半导体封装过程wire bond 中 wire loop 的研究及其优化.docx
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半导体封装过程wirebond中wireloop的研究及其优化
南京师范大学
电气与自动化科学学院
毕业设计（论文）
半导体封装过程wirebond中wireloop的研究及其优化
专业机电一体化
班级学号22010439
学生姓名刘晶炎
单位指导教师储焱
学校指导教师张朝晖
评阅教师
2005年5月30日
摘要
在半导体封装过程中，IC芯片与外部电路的连接一段使用金线（金线的直径非常小0.8--2.0mils）来完成，金线wirebond过程中可以通过控制不同的参数来形成不同的loop形状，除了金线自身的物理强度特性外，不同的loop形状对外力的抵抗能力有差异，而对于wirebond来说，我们希望有一种或几种loop形状的抵抗外力性能出色，这样，不仅在半导体封装的前道，在半导体封装的后道也能提高mold过后的良品率，即有效地抑制wiresweeping,wireopen.以及由wiresweeping引起的bondshort.因此，我们提出对wireloop的形状进行研究，以期得到一个能够提高wire抗外力能力的途径。
对于wireloop形状的研究，可以解决：
（1）金线neckbroken的改善。
（2）BPT数值的升高。
（3）抗mold过程中EMC的冲击力加强。
（4）搬运过程中抗冲击力的加强。
关键词：
半导体封装，金线，引线焊接,线型。
Abstract
Duringtheprocessofthesemiconductorassembly,weusetheAuwiretoconnecttheperipheralcircuitfromtheIC.（ThediameteroftheAuwireisverysmall.Usually,it’sabout0.8mil~2mil.）AndduringtheAuwirebonding,wecangetdifferentlooptypesfromcontrolthedifferentparameters.BesidesthephysicscharacteristicoftheAuwire,thelooptypescanalsoaffecttherepellenceundertheoutsideforce.Fortheprocessofthewirebond,wehopetherearesomegoodlooptypessothatimprovetherepellenceundertheoutsideforce.Accordingtothis,itcanimprovethegooddeviceratioaftermolding.ItnotonlyreducesthewiresweepingandthewireopenofAuwiresbutalsoavoidthebondshortcausebythewiresweeping.
Therefore,wedothedisquisitionaboutthelooptypeforgettingthewaytoimprovetherepellenceunderoutsideforces.
Thisdisquisitioncansolvetheproblemabout:
（1）ImprovetheneckbrokenofAuwire.
（2）HeightentheBSTdata.
（3）EnhancetheresistforcetoEMCduringthemoldingprocess.
（4）Decreasethepossibilityofdevicebrokenwhenitbemoved.
Keyword:
thesemiconductorassembly,Auwire,wirebond,wireloop.
摘要………………………………………………………………………
Abstract…………………………………………………………………
1绪论……………………………………………………………………
1.1本课题研究的意义………………………………………………
1.2环境及实验设备简介……………………………………………
1.3主要的研究工作…………………………………………………
2基础知识介绍………………………………………………………
2.1wirebond的介绍及基本原理………………………………
2.2wireloop的基本参数………………………………………
2.2.1looptype（弧型）……………………………………
2.2.2LH（弧高）……………………………………………
2.2.3reversedistance（反向线弧长度）……………………
2.2.4RDA（反向线弧角度）………………………………
2.2.52ndkink（第二弯曲点）………………………………
2.2.62ndkinkHTfactor（第二弯曲点高度因素）…………
2.6.7spanlength（水平长度）……………………………
2.3mold的基本概念…………………………………………
2.4BPT测试的简单介绍
3实验设备及环境条件…………………………………………
3.1实验材料…………………………………………………
3.2实验设备介绍……………………………………………
3.2.1wirebond设备………………………………………
3.2.2BPT测试仪…………………………………………
3.2.3mold设备及wiresweeping测试设备……………
3.3环境条件…………………………………………………
4实验设计及数据处理…………………………………………
4.1实验设计及研究方法……………………………………
4.2实验过程及数据采集……………………………………
4.2.1looptype:
Q-LOOP
（1）…………………………………
4.2.1.1参数………………………………………………
4.2.1.2BPT数据…
4.2.1.3wiresweeping测试数据…………………………
4.2.2looptype:
Q-LOOP
（2）…………………………………
4.2.2.1参数………………………………………………
4.2.2.2BPT数据…………………………………………
4.2.2.3wiresweeping测试数据…………………………
4.2.3looptype:
SQUARE-LOOP
（1）………………………
4.2.3.1参数………………………………………………
4.2.3.2BPT数据…………………………………………
4.2.3.3wiresweeping测试数据…………………………
4.2.4looptype:
SQUARE-LOOP
（2）…………………………
4.2.4.1参数………………………………………………
4.2.4.2BPT数据…………………………………………
4.2.4.3wiresweeping测试数据…………………………
4.3数据处理分析及其结果…………………………………
4.3.1实验数据处理………………………………………
4.3.2数据分析及分析结果………………………………
4.3.2.1BPT数据分析及结果……………………………
4.3.2.2wiresweeping测试数据分析及结果……………
4.3.2.3综合分析及结果…………………………………
5理论计算
5.1关于理论计算的说明
5.2转动惯量的概念
5.2.1转动惯量的定义
5.2.2移轴定理
5.3转动惯量条件下S弧与Q弧的比较
5.3.1S弧的转动惯量
5.3.2Q弧的转动惯量
5.3.3一定条件下两弧的比较计算
5.4转动惯量对S弧模型的影响
5.4.1S弧模型1
5.4.2S弧模型2
5.5转动惯量对Q弧模型的影响
5.5.1Q弧模型1
5.5.2Q弧模型2
6结论
绪论
1.1本课题研究的意义
在现在的半导体封装中，大多在对金线的机械强度的提高在做努力，即提高原材料的机械强度，而对wireloop形状的研究还鲜有报道，即使有这方面的研究也并未正式公开的发表相关论文。
所以，在这方面的深入研究还是很有意义的。
1.2环境及实验设备简介
固定一种金线（2.0mil）作为实验原材料，固定实验机器为ASM*Eagle60wirebonder进行实验。
（注：
1mil=25.4um）
1.3主要的研究工作
本设计主要的研究工作是对芯片进行引线焊接所行成的各种不同线型的研究分析。
我们通过设计实验的方法将其进行优化，以提高金线承受外力的能力，并最终指导实际生产工具。
2基础知识介绍
2.1wirebond的基本原理
Wirebonding是一种使用了热能、压力以及超声能量的芯片内互连技术，本质上是一种固相焊接工艺。
用金线或铝线把芯片上的焊盘与引线框架上的相应引脚连接起来，以实现芯片与外部电路连接的功能，如图2.1.1。
图2.1.1
本设计中金线的wirebond采用热超声法，其将焊件加热到200~250oC,使用劈刀。
图2.1.2是wirebond-ballbonding的大致过程。
图2.1.2W/B过程
Bond过程是一个极其复杂的过程，它汇集了计算机控制技术、高精度图像识别处理技术（PRS）、高精度机械配合、自动控制反馈等高科技。
Wirebond技术的发展是围绕封装技术的发展进行的。
目前还是最成熟的芯片内互连技术。
在任何开发出的新封装类型中都可以应用WB技术。
随着技术的发展，提出了超细间距BOND技术、铜线BOND技术、带BOND技术等新技术，也给我们带来了新的研究课题。
同时我们也应该看到，毕竟作为一种“老”技术也有不可避免的缺点如：
线长带来阻抗增加与电感增大，从而限制了对高频器件封装的选择，另外散热性能也没有裸倒装芯片来得好。
不过掌握wirebond技术从而保证生产的稳定，对公司的发展来说有重要的意义。
2.2wireloop的基本参数
2.2.1looptype（弧型）:
图2.2.1.1Q-LOOP图2.1.1.2SQUARE-LOOP
2.2.2LH（弧高）
图2.2.2LH=loopheight（弧高）
2.2.3reversedistance（反向线弧长度）
图2.2.3reversedistance（反向线弧长度）
2.2.4RDA（反向线弧角度）
图2.2.4RDA=reversedistanceangle（反向线弧角度）
2.2.52ndkink（第二弯曲点）
图2.2.52ndKink（第二弯曲点）
2.2.62ndkinkHTfactor（第二弯曲点高度因素）
图2.2.62ndkinkHTfactor
2.2.7spanlength（水平长度）
图2.2.7spanlength（水平长度）
2.3mold的基本概念
Mold就是把已经Wire-bond完成后的材料用EMC包装起来，从而达到保护Chip,使其免受外界的因素，包括热辐射、机械冲击、化学腐蚀等因素的影响、维持其本身所具有的电子性能，因而Mold工程对PKG技术的发展具有很重要的意义。
其中的封装材料EMC是EpoxyMoldingCompound的缩写，其性质为一热固性树脂。
EMC在高温作用下，其中的一部分颗粒受热后逐步融化，但当温度继续上升时，这部分物质反而又逐渐反应成为固体，而且其过程不逆转，如此循环，直至全部颗粒反应结束。
由于反应是不可逆的，因此保证了PKG在使用过程中产生的热量不会对其外形产生太大的影响。
2.4BPT测试的简单介绍
BONDPULLTEST简称BPT是测量PAD与LEAD的BOND质量的一种方法。
利用测力的小钩，在LOOP的规定的位置测量WIREBROKEN力的大小，并观察是否有LEADOPEN、PADOPEN与METALOPEN等不良。
图2.4Bondpulltest
3实验设备及环境条件
3.1实验材料
实验材料采用金线直径=2mil,纯度>99.9999%，如图3.1。
芯片采用LVIC,尺寸为95*93（mil）。
LeadFrame（引线框架）采用TO-220D-PAK的。
图3.1金线
3.2实验设备介绍
3.2.1wirebond设备
Wirebond我们使用ASM*Eagle60wirebonder来完成。
如图3.2.1:
图3.2.1ASM*Eagle60wirebonder
3.2.2BPT测试仪
Bondpulltest即通常我们所说的BPT测试，我们使用dage*SERIES4000测试仪来得到所求数据。
如图3.2.2:
图3.2.2dage*SERIES4000
3.2.3mold设备及wiresweeping测试设备
在半导体封装的后道，Mold是将前道bond好的芯片通过模具注入环氧树脂EMC，将芯片封装起来的一道工序。
在MOLDING工程中，生产设备主要设备有：
UPS120－N系列（N/NC/NEX/S）自动设备，如图3.2.3.1。
Mold过后的wiresweeping我们使用dage*XL6500x光测试仪测得。
如图3.2.3.2:
图3.2.3.1UPS120－N系列mold设备图3.2.3.2dage*XL6500（X-RAY）
3.3环境条件
环境温度控制范围：
3摄氏度（+-5度），湿度控制范围：
50%（+-30%）。
wirebond条件：
正常工作条件。
Molding条件：
压力45kg,EMC流动时间24s。
4实验设计
4.1实验步骤及研究方法
一种线的形状涉及到以下参数：
looptype（弧型）,loopheight（弧高）,reversedistance（反向线弧长度），reverseangle（反向线弧角度）,2ndkinkHTfactor,pullratio（拉力比率）,spanlength（水平长度）。
首先，我们通过在Q，S两种弧型中分别改变loopheight（弧高），spanlength（水平长度）来得到12种不同的loop形状，其他则参数不变。
第二步，我们对每种弧型进行拉力测试与封装mold测试，分别得到BPT与wiresweeping的数据。
BPT数据我们是通过专用的测试仪来测定的，属于破坏性的试验，,共12组，每组测12个数据。
Wiresweeping则是将芯片封装mold完成之后，通过X-RAY透过其表层的环氧树脂量取的。
同样12组，每组测12个数据。
第三步，在得到BPT与wiresweeping这两项数据后，我们将其输入电脑，使用专业软件JMP.5对这些数据进行综合处理。
然后对其处理结果进行综合分析。
得到实验的优化结果。
第四步，我们将过简单的理论计算来证明实验所得到的优化结果。
最后，我们可以得出结论，即得到最优化的bondingloop。
如图4.1.1—图4.1.3为本实验中芯片需要经历的三道工序：
图4.1.1wirebond前图4.1.2wirebond后mold前图4.1.3mold后
4.2实验过程及数据采集
4.2.1looptype:
Q-LOOP
（1）
4.2.1.1参数
Q-LOOP
（1）
弧型1参数
弧型2参数
弧型3参数
loopheight
10mil
10mil
10mil
Reversedistance
30%
60%
90%
LHTcorrection
15
15
15
Pullratio
0%
0%
0%
ReversedistanceAngle
0
0
0
4.2.1.2BPT数据
弧型（Q型）
BondPullTest（BPT）数据
弧型1
40.509
36.080
24.831
22.532
36.973
43.999
42.602
39.217
39.706
38.435
37.841
37.667
弧型2
38.029
39.720
36.772
27.509
26.431
23.736
19.854
22.123
24.112
23.429
26.272
24.648
弧型3
22.754
23.863
26.964
26.502
28.897
29.813
33.036
33.992
33.952
36.499
33.247
34.988
4.2.1.3wiresweeping测试数据
弧型（Q型）
Wiresweeping测试数据
弧型1
2.86
1.42
2.39
2.65
2.02
2.84
2.29
2.09
2.58
2.69
2.30
1.19
弧型2
3.01
3.46
3.15
3.81
3.76
2.34
2.68
2.57
2.62
2.59
3.75
2.81
弧型3
4.72
3.09
2.94
3.42
2.62
2.92
3.65
2.95
2.93
3.65
1.89
2.85
4.2.2looptype:
Q-LOOP
（2）
4.2.2.1参数
Q-LOOP
弧型4参数
弧型5参数
弧型6参数
loopheight
15mil
20mil
28mil
Reversedistance
60%
60%
60%
LHTcorrection
15
15
15
Pullratio
0%
0%
0%
ReversedistanceAngle
0
0
0
4.2.2.2BPT数据
弧型（Q型）
BondPullTest（BPT）数据
弧型4
14.297
15.834
16.505
20.530
16.928
22.638
21.503
24.412
26.084
29.381
18.728
23.710
弧型5
22.076
25.260
27.179
28.372
25.014
27.287
27.239
25.823
27.297
28.311
26.006
29.286
弧型6
15.254
19.250
18.614
22.617
21.442
23.370
37.956
41.933
18.897
28.801
23.346
24.055
4.2.2.3wiresweeping测试数据
弧型（Q型）
Wiresweeping测试数据
弧型4
2.37
2.72
2.56
2.65
3.04
2.46
1.98
1.74
1.35
2.64
2.57
2.01
弧型5
2.64
4.98
3.03
4.62
2.67
5.52
2.33
2.98
3.10
4.74
4.86
3.81
弧型6
2.20
4.22
2.37
2.21
2.19
2.25
3.05
2.80
2.22
2.96
3.14
3.42
4.2.3looptype:
SQUARE-LOOP
（1）
4.2.3.1参数
SQUARE-LOOP
弧型7参数
弧型8参数
弧型9参数
Loopheight
10mil
10mil
10mil
Reversedistance
60%
60%
60%
Spanlength
80%
40%
15%
2ndkindHTfactor（%）
50
50
50
Pullratio
0%
0%
0%
Reverseheight
18
18
18
Reversedistanceangle
0
0
0
Wirelengthfactor（%）
500
500
500
LHTcorrection
5
5
5
4.2.3.2BPT数据
弧型（S）
BondPullTest（BPT）数据
弧型7
23.183
24.864
28.761
31.849
35.773
38.620
36.349
42.354
34.367
32.795
35.351
34.964
弧型8
14.052
26.102
17.476
22.025
19.988
18.737
18.102
20.014
20.335
25.420
19.393
27.228
弧型9
19.590
20.772
18.249
21.877
23.646
25.541
25.414
26.985
28.587
30.660
25.346
25.755
4.2.3.3wiresweeping测试数据
弧型（S型）
Wiresweeping测试数据
弧型7
2.13
2.01
2.84
3.23
3.04
3.52
2.58
1.98
2.23
2.51
1.95
2.20
弧型8
2.42
3.27
3.18
1.99
3.38
2.99
3.09
2.53
2.80
3.57
3.89
3.46
弧型9
5.02
3.51
1.67
3.52
4.04
3.70
2.90
2.43
4.99
3.02
2.98
4.30
4.2.4looptype:
SQUARE-LOOP
（2）
4.2.4.1参数
SQUARE-LOOP
弧型10参数
弧
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