厚膜电路丝焊工艺中的“闭环”研究

现在在标准的和一些细节距丝焊应用中，批量生产时检查焊点质量的方法仍旧一样。现在很多工业所要求的用于确定键合质量的检验方法已证明可以接受并且可靠，它们是焊球剪切、测量焊球直径和焊丝拉力。这些方法可以接受，但是随着半导体领域趋向超细节距丝焊，这些传统方法所得到的数据可能还不够。随着每个电路键合焊丝的增多和焊点尺寸的减小，焊机、焊头、材料和方法之间的影响变得越来越敏感。本文采用“闭环”丝焊方法来研究分析。     

厚膜电路丝焊工艺中的“闭环”研究

目前很多工业所要求的用于确定键合质量的检验方法已证明是可行的且很可靠，它们是焊球剪切，测量焊球直径和焊丝拉力。随着每个电路键合焊丝的增多和焊点尺寸的减小，焊机、焊头、材料和方法之间的影响变得越来越敏感，为此，对其采用“闭环”丝焊方法来研究分析。     

芯片铝焊盘上不同金属丝键合质量研究

金属键合丝是半导体封装中非常关键的材料,它直接影响到键合的工艺表现和互连的可靠性。以不同金属丝(金丝、钯铜丝、金钯铜丝、银丝)和芯片铝焊盘第一焊点的键合为研究对象,分析对比各金属丝作为键合丝材料本身的基本性质、与铝焊盘键合第一焊点的工艺性能、与铝焊盘键合第一焊点的可靠性,发现其工艺性能和可靠性都满足半导体封装的键合要求。可靠性试验显示,各金属丝与铝焊盘之间的金属间化合物生长速度不同,但与可靠性失效无直接关系;可靠性失效都是由于金属丝焊球与铝焊盘脱落造成的;选择不同金属丝键合可满足不同的可靠性要求。     

InSb红外探测器芯片金丝引线键合工艺研究

InSb红外探测器芯片镀金焊盘与外部管脚的引线键合质量直接决定着光电信号输出的可靠性,对于引线键合质量来说,超声功率、键合压力、键合时间是最主要的工艺参数。从实际应用出发,采用KS公司4124金丝球焊机实现芯片镀金焊盘与外部管脚的引线键合,主要研究芯片镀金焊盘第一焊点键合工艺参数对引线键合强度及键合区域的影响,通过分析键合失效方式,结合焊点的表面形貌,给出了适合InSb芯片引线键合质量要求的最优工艺方案,为实现InSb芯片引线键合可靠性的提高打下了坚实的基础。     

超声功率对25μm铂金丝球形键合强度的影响及键合点质量评价

铂金丝作为低温器件封装中理想的键合丝,其键合质量的优劣决定着整个器件的性能和可靠性。通过25μm的铂金丝球形键合试验,并使用OLYMPUS SMT-6三轴测量显微镜观察键合点形貌并测量第一键合点根部直径。结果表明,当超声功率介于0.96～1.2 W时,增加超声功率有助于提高键合强度,增加工艺稳定性。在文中所设实验条件下,为保证键合强度和工艺稳定性,超声功率设置为1.2～1.28 W时最佳。第一焊点键合球平均直径为2.8 WD(WD表示键合线直径)时,键合强度最大,工艺稳定性最好。总结出了键合点直径与拉力值关系图,从而通过键合点直径来评价键合质量。     

高密度球键合质量的影响因素和解决方法

随着焊盘间距的减小和引线数目的增多,键合失效的发生也越来越频繁。系统分析了影响高密度球键合质量的各种主要因素得出在诸多因素中金属熔球(FAB free air ball)直径,引线摆动幅度和劈刀顶端形状等三个因素对键合质量的影响最大。文中介绍了线弧固定技术,紫外线金属熔球控制工艺和新型劈刀等三种能有效减少键合失效的新工艺和新方法。     

引线键合在温度循环下的键合强度衰减研究

研究了18、25、30μm三种金丝和25、32、45μm三种硅铝丝键合引线在不同温度循环次数下的键合强度衰减规律,并研究了拉断模式的比例。结果表明,所有试验样品,无论是否经历温度循环,均达到了GJB548B-2005方法2011.1中的最小键合强度要求,均未出现焊点拉脱的现象。随着温度循环次数的增加,金丝键合强度先略微增大,后缓慢减小并趋于平缓。硅铝丝键合强度先较快减小,后缓慢减小,并趋于平缓。相比于金丝,硅铝丝在0～50次的温度循环下键合强度衰减较快。通过曲线拟合,获得不同丝径下的键合强度衰减变化方程。     

FPGA焊点开裂失效分析

通过在线FPGA焊点开裂故障深入分析,判断故障与产线装配机械应力和焊球合金成分有关.从焊球IMC形貌和焊球推拉力两个维度进行分析,判断焊球的合金成分对于焊点强度有直接影响.根据综合分析,临时措施为优化螺钉装配顺序,降低装配机械应力,并通过点胶加固焊点,提升焊点强度,而长期措施则应是更换FPGA焊球金属成分,提升焊点强度...     

基于RSM的Au丝球形键合工艺稳健性参数优化

在Au丝热超声球形键合工艺中,焊点的特征(如球径和键合强度)取决于工艺参数值的选择。为了研究关键工艺参数超声振幅、键合时间和压力对键合形成的影响,进而找到最优的键合参数,采用响应曲面法(RSM)并结合工艺稳健性和多响应优化的思想,建立了关键参数与响应之间的统计模型,优化了键合参数。首先,以焊球直径和剪切力的均值与方差作为目标响应,建立其与工艺参数之间的响应曲面模型。然后,采用满意度函数法(DFA)得到总体满意度最大的解,即最优的工艺参数组合。最后,通过试验验证了该方法的有效性。     

基于DOE和BP神经网络对Al线键合工艺优化

Al丝超声引线键合工艺被广泛地应用在大功率器件封装中,以实现大功率芯片与引 线框架之间的电互连.Al丝引线键合的质量严重影响功率器件的整体封装水平,对其工艺参数的优化具有重要工业应用意义.利用正交实验设计方法,对Al丝引线键合工艺中的三个最重要影响因数(超声功率P/DAC、键合时间t/ms、键合压力F/g)进行了正交实验设计,实验表明拉力优化后的工艺参数为:键合时间为40 ms,超声功率为25 DAC,键合压力为120g;剪切推力优化的工艺参数为:键合时间为50 ms,超声功率为40 DAC,键合压力为120 g.基于BP神经网络系统,建立了铝丝超声引线键合工艺的预测模型,揭示了Al丝超声键合工艺参数与键合质量之间的内在联系.网络训练结果表明训练预测值与实验值之间符合很好,检验样本的结果也符合较好,其误差基本控制在10%以内.     

剪切推球测试条件对Au球焊点推球结果的影响

Au引线键合是电子封装中应用广泛的芯片互连技术,剪切推球测试是评价引线键合球焊点质量和完整性的主要方法之一.利用未热老化和热老化不同时间的Au球键合试样,通过试验和数值模拟研究了推球高度和推球速度对推球值和推球失效界面形貌的影响.     

微电子器件封装铜线键合可行性分析

虽然在集成电路封装工艺中金导线键合是主流制程,但是目前采用铜导线替代金导线键合已经在半导体封装领域形成重要研究趋势。文章对微电子封装中铜导线键合可行性进行了分析,主要包括铜导线与金导线的性能比较(包括电学性能、物理参数、机械参数等),铜导线制备和微组织结构分析,铜导线焊合中的工艺研发及铜导线焊合可靠性分析等。当今半导体生产商关注铜导线不仅是因为其价格成本优势,更由于铜导线具有良好的电学和机械特性,同时文中也介绍了铜导线键合工艺存在的诸多问题和挑战,对将来铜导线在集成电路封装中的大规模应用和发展具有一定的参考意义。     

非破坏性键合拉力拉钩位置偏离对键合可靠性影响分析

针对非破坏性键合拉力试验拉钩位置偏离情况,分析了键合丝受力大小的影响因素,讨论了拉钩位置偏离对键合丝状态的影响情况,并设计了可靠性验证方案,通过试验对比,表明非破坏性键合拉力试验拉钩位置偏离对键合可靠性影响有限。     

The Feasibility of Au Ball Bonding on Sn-Plated Cu

The feasibility of thermosonic gold wire bonding on Cu coupons with Sn/Cu metallizations was studied by evaluating shear strength and microstructure of balls bonded on different Sn metallization samples. The 0.85 ± 0.08 μm and 5.34 ± 0.21 μm thick metallizations were produced by dipping the Cu coupon in 250°C molten Sn solder for 1 s (sample 1) and 30 s (sample 2), respectively. Cu₆Sn₅ intermetallic compounds are formed during dipping. After wire bonding, Au-Cu-Sn layers are found on the ball-coupon interface of both samples. The highest ball shear force observed was 40 gf (1 gf = 9.81 mN) and was achieved on sample 1 using 520 mW and 40 gf of ultrasonic power and bonding force, respectively. The shear fracture goes through the Au ball. The Sn is squeezed out of the contact zone during wire bonding and forms flashes that extend 5 μm and 25 μm beyond the contact zone for samples 1 and 2, respectively.     

Low-Stress Thermosonic Copper Ball Bonding

Thermosonic ball bonding processes on test chips with Al metallized bonding pads are optimized with one Au and two Cu wire types, all 25 $mu{hbox {m}}$ diameter, obtaining average shear strengths of more than 120 MPa. The process temperature is $sim {hbox {110}}~^{circ}{hbox {C}}$. Ball bonds made with Cu wire show at least 15% higher shear strength than those made with Au wire. The estimated maximum shear strength $c_{pk}$ value determined for Cu ball bonding $(c_{pk}=3.7pm 1.2)$ is almost 1.5 times as large as that of the Au ball bonding process $(c_{pk}=2.3pm 0.9)$, where $LSL$ is 65.2 MPa. However, the ultrasound level required for Cu is approximately 1.3 times than that required for Au. Consequently, about 30% higher ultrasonic forces induced to the bonding pad are measured using integrated real-time microsensors. The accompanying higher stresses increase the risk of underpad damage. One way to reduce ultrasonic bonding stresses is by choosing the softer of the two Cu wire types, resulting in a measured ultrasonic force reduction of about 5%. A second way is to reduce the ultrasound level. While this causes the average shear strength to fall by 15%, the ultrasonic force falls by 9%. The $c_{pk}$ value does not change significantly, suggesting that a successful Cu ball bonding operation can be run with about 0.9 times the conventionally optimized ultrasound level. The process adjusted in this way reduces the extra stress observed with Cu wire compared to that observed with Au wire by 42%.      

Wire-bonding process development for low-k materials

A 60-μm bond-pad-pitch wire-bonding process was developed using test dies with a SiO₂ dielectric layer under aluminium pads, and was then fine-tuned for a low-k device using three types of gold wires with different mechanical properties. Bulk material hardness of the wires were characterised using a wire-bonding machine, the force applied and diameters of squashed free-air balls. It was found that stiffer wires needed higher ultrasonic-generator (USG) power than a softer wire to deform the ball after impact and achieve equivalent ball size and ball shear responses. Longer bond time was also needed for the low-k material than the SiO₂ material, to overcome the energy loss due to the compliance of the low-k material. Pad damage on the low-k device was proportional to bulk material hardness. The soft 4N (99.99% purity) wire required lower USG power to achieve the bonding specification, and was the most suitable wire to be used in wire bonding of the low-k device.     

Silver pick up during tail formation in thermosonic wire bonding process

Cu ball bonding processes are significantly less robust than Au ball bonding processes. One reason for this are higher variations observed, e.g. in the free-air ball (FAB) formation process. There is a strong influence the tail bond process has on subsequent FAB formation. Tail tips and bond fractographs made with Cu and Au wires are investigated using scanning electron microscopy. Au and Cu wires pick up Ag material (Ag pick up) from the Ag metallization of Cu leadframe diepads during wire tail breaking. Ag pick up by Cu wire is more dominant than that by Au wire. Ultrasonic friction energy is necessary in order for Ag material pick up to occur. The impact force plays an important role for Ag pick up; less pick up is observed with a higher impact force. The hardness of the free-air ball (FAB) with Ag pick up is reduced by up to 4% compared to that of a FAB made from a tail broken at the neck of a ball bond and therefore having no Ag pick up. No significant change of FAB diameter is observed in these two cases.     

基于田口方法的微波组件金丝键合工艺优化

为了提高微波组件金丝键合的可靠性,采用楔形金丝键合工艺进行了金丝互连,通过田口试验方法设计 和试验验证,确定了金丝键合最优化的工艺参数组合。研究结果表明：键合金丝质量的影响因素依次是超声功率、键 合压力和键合时间,优化的工艺参数组合依次为超声功率、键合压力、键合时间,优化的工艺参数组合为超声功率 15、键合压力16、键合时间50;采用优化后的工艺参数进行金丝键合操作,获得了稳定性良好的互连金丝,完全满 足混合集成微波电路金丝键合互连应用的需求。     

功率器件封装中铝引线焊点剥离失效机制研究

比较回流焊前后两组器件样品的电学测量结果,并结合样品的失效分析,发现引线框架氧化也是导致焊点剥离失效的一个重要因素,而且回流焊工艺下的热机械效应,会加速原先潜在的焊点剥离失效的发生.样品的连接性测试发现,在低峰值交流测试电压下显示开路,而高峰值测试电压下显示正常,可以将其归结为典型的焊点剥离失效的测试现象.发现引线键合前的等离子清洗可以减少焊点剥离失效,并可使焊点的剪切强度提高25%.     

镀金黄铜基板上金丝键合拱高测量及控制技术

引线键合是多芯片微波组件微组装中常用的工艺,通常都会以一定拱弧实现芯片与基板、基板与基板间的互连。如何进行拱高的测量和控制对引线键合有着重要意义,因为拱高的大小还会对微波性能产生重要的影响。文中利用自动键合机获得若干组引线,采用光学测量方法,在放大40倍的状态下分别进行了不同工艺参数下的拱高测量,得出结论在测试范围内,拱度随着弧长的增加而增加,同时还获得了一组适用于微波应用的键合参数。