热超声键合换能系统振动多模态分析

研究了换能系统的振动多模态性及其对键合质量的影响.利用激光多谱勒测振仪提取变幅杆和工具末端各特征点的速度信号,发现换能系统的运动为多种模态耦合的结果,并得到各非主模态与主模态的速度比值,其中非主模态以垂直弯曲振动为主.这种垂直弯曲振动对芯片造成"拍击"的负面效应,从而影响多凸点与基板的键合面积、键合强度以及芯片与基板的平行度.利用FEM方法分析系统多模态产生的原因,并提出抑制方法.     

Cratering on thermosonic copper wire ball bonding

Copper wire bonding offers several mechanical and electrical advantages as well as cost saving compared to its gold wire predecessor. Despite these benefits, silicon cratering, which completes the fracture and removal of bond pad underlayers, has been a major hurdle to overcome in copper wire bonding. Copper wire is harder than gold, and thus needs greater ultrasonic power and bond force to bond it onto metal pads such as aluminum. This paper reports a study on the influence of wire materials, bond pad hardness, and bonding-machine parameters (i.e., ultrasonic power and bond force) on silicon cratering phenomenon. Ultrasonic power and z-axis bond force were identified as the most critical bonding machine parameters in silicon cratering defects. A combination of greater bond force and lower ultrasonic power avoids silicon cratering and gives the desired effects. Results also show that a harder bond pad provides relatively good protection from silicon cratering.     

不同温度对热超声键合工艺连接强度的影响

在有规律地改变键合温度的条件下,分析不同温度对热超声键合工艺连接强度的影响规律,并研究温度因素对整个系统的PZT换能器输入功率及阻抗的影响。试验研究发现,温度过低（低于601℃）导致键合不成功或连接强度很低,温度过高（高于300℃）导致连接强度降低,最佳的键合窗口出现在200～240℃区间,此时连接强度达20g左右。对推荐使用的大于5．4g的连接强度标准,文中试验条件下可键合窗口为120～360℃。而且,对于恒定额定功率设置的PZT换能器系统,温度的改变导致PZT换能器实际加载的功率及阻抗的改变。这些试验现象和分析结果可作为整个键合系统工艺参数匹配及优化的依据。     

热超声倒装键合工具和芯片振动的频率特征

采用激光多普勒振动测量系统,监测了热超声倒装键合过程工具末端和芯片的振动速度。由工具和芯片的振动速度有效值曲线,发现了“速度分离”现象,即键合启动数毫秒后,芯片的振动速度突然下降而工具的振动速度继续增大;“速度分离”表明金凸点／焊盘界面已初步形成键合强度。研究了工具和芯片振动速度信号的频率特征,发现芯片振动信号的3倍频成分的产生时刻就是“速度分离”发生的时刻,小键合力有利于“速度分离”发生,也就是有利于初始键合强度的形成,提出了以3倍频产生时刻为临界点的变键合力加载思路。     

Atomic diffusion properties in wire bonding

1 Introduction Ultrasonic bonding was applied primarily to wire bonding in microelectronic packaging industry, while the mechanism of ultrasonic bonding has not been understood very well. HARMAN[1] observed that the peeling underdeveloped bonds simulate a…     

热超声倒装键合环状界面的形成

采用压力约束模式夹持倒装芯片,实现了热超声倒装键合,观察到环状的键合界面微观形貌,脊状撕裂棱以及表皮层碎片.采用有限元方法计算了键合界面应力、应力场的大小和分布在热超声倒装键合过程中的变化,从应力的角度揭示了环状界面的形成机理.研究结果表明,应力分布显示接触面边沿较其它位置更有利于去除表皮层、更有利于原子扩散形成键合强度,是形成环状界面的重要原因;振动的加载过程改变了应力和应力场的分布,使得应力分布进一步集中在振动位移决定的键合界面边沿位置,促进了环状界面的形成.     

引线键合中多向超声波能量传输特性研究

引线键合主要是采用超声波热键合技术，而超声波振动传播和能量传递是超声波键合设备中一个非常关键和复杂的问题。利用波在弹性体中传播的机理，给出超声波聚能杆和劈刀的振动传递特性，利用多普勒振动计PSV-300-F(1．5MHz)测量了振动位移和速度，证实了理论分析结果，并对双向垂直传输超声波能焊具的性能进行了研究，阐明垂直双向加载是一种高效的传能模型。     

Effect of ultrasonic power and bonding force on the bonding strength of copper ball bonds

Copper wire, serving as a cost-saving alternative to gold wire, has been used in many high-end thermosonic ball bonding applications. In this paper, the bond shear force, bond shear strength, and the ball bond diameter are adopted to evaluate the bonding quality. It is concluded that the ef/~cient ultrasonic power is needed to soften the ball to form the copper bonds with high bonding strength. However, excessive ultrasonic power would serve as a fatigue loading to weaken the bonding. Excessive or less bonding force would cause cratering in the silicon.     

引线键合中材料参数对硅基板应力状态的影响

利用＂热—力—超声＂增量耦合有限元模型,对采用不同引线（金,铜）以及采用铜引线在不同银镀层厚度（48,1,6μm）条件下的键合过程进行了模拟.结果表明,在其它条件不变的情况下,金引线键合过程对硅基板内应力状态的影响远小于铜引线,且应力集中的位置更接近键合中心;随着镀层厚度的增加,基板所受到的压应力逐渐减小,但基板所受到的最大压应力在硅的抗压力范围之内;同时基板所受到的剪应力也逐渐减小,由于剪应力是硅基板损坏的决定性因素,因此采用厚度为16μm的镀层对减小基板损坏更有利.     

键合时间对粗铝丝超声引线键合强度的影响

试验研究了不同超声功率条件下,键合时间对粗铝丝引线键合强度的影响规律.试验中记录了每种键合试验的键合时间,采集了每一个键合点的剪切测试力作为键合点抗剪强度的表征,记录了每个键合点的状态.结果表明:(1)在小超声功率条件下,键合强度对键合时间敏感;在大超声功率条件下,敏感性下降;(2)短键合时间条件下主要键合失败形式为剥离和无粘接,表明键合界面的原子扩散不够;(3)大超声功率长键合时间条件下的键合失败形式多为根切,表明键合界面的原子扩散虽然足够,但长时间的超声振动也会使粗铝丝产生疲劳断裂,形成过键合.     

热超声键合压电换能器的动力学特性

基于有限元方法和试验测试,研究了芯片封装用压电超声换能器的动力学特忡。借助ANSYS压电耦合和非线性接触分析功能,对换能器自由和约束状态下的振动特性进行了分析。探讨了超声能量在空间域、时域和频域的传递规律。由模态分析得到换能器的振动形式,通过谐响应分析提取其在正弦电压激励下的振动信息,经瞬态分析获得换能器的瞬态响应。结果表明,螺栓径向尺寸和预紧力影响换能器的模态分布和动态特性,压电晶堆加载电压的频率影响超声能量传递特性。通过键合试验考察了焊点质量与螺栓径向尺寸的关系。分析和试验结果为换能器设计和键合工艺优化提供了指导。     

铂金丝超声键合正交试验及焊点质量评价

采用正交试验法对直径为20μm的铂金丝进行超声波键合试验,并通过三轴测量显微镜观察键合区域形貌和测量键合点根部高度.结果表明,在研究的4个参数中,键合时间、搜索高度和超声功率的影响都较大,而键合力的影响较小.通过正交试验法可以快速获得较优的键合参数,最佳工艺条件为:键合力0.013 N,键合功率0.325W(W为键合区宽度),键合时间30 ms,搜索高度0.2 mm.键合点质量可以通过测量键合点根部高度进行评价,当根部高度在4~10μm之间时,引线拉力均在0.03 N以上.而且,当键合区接近椭圆形,且当W≈2D(D为引线丝直径)时,引线拉力较高,当键合区形貌为矩形或有裂纹出现时,拉力则较小.     

Bonding mechanism of ultrasonic wedge bonding of copper wire on Au/Ni/Cu substrate

The ultrasonic wedge bonding with d 25 μm copper wire was achieved on Au/Ni plated Cu substrate at ambient temperature. Ultrasonic wedge bonding mechanism was investigated by using SEM/EDX, pull test, shear test and microhardness test. The results show that the thinning of the Au layer occurs directly below the center of the bonding tool with the bonding power increasing. The interdiffusion between copper wire and Au metallization during the wedge bonding is assumed negligible, and the wedge bonding is achieved by wear action induced by ultrasonic vibration. The ultrasonic power contributes to enhance the deformation of copper wire due to ultrasonic softening effect which is then followed by the strain hardening of the copper wedge bonding.     

Ag-4Pd键合合金线性能和组织对键合强度的影响

利用扫描电镜、强度测试仪、热导率测试仪分析了Ag-4Pd和Ag-4Pd-0.5Ru键合合金线的性能及组织差异,研究了微量Ru元素对Ag-4Pd键合合金线球焊点尺寸、焊点形貌及键合强度的影响。结果表明:Ru元素的加入使Ag-4Pd键合合金线热导率由403 W/m?K降低到385 W/m?K,Ag-4Pd-0.5Ru键合合金线无空气焊球(free air ball)形状较Ag-4Pd键合合金线规则,提高了键合合金线焊点连接强度;Ag-4Pd键合合金线中的Ru元素使其热影响区长度由50μm减小至35μm,消除了由于热影响区长度过大导致的颈部微裂纹缺陷;Ag-4Pd键合合金线中的Ru元素细化了晶粒,增加了相同体积内不同取向的金属晶粒数目,改善了变形时的协同作用,降低了形变的不均匀性程度,获得了较规则的Ag-4Pd键合合金线球焊点形貌。     

超声引线键合PZT驱动信号采集分析系统

根据超声引线键合实验平台电路结构,设计了PZT(压电陶瓷)驱动信号采集电路.在此基础上开发了基于LabView和Matlab的信号采集分析系统.针对PZT驱动电压和电流信号特征,提出了瞬时频率、相差和有效值曲线的计算方法,获得了实际键合试验过程中电流电压瞬时频率及相差变化规律.并根据有效值曲线特征,提出了分段特征点提取方法.根据大量试验分析了分段特征点的稳定性,这对于键合机理研究具有重要意义.试验结果表明,系统稳定可靠,能有效采集分析键合过程中的PZT驱动信号.     

硅芯片外引线键合的热压焊装置及焊接工艺

针对压阻式微型压力传感器封装工艺中,硅芯片外引线键合的要求,分析了热压焊引线键合原理,研制了热压焊装置.在扫描电镜下,对键合点进行了微观分析.使用接合强度测试仪对压焊键合点强度进行了拉断试验,测得键合强度拉断力都在0.17 N之上.通过对金铝压焊处金属间化合物及其扩散深度随温度增长关系的研究,键合时调节压焊控制台电压使衬底温度保持在150～200℃,压焊头辟刀温度保持在150℃左右,从而保证了压焊点接触的可靠性.     

温度冲击下粗铝丝键合强度退化行为研究

对大功率器件中两种直径(250 μm/380 μm)铝丝键合强度在温度冲击试验下的退化行为进行了研究,分析了试验后铝丝键合强度的退化情况。设置了不同的工艺参数水平,通过温度冲击试验加速键合点失效,对不同参数水平进行评估。对不同温度冲击试验条件下的退化行为进行比较。采用扫描电子显微镜对试验后脱键点的断口形貌及组织成分进行分析,分析了不同镀金层厚度对键合点强度及可靠性的影响。结果表明,两种直径铝丝均出现键合强度退化现象,厚金焊盘键合强度下降不明显,薄金焊盘在试验后出现大量键合点脱键现象,表现出较差的抗温度冲击能力。     

超声键合换能系统的非稳态特性试验

测得超声键合振动系统的输入电流、电压,用激光多普勒测速仪测得换能杆系统的响应速度,研究了超声引线键合工艺中超声振动系统的非稳态动力学特性.据此对超声加卸载过程分段,进行频谱分析和非稳态特性建模,并研究了相关的试验方法.结果表明,振动系统拟共振态腹点的速度均方值可作为系统机械能的等效量,供系统动力学特性试验研究;快速键合时系统惯性使功率源的开关不等同于键合机超声振动系统的启停.这些均有助于键合机换能系统的工艺建模和优化.     

键合丝最小直流熔断电流的建模与分析

半导体产品的高可靠性要求作为内部引线的键合丝有足够大的电流承载能力。本文建立了键合丝最小直流熔断电流的理论模型和公式,用COMSOL Multiphysics有限元软件建立键合丝的电热耦合仿真模型,并与理论模型进行了对比。结果表明,键合丝工作时中间温度最高,两端温度最低,温度分布沿轴向及径向均呈抛物线状分布。金、铜和银三种键合丝的熔断电流仿真值与实验值符合得较好,理论值比实验值偏小,但其乘以相应系数后可接近于实际工况。该理论仿真模型可为键合丝熔断电流的分析提供参考。