金丝键合工艺技术研究

金丝键合是芯片组装的关键工序。分析了金丝键合的工艺控制要点：键合时间和键合功率,通过工艺实验总结出了键合时间和键合功率对键合强度的影响规律：（1）在小超声功率条件下,键合强度对键合时间敏感,键合强度随时间增加迅速增大;在大超声功率条件下,键合强度对键合时间的敏感性下降。（2）超声功率过小不能形成足够的键合强度,超声功率过大使得键合成功后的键合强度被破坏,即过高的超声功率将不利于键合强度的提高。     

热超声倒装键合过程中的非线性动力学行为

在作为微器件电气互连主要手段的热超声键合工艺中,微细键合区域内金属变形/变性/互连所需的能量,来自于超声波功率源通过换能系统所施加的微幅压剪动载.对热超声倒装键合过程的研究说明,PZT换能系统在热超声倒装键合工艺过程中的非线性动力学行为,如换能系统启动后的初值敏感性和不确定性,键合工具与换能杆之间的不稳定动力耦合,倒装芯片运动的奇异相轨线等,是深入研究键合机理以及提高工艺可靠性的重要关键.     

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。     

超声楔键合过程界面接合部演化规律研究

超声引线楔键合是集成电路芯片内部电路与外部电路实现功率与信号联通的重要互连工艺.键合参数对键合点连接质量有重要影响.运用化学腐蚀方法,全面考察键合点外观及接合部特征与键合参数之间的关系.实验结果表明:随着超声功率的增加,接头接合部形貌由椭圆形变为圆形,有效连接部位由键合点周边向中心扩展以致达到整个界面.从变形能的角度解释了接头界面形成特点的本质.     

基于Minitab DOE的铝丝楔焊键合工艺参数优化

为提高国产陶瓷外壳用于铝丝楔焊键合的可靠性和产品质量,利用Minitab统计软件对一种封装形式为CQFP84的国产陶瓷外壳用于铝丝楔焊键合的工艺参数进行试验设计,并对试验结果进行直观分析和方差分析。讨论过键合功率、键合压力、键合时间及超声功率缓慢上升时间(Ramp)对键合拉力的影响及其显著程度。试验研究表明第2段参数的键合压力、第2段参数的键合功率及第1段参数的Ramp对键合拉力值有显著影响,以键合拉力为参考指标,得到了较优的键合工艺参数,通过验证试验键合拉力相比工艺参数优化前有明显提高,分散度也有明显改善,达到了提高产品可靠性的目标。     

F&K 6400键合机在SMD封装中的应用

键合是SMD封装中的一道重要工序,F&K 6400键合机是德国F&K公司专门面向细铝丝键合的设备,采用超声作为键合能量。在键合工艺中不同材质的金属管座会形成不同的冶金系统,有些情况下会造成接触面腐蚀或者柯肯德尔空洞,并最终影响产品的可靠性。键合时采用的超声功率、键合时间、键合压力、键合方式等工艺参数直接影响到产品的产量和性能。在批量生产的基础上,作者分析了适合F&K 6400键合机在生产中采用的键合材料及工艺参数,并列出了生产过程中设备常见的故障及可能原因。     

基于正交试验的芯片堆叠封装引线键合工艺研究

选取0.2032 mm (8 mil)金线采用热压超声键合工艺进行烧球、拉力和线尾等一系列正交试验,分析各个键合参数对键合质量的影响。研究结果表明,最优的引线键合工艺窗口为键合温度180℃或190℃、键合功率35 mW、键合时间15 ms或20 ms、键合压力0.12 N、烧球电流3200 mA、烧球时间350μs和尾丝长度20μm。在影响键合质量的各因素中,键合功率和键合压力对键合质量的影响显著,过大的键合功率会引起键合区被破坏,键合强度降低,过小的键合功率因能量不足会引起欠键合,键合强度降低。过大的键合压力会引起键合球变形而导致键合强度降低,过小的键合压力因欠键合而导致键合强度降低。     

温度因素对热超声键合强度的影响实验研究

主要研究了热超声键合过程中环境温度对键合强度的影响规律.分析了键合强度与键合温度之间的关系.实验研究发现,最佳键合"窗口"出现在200～240℃,此时键合强度可达20g左右.对推荐使用的大于5.4g的键合强度标准,本实验条件下可键合"窗口"为120～360℃.这些实验现象和分析结果为后期的键合参数匹配规律和系统动态特性研究打下基础.     

硅玻静电键合工艺研究

硅玻静电键合工艺是通过在较高温度和静电场作用下硅玻界面发生电化学反应,产生共价键O-Si-O的原理来完成键合过程的。目前,该工艺在制作微传感器和微机械系统中得到广泛应用。通过键合试验与结果分析,总结了键合温度、键合电压、压力、金属台阶对键合结果的影响,优化了硅玻静电键合的工艺参数及对金属台阶的要求。     

微波组件硅铝丝键合工艺参数的优化

通过控制单一变量的试验方法,研究了超声功率、超声时间、键合压力等参数对硅铝丝键合一致性和可靠性的影响,分析了每个参数对硅铝丝键合的影响规律.通过正交试验方法,优化了键合参数组合,并进行试验验证.通过环境试验对微波组件中硅铝丝键合的可靠性进行评价,在某产品上进行验证,并抽样对其可靠性进行评价.产品键合点形貌良好,一致性高...     

芯片键合换能系统中接触界面的影响分析

接触界面对超声能量传递与振动特性的影响是各类压电换能器的共性问题。在超声芯片封装领域,各子部分之间的接触界面是影响系统超声能量传递的强非线性因素,直接影响芯片与基板的键合质量。该文通过有限元法与激光多谱勒测振仪等技术,获得系统中接触界面对超声能量传递与振动特性的影响规律,发现不合理的接触界面会引发系统多模态与频率混叠效应、超声能量输出不稳定、系统迟滞响应等,导致键合强度下降、芯片与基板倾斜、键合效率下降等封装缺陷。研究结果对理解超声键合与系统设计具有指导意义。     

超声键合换能系统中劈刀的振动特性分析

阐述了Lyapunov指数作为振动信号的混沌判断原理,并对换能系统的振动信号进行分析与研究,计算了换能系统在不同加载压力下劈刀的振动时间序列的Lyapunov指数.结果表明振动信号中的最大Lyapunov指数均大于0,根据混沌理论可以判定换能系统振动信号中存在混沌现象,应该采用混沌的方法研究与分析换能系统振动信号.通过不同加载压力下的振动速度信号的RMS值与最大Lyapunov指数的比较,发现两者随压力变化趋势相同,为进一步研究超声引线键合换能系统的振动特性提供了有价值的参考.     

键合工具对超声换能器系统谐振频率的影响

建立了超声引线键合机换能器系统振动分析有限元模型,利用ANSYS软件分析了换能器系统与键合工具组成的纵-弯复合振动系统的振动特性。计算结果表明,键合工具的弯曲振动与换能器系统纵向振动存在耦合关系,劈刀长度增加50%将使换能器系统谐振频率下降5.6%;实验中测试了换能器系统的阻抗与导纳特性,发现当劈刀长度为16 mm时系统的阻抗匹配较为理想;换能器系统的谐振频率的实测值与有限元分析结果一致,最大误差为3.51%。     

热超声倒装键合换能系统 多模态振动与有限元分析

研究了热超声倒装键合设备的核心执行机构——换能系统的动力学特性.利用激光多谱勒测振仪测试系统末端各方向的振动速度,发现系统以轴向振动为主,但受到其他非轴向振动的干扰.非轴向振动对芯片造成芯片倾斜、键合强度降低等负面影响.采用有限元方法对换能系统建模,仿真计算发现换能系统振动是各方向振动的耦合结果,且工作模态附近存在多种干扰模态.最后分析了系统多模态产生的根源并提出抑制方法.     

多向复合超声换能器有限元分析与试验

超声换能器是微电子封装技术的核心执行元件,为解决传统一维纵振超声换能器键合效率低、键合面不均匀及键合点不牢靠等问题,采用ANSYS仿真软件建立换能器有限元模型进行模态分析及谐响应分析,设计了一种可同时实现轴向纵振、水平弯振及竖直俯仰振动的40 kHz多向复合夹心压电式超声换能器。其中,压电部分由整圆环和可单独激励的1/4圆环陶瓷片组成。利用阻抗分析仪实物测试,得到换能器纵振、弯振及俯仰振动的阻抗 频率特性曲线。结果表明,测试值与仿真值基本一致,且结构性能参数均符合键合要求,验证了该结构的合理性。     

Bondability window and power input for wire bonding

This paper presents a recent study by monitoring input power in wire bonding process on its performance. The instantaneous driving voltage and current to the PZT/transducer system were recorded and the input power histories for all tests were analyzed. A stable and satisfied bonding can be obtained at moderate ultrasonic power setting. A laser Doppler vibrometer was used to record the response of the structure. The initial power oscillating may represent the phase locking chaos, and the final attenuation may reflect the remains of kinetic energy in the structure. Strength of wire bonding should be attributed to the input power during the main loading segment.     

超声换能系统电特性实验研究

超声换能系统是引线键合设备的核心部件,对其工作特性的深入了解有助于理解引线键合过程.通过实验,观察分析了超声引线键合过程中不同劈刀安装长度对换能系统电流、电压及功率的影响,发现电流及功率在不同劈刀安装长度时有较为明显的变化.并进一步采用小波分析方法展现了电流信号在时频域内变化的细节情况,为充分了解换能系统电学特性提供了可靠依据和新的方法.     

劈刀和肋环夹持工况对超声键合换能系统电学特性的影响

通过实验分析了肋环夹持松紧度和劈刀存在两个因素对超声键合换能系统电学导纳特性的影响规律。对换能系统在悬挂有无劈刀和夹持8个松紧度等各个情况下进行谐振频率附近的导纳圆测量,确定换能系统等效电路各特征参数的变化情况。由实验结果的分析可知,劈刀的附加质量以及肋环松紧程度对换能系统谐振频率的影响不大,但劈刀的存在改变了换能系统的能量分布和耗散,是影响换能系统各特征参量的主要因素之一。这些结论有助于超声键合换能系统的优化。     

晶圆低温直接键合技术研究进展

晶圆低温直接键合技术与传统键合方式相比具有对晶片及器件损伤小、无中介层污染、无需外部电场辅助等优势,在功率型半导体光电及电力电子器件、大功率固体激光器、MEMS、光电集成等领域具有巨大的应用潜力.文章从低温直接键合技术的发展历程入手,重点介绍了湿法疏水键合、湿法亲水键合和等离子体活化键合的物理化学机制.系统阐述了低温直接键合的工艺流程和键合强度的表征方法,探讨了低温直接键合的技术发展趋势,并对低温直接键合工艺的改善和创新应用拓展进行了展望.     

Study of Temperature Parameter in Au–Ag Wire Bonding

The effect of the temperature on bondability and bonding process for wire bonding are investigated. Bondability is characterized by shear bonding strength and bonding process is represented by input and output power of ultrasonic transducer. A laser Doppler vibrometer and Labview software were used to record the velocity, voltage and current of transducer at different temperature settings. A K-type thermocouple sensor was used to measure the bonding temperature. Experimental results show that unsuccessful bonding happens at low temperature, and over bonding appears if the temperature is too high. Only when the temperature is at appropriate settings, can a stable and satisfied bondability be attained. The reason for this experimental observation is analyzed. By using a high resolution transmission electron microscope, the atom diffusion depth of Au-Ag bonding interface was measured and the result is about 200 nm. By using joint time-frequency analysis, the instantaneous characteristics of bonding process were observed completely and clearly. It is found that input and output ultrasonic power vs. time-frequency in a bonding process, including resonance frequency, harmonic components and amplitude of ultrasonic energy, vary along with the change of temperature settings.