引线键合工艺及其影响因素的研究完整版新.docx
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引线键合工艺及其影响因素的研究完整版新
成都电子机械高等专科学校
毕业论文
题目引线键合工艺及其影响因素的研究
研究引线键合工艺及其影响因素
＿＿着重金丝球键合分析
内容提要
引线键合就是用非常细小的线把芯片上焊盘和引线框架（或者基板）连接起来的过程。
金线焊接工艺，是引线键合工艺的一种。
它是利用金线将芯片上的信号引出到封装外壳的管脚上的工艺过程。
本文主要探讨集成电路封装中金丝球键合工技术以及影响因素。
关键字引线键合工艺热超声焊球形焊接步骤引线键合线弧技术影响因素WB与塑封的关系
绪论
一
………………………………………………………集成电路封装测试工艺流程简介
▲前道工艺▲后道工艺
贴膜注模
研磨激光打印
抛光烘烤
晶片装裱电镀
切割电镀后烘烤
第二道外观检查料片装裱
焊片切割
银浆烘烤去粘
等离子清洗拣装
焊线（wirebond）第四道检查
第三道外观检查测试，包装，出货
二
…………………………金丝球焊线机简述
2.1…………………………………引线键合工艺介绍
2.2…………………………………引线键合机的介绍
2.2.1…………………………键合机校正系统设计与实现
金球引线键合（GoldBallWireBonding）
循序渐进的键合工艺
2.2.2…………………………………………………………校正系统设计
2.2.2.1……………………………………………………伺服系统校正
2.2.2.2……………………………………图像系统校正（PRS）
2.2.2.3…………………………………………物料系统校正（MHS）
2.2.2.4……………………………………热台压板电动机校正
2.2.2.5………………………………………前后导轨电动机校正
2.2.2.6…………………………………………进出料电动机校正
2.2.2.7………………………………………键合头十字坐标校正
2.2.2.8………………………………………EFO打火高度校正
2.2.2.9……………………………………………USG校正
2.2.2.10…………………………………………键合压力校正
三.
…………………………………………………引线键合的质量检测
3.1……………………………………对键合焊球形貌外观检测
3.1.1…………………………………………………两键合点的形状
3.1.2…………………………………………键合点在焊盘上的位置
3.1.3……………………………………键合点根部引线的变形情况
3.2…………………………对键合点引线与焊盘的粘附情况的测试
3.2.1……………………………………………Intermetallic实验
3.2.2…………………………………………………Cratering实验
3.2.3……………………WirepullTest（破坏性键合拉力测试）
四.分析金线焊接的影响因素
五.浅谈金丝球键合对注模的影响
致谢
参考文献
绪 论
集成电路的封装就是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保持芯片和增强电热性能的作用，而且芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。
因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。
另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。
由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB（印制电路板）的设计和制造，因此它是至关重要的。
集成电路封装过程中，引线键合工艺是用线将芯片上的信号引出到封装外壳的管脚上建立有效的电气连接的工艺过程。
封装工艺发展到今天，主要有以下几种封装形式：
SLP，SOIC，TSSOP，QFP，BGA，LGA等等封装类型，上面介绍的是一些市场上比较常见的相关芯片的封装方式，随着技术的发展以及生产工艺的成熟，各种新的封装技术将会不断出现，而且新的封装技术也会更可靠，促进行业朝更小，更易操作化的方向发展。
引线和两焊点的的质量和引线线键合机参数设置则是决定引线键合质量的主要因素。
此外，还有诸多因素会对其造成影响。
本文将重点解释键合工艺和影响因素。
第1章芯片封装工艺流程介绍
以塑胶封装中SLP的引线键合为例，其步骤依序为：
★FRONTOFLINE（前段）：
TAPE（给整张芯片着膜）→BACKGRINDING（晶片背面磨削）→DETAPE（去出整张芯片上的膜）→WAFERMOUNT（晶片绷膜）→WAFERSAW（切割芯片）→SECONDOPTICALINSPECTION（第二道视觉检查）→DIEBOND（芯片粘贴）→OVEN（烘烤）→PLASMACLEAN（氩气清洁）→WIREBONDER（金线键合）→THIRDOPTICALINSPECTION（第三道视觉检查）。
★ENDOFLINE（中段和后段）：
MOLD（注模）→LASERMARK（激光标注）→PMCOVEN（高温烘烤）→TINPLATING（纯锡电镀）→ANNEALING（退火）→UVCURE（清洁）→STRIP MOUNT&SAWSINGULATION（切割在框架上的颗粒）→PACKAGEPICK&PLACE（拾取和装管）。
★FINALTEST（终测）。
下面简单说明几道比较关键的工序的作用。
1.1晶片背面磨削（BACKGRINDING）：
研磨晶圆背部，减薄厚度至客户要求。
1.2切割芯片（WAFERSAW）：
切割晶圆，将晶粒分开，有利后面工序。
1.3芯片粘贴（DIEBOND）：
将分开的晶粒放置在框架上并用银胶粘着固定。
1.4金线焊接（WIREBOND）：
按照客户要求，将金线焊接到指定的焊点上，以完成电路的互连
1.5注模〔Molding〕：
将芯片用模具塑封起来。
第2章金丝球焊线机〔工艺与设备〕简述
2.1引线键合工艺介绍
1：
〔定义〕引线键合就是用非常细小的线把芯片上焊盘和引线框架（或者基板）连接起来的过程。
2：
〔原理〕WB过程中，引线在热量、压力或超声能量的共同作用下，与焊盘金属发生原子间扩散达到键合的目的。
3：
有两种引线键合技术：
球形焊接（ballbonding）和楔形焊接（wedgebonding）。
对这两种引线键合技术，基本的步骤包括：
形成第一焊点（通常在芯片表面），形成线弧，最后形成第二焊点（通常在引线框架/基板上）。
球形焊接工艺流程基本的球形焊接工艺包括以下步骤：
第一点焊接（通常在芯片表面）线弧成型到第二点焊接（通常在引线框架/基板的表面）。
对于楔形焊接，引线在压力和超声能量下直接焊接到芯片的焊盘上。
两种键合的不同之处在于：
球形焊接中在每次焊接循环的开始会形成一个焊球（FreeAirBall，FAB），然后把这个球焊接到焊盘上形成第一焊点；
4：
〔主要运用〕丝球焊是引线键合中最具代表性的焊接技术，它是在一定的温度下，作用键合工具劈刀的压力，并加载超声振动，将引线一端键合在IC芯片的金属法层上，另一端键合到引线框架上或PCB的焊盘上，实现芯片内部电路与外围电路的电连接，由于丝球焊操作方便、灵活、而且焊点牢固，压点面积大（为金属丝直径的2.5－3倍），又无方向性，故可实现高速自动化焊接。
而其中丝球焊
广泛采用金引线，金丝具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，广泛应用于集成电路。
5：
引线键合大约始源于1947年。
如今已成为复杂，成熟的电子制造工艺。
根据引线不同，又可分为金线、铜线、铝线键合等。
根据键合条件不同，球键合可分为热压焊、冷超声键合和热超声键合．
热压焊（TC）是引线在热压头的压力下，高温加热（>250℃）发生形变焊接。
它首先将穿过以氧化铝、碳化钨等高温耐火材料制成的毛细管状键合工具（BondingTool/Capillary,也称为瓷嘴或焊针）的金属线末端以电子点火（ElectricalFlame-off,EFO）或氢焰（HydrogenTorch）烧灼成球，键合工具再引导金属球至第一键合点位置上借热压扩散键合效应进行球形键合（BallBond）
超声焊（U/S）在不加热（通常是室温）利用楔焊工具的超声运动，在楔焊工具的压力下，发生形变焊接。
热压超声焊（TS）焊接工艺包括热压焊与超声焊两种形式的组合。
在焊接工具的压力下，加热温度较低（低于TC温度值，大约150℃），与楔焊工具的超声运动，发生形变焊接。
热超声键合常为金丝球键合，因同时使用热压和超声能量，能够在较低的温度下实现较好的键合质量，从而得到广泛使用。
6：
〔附属讲解〕超声波焊接另称"键合"，是利用超声频率（16～120kHz）的机械振动能量，连接同种或异种金属、半导体、塑料及陶瓷等的一种特殊的焊接方法，是以键合楔头（Wedge）引线金属线使其迫紧于键合点上，再输入20kHz至60KHz,振幅20μm至200μm的超声波，借助声波震动与迫紧压力产生冷焊效应而完成键合，输入的超声波除了能磨除键合点表面的氧化层与污染之外，主要的功能在形成所谓的声波弱化（AcousticWeakening）的效应，以促进接合界面动态回复（DynamicRecovery）与再结晶（Recrystallization）等现象的发生而形成键合。
超声波焊接现已广泛地应用于集成电路、电容器、超高压变压器屏蔽构件、微电机、电子元器件及电池、塑料零件的封装等生产中。
与传统的焊接技术相比，超声波焊接技术具有高速、高效和高自自动化等优点，成为半导体封装内互联的基本技术。
超声波键合
7：
〔主要〕所谓热超声焊，往往是需要采用加热的方式，通过加热块对工件进行加热，所以焊接温度往往成为需要控制的工艺参数。
此外，该工艺需要对焊接金属丝（主要是金线）末端通过火花放电和表面张力作用预先烧制成球，故又成为金丝球压焊，所以对放电电流、时间和距离的控制也是要求比较高的。
我们采用热压超声波键合，即超声波键合与热压键合的混合技术，热声引线接合器工艺要求热、超声功率和力。
金球和芯片焊盘上的铝在热作用下，同时施加超声功率，压到一起，结果得到金属间的连接（熔焊）。
该工艺往往大量运用于大规模、超大规模集成电路的内互联，是一种比较成熟的工艺。
8：
金丝球焊是最常用的方法，在这种工艺中，一个熔化的金球粘在一段线上，压下后作为第一个焊点，然后从第一个焊点抽出弯曲的线再以新月形状将线（第二个楔形焊点）连上，然后又形成另一个新球用于下一个的第一个球焊点。
金丝球焊被归为热超声工艺，也就是说焊点是在热（一般为150℃）、超声波、压力以及时间的综合作用下形成的。
图1：
球形焊接步骤
BallBondingProcessFlow
在球形焊接循环的开始，焊接工具（劈刀）移动到第一点焊接的位置。
第一点焊接通过热和超声能量实现在芯片焊盘表面焊接一个圆形的金属球。
之后劈刀升高到线弧的顶端位置并移动形成需要的线弧形式。
第二点焊接包括针脚式键合（stitchbond）和拉尾线（tailbond）。
第二点焊接之后进行拉尾线是为了形成一尾线（wiretail），是为下一个键合循环金属球的形成做准备。
焊接工具（劈刀）升高到合适的高度以控制尾线长度，这时尾端断裂，然后劈刀上升到形成球的高度。
形成球的过程是通过离子化空气间隙的“电子火焰熄灭”（ElectronicFlame－off，EFO）过程实现的，形成的金属球就是所谓自由空气球（FreeAirBall，FAB）。
9：
因为在第一焊点到第二焊点间的拱丝没有方向的限制，这使得球形焊接拱丝非常灵活。
另外球形焊接也能实现非常好的精度控制。
对于精确的焊点，焊线机需要能够进行识别和维持精确性，调整视觉系统的光学中心和设备中心的误差。
在球形焊接中仅仅需进行X和Y方向的补偿，引线轮廓主要由引线和拉弧参数决定。
拉弧参数包括劈刀运动轨迹、引线长度、转角、转角长度和运动速度。
合理的拉弧参数可以降低引线轮廓高度，减少蠕动，增强可靠性。
图5是一种拉弧方式的示意图。
10．引线键合线弧技术
有两种基本的拱丝类型：
前向拱丝（ForwardLoop）和反向拱丝（ReverseLoop）
前向拱丝工艺打第一焊点在芯片焊盘上，然后在引线框架上进行第二焊点。
反向拱丝与前者不同，先在芯片焊盘上打一个凸点（Bump），在形成凸点之后，在基板上进行球焊，然后在凸点上进行针脚式键合（stitchbond）。
低线弧的要求促进了反向拱丝的发展，虽然它比正常的前向拱丝效率低一些。
目前通常的线弧方式都是前向拱丝方式，但是对于一些高级的封装形式，前向拱丝方式不能满足越来越高的要求，为此就需要使用反向拱丝方式。
下面具体分析两种拱丝方式的特性和区别。
10.1前向拱丝
前向拱丝需要在球形键合位置有较高的线弧高度以保证与下面的引线之间足够的间距。
传统的前向拱丝键合工艺由于操作时间最短而受到欢迎，但是它并不适用于超低线弧的情况。
金线HAZ区域在球形焊点之上，如果拱丝过低，线弧容易在球形键合的颈部断裂，会造成金线拉拔强度过低，甚至导致封装可靠性不良，因此一般的正向拱丝线弧的高度比较高（大于100um）。
为了使得传统的拱丝能满足低线弧的要求，开发出了一些新的拱丝技术，通过调整线弧形状的办法来避免反向动作可以起到一定的作用，可以通过加强反向动作，弯曲第一次键合位置的顶部为最终的线弧来行程一个高度较低的起点，这样可以制作超低线弧，但是形成这种线弧需要劈刀进行额外的动作，降低了引线键合的效率。
虽然这种线弧可以消除颈部断裂的可能性，但是代价是牺牲了第一次键合点的抗拉强度。
10.2反向拱丝
另一种线弧成型的选择是反向键合或者针脚支撑键合（SSB）线弧，这属于反向拱丝技术。
由于工艺过程最慢，反向拱丝线弧在量产中很少被采用，另外，将引线反向键合到芯片表面上也会产生引线与芯片边缘和上层引线之间的间距问题。
为了解决与芯片边缘的间距问题，可以采用改进凸点的方法，即首先在芯片键合焊盘上制作出凸点来提高线弧的高度。
线弧技术的发展，尤其是超低线弧的实现，使得堆叠式芯片和多排引线键合的设计和应用成为可能。
前向拱丝和反向拱丝技术的结合使用，能设计出多种堆叠式芯片的结构，满足高性能封装的要求。
2.2引线键合机的介绍
２.２.１引线键合机设备作用
图（２－１） 例机：
Kulicke&SoffaMaxum-UItra
引线键合设备是通过Capillary（陶瓷细管）引导GoldWire（金线）在三维空间中作复杂、高速的运动以形成各种满足不同封装形式需要的特殊线弧形状，将已做好电路的芯片快速粘接于引线框架上的设备。
a.金球引线键合（GoldBallWireBonding）
对于封装互连部分，金球引线键合设备构成固定资产的最大部分。
金引线比其它键合材料具有许多优点。
金是现有最好的室温导体，具有杰出的传热性。
它的特性大大地限制了氧化和腐蚀，确保在无尘室条件下得到一个可靠的引线键合工艺，而不要求保护性气体。
热超声引线键合器工艺要求热、超声功率和力，金球和芯片焊盘上的铝在热作用下，同时施加超声功率，压到一起去。
结果得到金属间的连接（容焊）。
对于基于铜引线框架的元件，典型的键合温度大约为180℃—250℃。
有机基板（BGA）要求温度，大约100℃—150℃。
在相同的频率上较高的超声功率补偿较低的键合温度，以保证坚固和高剪切力值（键合的球从铝焊盘上移开所要求的力）。
在今天的生产中最常使用的金引线是25.4微米（1mil）。
引线键合是一个复杂的装配操作。
几百根引线必须完美地定位在芯片上，并焊接到外界。
由于更高的集成化，芯片焊盘之间的距离变得越来越小。
一个键合球到焊盘的失误都会造成故障连接，戏剧性地减低生产效率。
金球引线键合的灵活性和可靠性使它成为最广泛使用的技术。
b.循序渐进的键合工艺
在硅片安装到引脚框架（leadframe）或基板之后，互连工艺开始了。
引线键合器将金球焊接到芯片上，把细小的金线连接到引脚并键合。
成功的超密键合要求许多条件,包括一致的无空气球的成型、闭环键合工艺控制、低于4µm的球放置精确度、高生产率、高频率、精确的与可重复的引线连结、合灵活的材料处理。
〔1〕一致的无空气球的形成：
电子火焰熄灭（EFO，electronicflame—off）单元的精确控制的电流／电压对无空气球（free－airball,在键合工艺中实际成形之前的熔化球）的形成有直接的影响。
EFO产生熔化金引线的尾端形成小球的火花。
〔2〕闭环键合工艺控制：
不变的球与榫的尺寸对于连接品质是重要的。
所形成的球尺寸稍微的变化都会造成合格率损失。
在键合期间，键合力，以及超声波能量，是闭环控制的（即施加的键合力是按照预设定的值检查合控制的）。
这个键合力合超声波能量的过程控制系统与相同的方式精确的形成每一个球和榫；它保证在芯片焊盘和引线手指上的球和榫的最佳连接。
４µm以下的精确的球的贴装：
考虑到超密间距的工业需求，球贴装是一个关键的因素。
想象一下一个４５µm的芯片焊盘开口，放一个３５µm的键合球：
定位该球的贴装范围只有±５µm。
大多数精密的键合贴装可以通过使用空气轴承技术来达到。
空气轴承没有象线性轴承的滑动黏附现象（当静态摩擦突然出现时的不可预见的键合头停顿）。
空气轴承的键合头准确的停在正确的位置，不管速度如何。
高分辨率的直Ｘ／Ｙ／Ｚ位置测量和一个精密的焊盘识别系统是准确的球贴装的另外前提。
另外，在设备上的温度补偿系统最后补偿键合头零件的温度膨胀，以防止几个微米的贴装偏移。
在机器内使用的闭环贴装纠正，在做超密键合时，纠正最后的误差。
〔3〕高频率：
ＢＧＡ封装中持续的趋势产生对较低键合温度的需求。
在键合工艺中应用的超声波频率增加可以补偿温度的下降。
〔4〕连结：
为了满足现在生产中超密间距的要求，精密的和可重复的引线连结是需要的。
基本的是，在键合头上的毛细管完成球和榫之间准确的轨线。
任何缠绕的和松弛的引线都会产生相邻引线之间的短路。
由于ＩＣ的缩小减少了硅的大小，较长的引线自动的补偿到榫座的较长距离。
〔5〕材料处理：
在自动引线键合设备上，料盒（Magazine）处理器将料盒拾取，带到分度器（Indexer）。
然后基板被推出到分度器的倒轨之间。
分度器将引线框架传送倒完全可变程的工件夹具，该夹具在键合期间将框架固定在位。
在键合之后，工件移动一个输出堆叠料盒内。
c.设备原理
由Kulicke&Soffa有限公司研发的WireBonder－MaxµmUltra全自动引线键合机（如图１）是金丝球引线键合机，其工作原理是使用电火花使金丝端部成球形，然后对金丝和压焊点（芯片上的铝电极和基座镀银或金的引线）同时加热、加超声，使接触面产生变形并破坏了界面的氧化膜使其活性化，最后在IC芯片上完成球焊，在管壳基片上完成楔焊。
完成芯片和管壳的连接。
高性能、高可靠性、高稳定性是电子元器件的生命线，而元器件封装是保证其高可靠性的直接因素，其中键合设备是封装环节最关键的设备。
键合机的原理是将用集成式平面工艺制造的需进行电性外连接的元器件芯片固定在引线框架上，对其进行外引线焊接，其中芯片可以是复杂的集成电路芯片，也可以是简单的分离器件芯片（如三极管芯片等）。
因此键合效果的好坏（如引线焊点、压力一致性等）将直接影响器件的可靠使用。
键合的过程是机械电气软件全面配合的过程，光学和图像系统完成自动定位，x、y、z工作台和精密定位驱动完成复杂空间拉弧运动，MHS物料系统完成自动上下料，EFO电子打火形成金球，在超声波和热台以及键合压力的作用下完成焊点焊线过程。
各个部分的校正组成了整个设备的校正系统。
键合机工作原理简图见图（２）.
伺服工作台
EFO电子打火
引线供给USG超声波
工作台
MaterialHandingSystem（物料系统）
图（２－２）键合机工作原理图
2.２.２校正系统
a.伺服系统校正
伺服校正是调整或调和x、y与z轴的伺服增益，有关键合头的所有移位均是此项校正数值。
因此所有依赖焊线头作为校正工具的校正项目需要先执行伺服校正，以达到最佳的校正成效。
整个伺服系统是由直线电动机、直线电动机驱动，以及运动控制卡组成。
b.图像系统校正（PictureReviseSystem）
图像辨识功能在提供图像所包含的像素多少与实际物理位置距离之间的相对关系。
这些信息是将被用在PRS位置位移的计算。
除非PRS校正已经完成，否则眼点（eyepoint）将无法被识别。
不好的PRS校正可能造成焊点不准确。
焊点位置可能从一个产品到下个产品间形成不规则性的偏移，特别是在靠近眼点附近的焊点，焊点不准确或偏移的情形将较严重。
图像系统校正主要是由工作台实际坐标向图像的映射。
校正后的图像系统将对应精确的图像坐标和工作台坐标的关系，使得焊点更为准确。
c.物料系统校正（MHS）
物料系统的可靠性、精度和效率关系整个设备的可靠性、稳定性、精度和效率。
所以物料系统的校正在整个设备中也非常重要。
其中包括热台压板电机校正、前后导轨电机校正和进出料电机校正。
d.热台压板电动机校正
热台是键合机工作的中心，要加工的芯片将放置在热台上。
校正热台是为了得到合适的热台工作高度。
因为热台的工作高度和Z电动机的工作水平工作点是一致的。
在校正好Z电动机水平工作原点的基础上让Z电动机走到水平工作原点，然后点动热台电动机到Z电动机水平工作原点直到接触，通过检测Z电动机的电流可以检测热台电动机是否接触。
此位置便为热台电动机的工作位置。
校正过热台电动机位置后，让热台电动机到工作位，点动压板电动机到接触热台电动机，此位置减去可设定的料条厚度和加上一定量的变形量便是压板电动机的工作位。
此形变量为在不影响破坏料条和焊接的情况下得出的最好压合效果的统计结果。
e.前后导轨电动机校正
轨道的校正在定义出前后轨道的原点位置到焊线区中心位置的距离（工作台的y方向）。
在校正过伺服系统、PRS以及键合头十字坐标的基础上，把十字坐标移动到热台后位置处和热台前位置处，这样便得到热台中心和伺服系统x、y坐标的关系，记录热台中心的坐标。
然后把前后导轨电动机分别运动到初始位（已经定义好的不会接触热台的位置）。
然后把十字坐标移动到前后导轨的初始位，建立前后导轨原点坐标和伺服系统坐标的关系，然后和热台中心的坐标对应起来。
把热台中心和前后导轨统一建立在伺服系统的坐标下。
f.进出料电动机校正
进出料电动机的校正为在空料盒的情况下使用特定夹具使得进料部分的进料口和出料部分的出料口和导轨面保持水平。
g.键合头十字坐标校正
键合头十字坐标校正是针对由光学镜头所标识的位置与实际上劈刀接触工作表面的x轴与y轴的打点位置补偿。
此项补偿在确保镜头所看到的影像标点与实际上劈刀接触物体表面的位置是同一个。
校正过程为在物体表面上打一点（x0，y0），然后通过图像系统看到的实际点与键合头十字坐标不一致，把键合头十字坐标移动到所打到的实际点上，这时的坐标为（x1，y1）。
校正的补偿值为：
Δx＝x1－x0（8）
Δy＝y1－y0（9）
校正后的系统x、y坐标每点补偿Δx、Δy。
h.EFO打火高度校正
EFO用于球键合工艺中引线球的形成。
第二点楔键合后，尾丝在电弧放电后熔化，受到重力、表面张力和温度梯度的作用，形成球体。
尾丝的长度受第二键合点工艺参数的影响，因此第二点键合将影响到下一个第一点键合的质量。
熔球与引线的直径比对第一键合点尺寸的影响非常大。
在引线材质不变的条件下，熔球直径由放电电流、放电时间、放电距离和
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