微组装基本工艺作业流程.docx

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微组装基本工艺作业流程

微组装工艺步骤

基板准备

分为电路软基板（RT/DUroid5880）准备和陶瓷基板（AL2O3）

准备。

电路软基板要求操作者戴指套，将电路软基板放在洁净中性滤纸上，

按图纸用手术刀切割电路板边框线和去除工艺线。

要求电路软基板图形符合图

纸要求，表面平整，没有翘曲，外形尺寸比图纸小0.1㎜～0.2㎜，切面平整。

工

艺线去除切地，切口断面和代线平面垂直，手指不许可不戴指套接触镀金层，

以免造成氧化。

陶瓷基板准备，要求用细金刚砂纸打磨陶瓷基板，使边缘整齐，

无毛刺、无短路，然后用纯净水洗净。

基板清洗

基板清洗，经过超声清洗进行。

超声清洗是利用超声波在清洗液中辐射，

使液体震动产生数万计微小气泡，这些气泡在超声波纵向传输形成负压区

产生、生长，而在正压区闭合，在这种空化效应过程中，微小气泡闭合时能够

产生超出1000个大气压瞬间高压，连续不停瞬间高压冲击物体表面，使物体

表面和微小缝隙中污垢快速剥落。

所以，超声波清洗对物体表面含有一定损伤性，经过数次试验（此试验未统计试验数据），确定合理超声功率、去离子水用量和清洗液高度和清洗时间。

具体清洗步骤及参数设置以下：

打开超声清洗机，功率调至100瓦，加入去离子水，液面高度为60㎜～80㎜之间。

将电路软基板或陶瓷基板放入瓷盒中，倒入HT1清洗液，液面略高基板上表面3㎜～5㎜，然后将整个瓷盒放入超声清洗机支架上（水面低于清洗液2㎜～3㎜），清洗时间为Xmin～Xmin。

将95%乙醇倒入瓷盒，液面略高于基板上表面3㎜～5㎜，然后将整个瓷盒放入超声清洗机支架上（水面低于清洗液2㎜～3㎜），清洗时间为Xmin～Xmin。

将清洗完成基板放入X℃±3℃烘箱中烘0.5h后，放入氮气保护柜。

经过上述数次试验后确定清洗工序，清洗完成后基板表面无油污、杂质等残留物。

腔体准备和清洗

腔体准备关键是用手术刀打净毛刺，再用洗耳球打磨毛刺形成杂质。

腔体清洗使用超声波清洗机，具体清洗步骤及参数设置以下：

打开超声清洗机，功率调至100瓦，倒入HT1清洗液，液面高度为60㎜～80㎜之间，将腔体放入超声清洗机清洗液中，液面略高腔体上表面3㎜～5㎜，且液面高度不得超出80㎜，清洗时间为Xmin～Xmin。

将95%乙醇倒入超声波清洗机中，液面高度为60㎜～80㎜之间，将腔体放入超声清洗机清洗液中，液面略高腔体上表面3㎜～5㎜，且液面高度不得超出80㎜，清洗时间为Xmin～Xmin。

将清洗完成基板放入X℃±3℃烘箱中烘0.5h后，放入氮气保护柜。

经过上述数次试验后确定清洗工序，清洗完成后腔体表面无油污、杂质等残留物。

焊料/导电胶准备

焊料，关键使用锡铅合金锡箔焊料（Pb37Sn63），用镊子将焊料展平，接着用铅笔将压块形状画上，然后用剪刀沿画痕剪成压块形状。

要求锡铅合金锡箔焊料必需平展，不能有褶皱，压块大小和焊料一致，不许可未戴指套直接触摸焊料。

焊料清洗使用超声波清洗机，具体清洗步骤及参数设置以下：

打开超声清洗机，功率调至100瓦，加入去离子水，液面高度为60㎜～80㎜之间。

将锡铅合金锡箔焊料放入瓷盒中，将95%乙醇清洗液放入瓷盒，液面略高焊料上表面3㎜～5㎜，然后将整个瓷盒放入超声清洗机支架上（水面低于清洗液2㎜～3㎜），清洗时间为Xmin～Xmin。

将清洗完成焊料放入X±3℃烘箱中烘4min～10min后，放入氮气保护柜。

导电胶，关键使用H20E导电银胶，导电胶不用时应放入0℃～5℃冰箱内保留。

使用时从冰箱取出后，在室温下放置15min，恢复至室温后，用钨针拌15min使各成份混合均匀，挑出少许搅拌好导电胶放入小坩埚中，再搅拌15～20min以去气（若没有合适去气，空气会陷入固化粘接剂中，在粘接层中产生空洞，这些空洞会降低电导率和热导率甚至降低粘接强度）。

装夹

装夹过程是将焊料/导电胶放入腔体内，并装好基片，用专用夹具固定。

此步工序关键需要注意焊料/导电胶必需涂覆均匀、平整、不能有折叠角或褶皱。

另外导电胶在涂覆时，厚度不能超出0.05㎜。

焊料烧结/导电胶固化

用锡铅合金锡箔焊料装夹好产品放入已达成设定温度烧结炉上进行烘烤，温度依据焊料融化温度设定，时间以温度降低又重新升至设定温度保持1min～5min后结束。

锡铅合金锡箔焊料温度为183℃，烘烤温度约200℃～220℃。

用导电胶装夹好产品放入已达成设定温度烧结炉上进行烘烤，固化时间和温度以导电胶厂家提供数据为依据，H20E导电胶温度为120℃，时间X小时。

清理、检验

在显微镜下用手术到清理多出焊料/导电胶。

如焊料/导电胶有多出溢出造成短路而又无法清理时，需报废。

清理完成产品按腔体清洗工艺进行清洗并烘干。

检验标准根据工艺要求进行，不合格报废。

芯片粘接工艺

芯片焊接是指半导体芯片和载体（封装壳体或基片）形成牢靠、传导性或绝缘性连接方法。

焊接层除了为器件提供机械连接和电连接外，还须为器件提供良好散热通道。

芯片粘接工艺是经过环氧树脂导电胶粘接来形成焊接层。

芯片粘接工艺是采取环氧树脂导电胶（掺杂金或银环氧树脂）在芯片和载

体之间形成互连和形成电和热良导体。

环氧树脂是稳定线性聚合物，在加入

固化剂后，环氧基打开形成羟基并交链，从而由线性聚合物交链成网状结构而固

化成热固性塑料。

其过程由液体或粘稠液→凝胶化→固体。

固化条件关键

由固化剂种类选择来决定。

而其中掺杂金属含量决定了其导电、导热性能

好坏。

芯片共晶工艺

芯片焊接是指半导体芯片和载体（封装壳体或基片）形成牢靠、传导性或绝缘性连接方法。

焊接层除了为器件提供机械连接和电连接外，还需为器件提供良好散热通道。

芯工共晶工艺是经过金属合金焊料来形成焊接层。

共晶是指在相对较低温度下共晶焊料发生共晶物熔合现象，共晶合金直接从固态变到液态，而不经过塑性阶段。

其熔化温度称共晶温度。

芯片共晶关键指金硅、金锗、金锡等共晶焊接。

金熔点为1063℃，硅熔点为1414℃，但金硅合金熔点远低于单质金和硅。

从二元系相图中能够看到，含有31%硅原子和69%金原子Au-Si共熔体共晶点温度为370℃。

这个共晶点是选择适宜焊接温度和对焊接深度进行控制关键依据。

金硅共晶焊接法就是芯片在一定压力下（附以摩擦或超声），当温度高于共晶温度时，金硅合金融化成液态Au-Si共熔体。

冷却后，当温度低于共晶温度时，共熔体由液相变为以晶粒形式相互结合机械混合物——金硅共熔晶体而全部凝固，从而形成了牢靠欧姆接触焊接面。

金属合金焊接还包含“软焊料”焊接（如95Pb/5Sn，92.5Pb/5In/2.5Ag），因为其机械强度相对较小，在半导体器件芯片焊接中不太常见。

影响芯片共晶关键原因

共晶焊料特征

a）比纯组元熔点低，简化了熔化工艺。

b）共晶合金比纯金属有愈加好流动性，在凝固中可预防阻碍液体流动枝晶形成，

从而改善了铸造性能。

c）恒温转变（无凝固温度范围）降低了铸造缺点，如偏聚和缩孔。

d）共晶凝固可取得多个形态显微组织，尤其是规则排列层状或杆状共晶组织，

可成为优异性能原位复合材料。

共晶焊料选择

焊料是共晶焊接很关键原因。

有多个合金能够作为焊料，如AuGe、AuSn、

AuSi、Snln、SnAg、SnBi等，多种焊料因其各自特征适于不一样应用场所。

如：

含银焊料AgSn，易于和镀层含银端面接合，含金、含铟合金焊料易于和镀层含金端面接合。

依据被焊件热容量大小，通常共晶炉设定焊接温度要高于焊料合金共晶温度30～50℃。

芯片能耐受温度和焊料共晶温度也是进行共晶时应该关注问题。

假如焊料共晶温度过高，就会影响芯片材料物理化学性质，使芯片失效。

所以焊料选择要考虑镀层成份和被焊件耐受温度。

另外，如焊料存放时间过长，会使其表面氧化层过厚，因焊接过程中没有些人工干预，氧化层是极难去除，焊料熔化后留下氧化膜会在焊后形成空洞。

在焊接过程中向炉腔内充入少许氢气，能够起到还原部分氧化物作用，但最好是使用新焊料，使氧化程度降到最低。

温度控制工艺曲线参数确实立

共晶时热损耗，热应力，湿度，颗粒和冲击或振动是影响焊接效果关键原因。

热损伤会影响薄膜器件性能。

湿度过高可能引发粘连，磨损，附着现象。

无效热部件会影响热传导。

共晶时最常见问题是基座温度低于共晶温度。

在这种情况下，焊料仍能熔化，但没有足够温度来扩散芯片后面镀金层，而操作者轻易误认为焊料熔化就是共晶了。

其次，用过长时间来加热基座会造成电路金属损坏，可见共晶时温度和时间控制是十分关键。

因为以上原因，温度曲线设置是共晶好坏关键原因。

因为共晶时需要温度较高，尤其是用AuGe焊料共晶，对基板及薄膜电路耐高温特征提出了要求。

要求电路能承受400℃高温，在该温度下，电阻及导电性能不能有改变。

所以共晶一个关键原因是温度，它不是单纯抵达某个定值温度，而是要经过一个温度曲线改变过程，在温度改变中，还要含有处理任何随机事件能力，如抽真空、充气、排气等事件。

这些全部是共晶炉设备含有功效。

多芯片共晶温度控制和单芯片共晶不一样。

多芯片共晶时会出现芯片材料不一样，共晶焊料不一样，所以共晶温度不一样情况。

这时需要采取阶梯共晶方法。

通常先对温度高共晶焊料共晶，再共晶温度低。

共晶炉控制系统能够设定多条温度曲线，每条温度曲线能够设定9段，经过链接方法可扩展到81段，在温度曲线运行过程中可增加充气、抽真空、排气等工艺步骤。

芯片载体选择

芯片载体导电性能，导热性能和CTE，是选择参考标准。

另外载体镀层厚度一样直接影响共晶焊接强度，镀层太薄会造成焊料不能充足浸润，而造成形成空洞、焊接不牢，甚至掉片。

镀层太厚成本太高。

载体粗糙度及清洗

载体表面不一样粗糙度对共晶效果有一定影响。

载体镀金层表面洁净度对焊接质量影响也大，表面无机物、有机污物，氧化物等全部会造成共晶焊层空洞，从而影响共晶质量。

工艺参数设定

共晶参数除了温度控制工艺曲线以外，在不使用共晶炉，而采取共晶贴片机时，还需对温度、时间、气氛、摩擦速度、摩擦行程、摩擦时间、不一样芯片大小、焊料大小、共晶台温度设置等参数经过数次试验来确定适宜范围。

空洞率控制

空洞多少直接关系到芯片散热、可靠性高低，是共晶工艺首要需要处理问题。

它和焊料、温度、环境洁净度、材质、时间等多个原因全部相关。

只有经过试验，优化工艺参数来控制空洞率。

金丝键合工艺

金丝键合指使用金属丝（金线等），利用热压或超声能源，完成微电子器件中固电路内部互连接线连接，即芯片和电路或引线框架之间连接。

金丝键合根据键合方法和焊点不一样分为球键合和楔键合。

金丝球键合过程

金线经过空心夹具毛细管穿出，然后经过电弧放电使伸出部分熔化，并在表面张力作用下成球形，然后经过夹具将球压焊到芯片电极上，压下后作为第一个焊点，为球焊点，然后从第一个焊点抽出弯曲金线再压焊到对应位置上，形成第二个焊点，为平焊（楔形）焊点，然后又形成另一个新球用作于下一个第一个球焊点。

金丝楔键合过程

金丝楔键合是将两个楔形焊点压下形成连接，在这种工艺中没有球形成。

楔焊过程图见图4-5，楔焊焊点实拍图见图4-6。

金丝球键合和金丝楔键合区分

a）金丝球键合和金丝楔键合键合方法不一样

从两种键合方法示意图可知，球焊第一点为球形焊点，第二点为楔形焊点，键合过程没有方向限制。

球键合示意图和焊点示意图见图4-7、4-8。

楔焊两个焊点均为楔形焊点，键合过程只能前后方向键合。

楔键合示意图和焊点示意图见图4-9、4-10。

b）金丝球键合和金丝楔键合所用劈刀不一样

球焊选择毛细管头（陶瓷或钨制成）。

焊点是在热（通常为100℃～500℃）、

超声波、压力以立即间综合作用下形成。

毛细管头工作示意图和管头选择示意图见图4-11，4-12。

楔焊选择楔形头（陶瓷或钛碳合金制成）。

焊点是在超声波能、压力以立即间等参数综合作用下形成。

通常在室温下进行。

楔形头工作示意图和楔形头选择示意图见图4-13，4-14。

c）金丝球键合和金丝楔键合应用范围不一样楔键合许可焊盘间距为50μm，球键合许可焊盘间距大于100μm。

通常来说，球键合第一个焊点要比第二个位置要高，受操作空间影响较小，返修较困难，而楔键合返修简单，但受制于操作空间。

金丝键合工艺原理

键合设备磁致伸缩换能器在超高频63.5KHz/115KHz正弦波磁场感应下，快速伸缩而产生弹性振动，经变幅杆传给劈刀，劈刀在对金丝施加一定压力情况下，带动金丝在被焊接金表面上快速摩擦，使金丝和金表面产生塑性形变和破坏金层界面氧化薄膜（高熔点，不导电。

在450℃，增大压力，也不能得到很好冶金焊接），使得两个纯净金属面紧密接触，形成牢靠冶金焊接。

表面温度和引线变形分析表明这个过程可分成三个阶段：

a）清洗过程

超声功率关键是用来产生热量和清洗表面和摩擦清除表面氧化层和污染层，只有极少一部分用来产生变形。

在这个过程中，键合劈刀压着引线在键合表面。

b）混合过程

超声功率用来挤压金丝和接触表面并引发键合表面温度显著上升。

发生局部焊接和引线焊接到焊盘上。

劈刀磨擦基础上固定了引线，焊丝温度深入上升。

c）扩散过程

没有显著变形和温度上升。

键合劈刀磨擦在引线表面产生热量使得焊点表面温度上升，深入松弛了焊接区域。

这个回火过程经过校正扩散接触面，稳定键合点，使它不会太脆

影响金丝键合质量关键原因

选择适应键合方法和劈刀

楔键合许可焊盘间距为50μm，球键合许可焊盘间距大于100μm，楔键合只能进行前后方向键合，但更适适用于深腔键合。

在选择劈刀上，应依据腔体内形状，芯片键合位置等原因来选择适应劈刀，从而从源头上开始控制键合质量。

楔键合劈刀和球键合毛细管头键合配合示意图见图4-15、4-16。

金丝选择和储存

直径=25微米金丝。

重量=8.731～10.247（mg/m）。

破坏强度>11～17（g）。

直径=18微米金丝。

重量=4.127～5.188（mg/m）。

破坏强度>4～8（g）。

依据产品电路对金丝要求和金丝特征综合考虑。

金丝在不使用时，必需放入氮气柜保留，时间不超出六个月。

避免因金丝氧化问题而造成键合不良。

焊盘镀金层厚度

基板上焊盘镀金层厚度大小直接和金线键合强度相关，镀金层越厚，键合可焊性越好，焊点越牢靠，不过镀金层越厚成本也越高。

因为镀金层厚度和可焊性之间也不是简单线性关系，所以需要经过试验寻求一个最优值，在确保达成键合强度要求情况下，镀金层厚度最小。

清洗

镀金层表面洁净度对键合质量影响也大。

表面无机杂质、有机污物、氧化物等全部会影响金线键合强度和可靠性，需要经过试验研究洁净度和键合强度之间关系。

工艺参数设定

键合工艺参数包含键合温度、劈刀压力、超声功率和作用时间等，键合工艺参数相互匹配，不能单独强调某个方面作用，依据不一样材料特征和实际情况选择对应参数形成最好配合，也就是将这些参数优化组合到最好。

线弧高度和长度控制

因为引线是裸露，没有绝缘层保护，若引线接触就会造成短路失效。

所以引线线弧高度和长度要基础保持一致。

需要分析影响弧度高度原因，以确保线弧度和高度符合要求。

金丝键合失效模式、不良现象及处理方法

金丝键合成功标志全部是全部键合点应牢靠、无虚焊、无短路、不许可有不符合键合图要求、遗漏、额外键合丝，引线高度、弧度基础一致，焊点形状符合要求，一致性好等等。

在进行金丝键合工艺开发前，必需清楚键合失效、不良现象原因和对应处理措施。

失效模式及处理方法

焊球形成失效

a）焊盘或金属球表面被油、手印、灰尘或前道工序留下有机物污染。

因为在高密度引线球键合中，金属熔球和焊盘尺寸很小，所以对键合表面清洁程度很敏感。

键合表面轻微污染全部可能造成二者之间原子不能扩散，造成失效。

对于这种情况，进行等离子清洗处理。

b）因为上一轮键合完成后，引线尾丝过短或电火花放电电流不稳定、放电时间过短造成形成金属熔球过小，使其和焊盘之间金属间化合物不能有效形成。

对于这种情况，调整尾丝长度，或加大打球电路和打球时间进行处理。

引线键合弹坑造成失效

焊盘不清洁或环境洁净度未达成要求，不仅会造成焊球失效，还会造成弹坑失效。

图4-16所表示，焊点直接弹出焊盘，造成失效。

出现这种情况，应该加强全部环境清洁控制。

引线键合断裂造成失效

焊接根部在超声焊接期间已经过分疲惫，向前和向后弯曲常会形成断裂。

引线断裂是键合过程中一个严重问题，根部断裂可能降低拉伸强度50%，而且会造成过早失效。

产生断裂原因有：

a）使用尖底焊接工具。

b）焊接机器在焊接工具从第一个焊点开始时振动。

c）过分焊接变形。

d）引线高度上升过陡。

e）在第一次焊接后工具运动过快。

f）较高引线差。

对这些情况，更换劈刀或调整键合速度，或降低超声压力来进行处理。

图4-18中箭头所指根部已经出现裂纹。

线弧相互接触短路造成失效

a）线弧摆动幅度过大或线弧强度和韧性不够，而在第一键合点上方塌陷使其和相邻线弧接触而形成短路。

球键合中许可线弧摆动量首先取决于焊盘距离，其次取决于引线直径和线弧长度。

引线直径减小使引线强度和韧性降低，所以受到振动和冲击后引线摆动和塌陷情况更轻易发生。

对于这种情况，控制键合引线高度、弧度、长度或重新更换金丝进行处理。

b）因为劈刀顶端直径过大使其在键合时和相邻焊盘或引线发生干涉使已形成线弧变形或大幅摆动。

对于这种情况，更换适宜劈刀处理。

c）劈刀内孔直径不配合。

劈刀内孔直径越小，线弧形状就越靠近理想形状。

但假如内孔直径过小，则会增大引线和劈刀之间摩擦造成线弧形不稳定。

对于这种情况，更换适宜劈刀进行处理。

焊球偏离焊盘造成失效

因为焊球未能完全落在焊盘中心而造成失效。

出现这种情况关键原因是因为定位不正确。

对于这种情况，重新进行定位处理。

不良现象及处理方法

金丝键合出现不良现象关键有引线尾部不一致，焊点形状不一致，焊点不规则，引线有划痕等，不良现象实拍图见图4-19。

出现这些情况是常见问题，关键原因是引线通道不洁净、错误引线引入

角度、引线夹钳不洁净、错误引线张力，不妥操作等。

对于这些情况，清洗

劈刀，重新穿丝，调整线夹松紧，仔细操作来处理。