框架）架的小島上，再利用超細(xì)的金屬（金錫銅鋁）導(dǎo)線或者導(dǎo)電性樹脂將晶片的接合焊盤（Bond Pad）連接到基板的相應(yīng)引腳（Lead），并構(gòu)成所要求的電路；然后再對獨立的晶片用塑料外殼加以封裝保護(hù)，塑封之后還要進(jìn)行一系列操作，封裝完成后進(jìn)行成品測試，通常經(jīng)過入檢Ining、測試Test和包裝Packing等工序，最后入庫出貨[3]。本文這里主要研究封裝工序中最重要的一個工序：焊線。最后還需要對產(chǎn)品進(jìn)行電性測試，正品出貨給客戶使用。芯片流片廠主要是通過現(xiàn)有的大規(guī)模投資，具備了時代最前沿的設(shè)備和工廠，根據(jù)芯片設(shè)計者的要求，將硅片通過光刻、掩模、腐蝕、擴(kuò)散、再光刻、掩模、腐蝕、擴(kuò)散、蒸鋁等步驟，將單純的硅片變成具有特定功能的半導(dǎo)體芯片[2]。半導(dǎo)體產(chǎn)品從原材料加工成為可以使用的半導(dǎo)體器件需要經(jīng)過半導(dǎo)體芯片設(shè)計、半導(dǎo)體芯片制程和半導(dǎo)體產(chǎn)品的封裝測試等主