金线键合工艺的质量控制KSY版Word文档格式.docx

1、半导体器件（光电传感器）LED芯片是采用金球热超声波键合工艺，即利用热能、压力、超声将芯片电极和支架上的键合区利用Au线及Ag线试作中（Cu线也在试验中）对应键合起来，完成产品内、外引线的连接工作。也是当今半导体 IC行业的主要技术课题，因为在键合技术中，会出现设备报警NSOP/NSOL等常规不良，焊接过程中的干扰性等不良，在半导体行业中，键合工艺仍然需要完善，工艺参数需要优化等，键合工艺技术在随着全球经济危机下，随着原材料工艺变革和价格调整下不断探索Bonding新领域的发展。已经建立了相对晚上的Bonding优化条件的体系中，在原材料的经济大战中，工艺技术将进一步推动优化Bonding条件

2、体系二 技术要求2.1 键合位置及焊点形状要求 （1）键合第一焊点金球Ball不能有1/4的Bonding到芯片电极之外，不能触及到P型层与N型层分界线。如下图1所示为GaAs单电极芯片Bonding 状态对比Photo： （2） 第二焊点不得超过支架键合区域范围之内，如图2所示.（3）第一焊点球径A约是引线丝直径的3.5倍（现行1.2MIL金线使用，Ball Size中心值控制在105um）左右，金球Ball形变均匀良好，引线与球同心，第二焊点形状如楔形，其宽度D约是引线直径的4倍（即目标值：120um）左右，球型厚度H为引线直径的0.60.8倍。金球根部不能有明显的损伤或者变细的现象，第二

3、焊点楔形处不能有明显裂纹。图3为 劈刀作用金球形变Ball形态的示意图。图4 第二焊点形状：（4）键合后其其他表现技术要求规范： 无多余焊丝，无掉片，无损伤芯片，无压伤电极。芯片表面不能有因键合而造成的金属熔渣、断丝和其他不能排除的污染物。Loop拱丝无短路，无塌丝，无勾丝。2.2 拉力测试 拉力测试被广泛用在热超声焊线中，它是一种破坏性的测试，能够测试出最薄弱的断点，测试点和Loop拱线的特点直接影响测量数值得大小。测试方法：在键合金线的下方施加一个向上的拉力使键合部从芯片表面被拉开，并对拉力的大小进行测量。拉线测试所需设DAGE4000系列拉力测试治具：拉线测试设备（键合力度拉扯测试设备）

4、，主要由两部分构成，1）由一机械装置驱动一拉钩产生一向上的拉力，2）经校准后的力度测试装置，用来测量金线从芯片表面拉开时的力度。该力度一般用gF（克力）来表示。2.2.1 拉力测试位置用DAGE 4000拉力测试治具，测定杆的标准测定位置是金线长度的1/2，实际测定过程中，更真实检测1st/2nd 位置的Bonding焊接强度，选折靠近1st点的为位置和靠近2nd 的位置进行测定，测定的数值为1st/2nd 拉力强度。具体测定位置如下图：进行1st 拉力测试时，要判定拉力和断线模式。断线A/E模式，抽取的料盒为非正常品处理。进行2nd 拉力测试时，要判定拉力和断线模式。断线D/E模式，抽取的料

5、盒为非正常品处理。 LED行业键合金线拉力及断点位置要求一般为:拉线时第第一点金球不能与电极之间脱开，第二点楔形不能与支架键合区脱开，即此时不论拉力F为何值都判定不合格。如其他点断开，金丝直径25um拉力值F5g为合格，金丝直径30um拉力值F7g为合格。2.3 剪切测试如于焊线完成后会进行破坏性试验,包括拉力测试（Pull Test）,金球推力测试（Ball Shear Test）以确定焊线之品质.而在封胶之后,则以X光（X-Ray）来检视胶体内部之金线是否有移位或断裂之情形等等.金球剪切失效模式同样需要被记录，为如下之一，1）金球掀起，2）金球被推离，3）火山口（金球被推离表面，带起芯片表

6、面，导致芯片材料-硅显露出来，形成火山口一样的凹坑），4）键合表面分离（键合表面与芯片材料之间的分离）。因剪切刀头放置位置错误而产生的读数是无效的，不应供分析使用。 剪切测试一般用于半导体封装流程的前段，其为监控生产能力与稳定性的重要标准之一，一般为SPC测试中的重要一项。三 键合工艺条件3.1 键合温度 键合温度能够帮助移除表面污染物，如潮气，油，水蒸气等，增加分子的活跃程度有利于合金的形成。但是过高的温度不仅会产生过多的氧化物影响键合质量，并且由于过高的热应力应变的影响，图像监测精度和器件的可靠性也随之下降。在实际工艺中，温控系统都会添加预热区、冷却区，提高控制的稳定性。目前LED芯片键合

7、机台键合温度一般设置在180度250度,而现况为了提高产能与效率，加强键合的稳定性，轨道温度控制在270度土10度这样一个水准。为了推进Ag wire/Cu Wire 适应现阶段原材料价格节减，轨道温度控制在200度左右可能，以来容错引线在Bonding过程中的氧化程度和抑制机头异物的增加。3.2 键合机台压力/功率超声功率使焊线和焊接面松软，产生热能，形成分子相互嵌合合金，改变球形尺寸。超声功率对键合质量和外观影响最大，因为它对键合球的变形起主导作用。过小的功率会导致过窄、未成形的键合或尾丝翘起；过大的功率导致根部断裂、键合塌陷或者焊盘破裂。超声功率和键合压力的相互关联的参数，增大超声功率通

8、常需要增加键合力使超声能量通过键合工具更多的传递到键合点处。因此在生产过程中设置键合机台压力和功率时，需要将两者密切综合考虑，根据机台型号以及生产工艺中遇到的实际情况进行灵活设置，努力寻找到最佳的搭配组合。3.3键合时间键合时间是指控制超声能力作用的时间，通常LED芯片键合机台时间设置在820ms。一般来说，太短的焊线时间无法形成良好的合金，焊线时间过长是导致拉力不良或芯片电极损伤的原因。键合时间越长，引线球吸收的能量越多，键合点的直径就越大，界面强度增加而颈部强度降低，会使键合点超出焊盘边界并且导致空洞生成概率增大。因此设置合适的键合时间也显得尤为重要。焊接作用的键合时间，对Ball She

9、ar影响趋势图如下：四键合工具与原材料4.1 劈刀键合劈刀的选折和使用磨损状况对于焊点的质量有着重要影响，劈刀的寿命一般为200万点。随着劈刀使用焊点数的增加，劈刀磨损也越来越严重。下图为新劈刀从开始使用到3500K焊点的外观磨损变化对比图片。而随着劈刀磨损，其焊点的质量也逐渐变差，下图为第一、二焊点外观状况随劈刀焊接点数增加的变化对比图片：可以看出常规状态下，劈刀与第二点焊接变化有着密切关系，而随着原材料成本价格不断上升，工艺技术的改善的同时，却难以越长劈刀的寿命，上记试验结果无法与实际结合，取得实际理想的效果。经过大量的设备量产管控呈现的结果，实际劈刀的寿命是上记试验结果的1/10倍，主要

10、原因为劈刀TIP异物附着，缩短的劈刀的使用寿命。劈刀使用完了及清洁后状态如下：从做过的成分分析结果来看，TIP上的异物成分有金属Ag；C；O；CL等物质，物质的来源确认评价，主要集中1）L/F表面；2）金线；3）Cleanroom环境 4）化合生成 等方面。因为工场工程中没有得到确切有效的数据评估，无法降低异物的来源，所以工程品质管控加强对键合机台的清洁清扫，特别是Wire轨道的清扫频度加大。作为工程技术人员，曾提到劈刀的专业化清洁再利用延长劈刀寿命，导入清洁设备和能够合作的公司没有得到落实，所以工程一直维持劈刀的寿命缩短化来满足产品品质要求。这是一个技术难题，现况中也在不断的促进其他的适用方

11、法来提供洁净度，提高劈刀的使用寿命。如果Ag Wire/Cu Wire导入生产使用的时候，专业化劈刀的使用，以及键合工艺的变化，金线Bonding中产生的氧化物减少和劈刀价格问题会促使的寿命增加展望。4.2 金丝金丝作为一个重要的原材料必须具备几个重要的特性；良好的机械性能和导电特性，合适的破断力，选折正确的尺寸，表面清洁无污染无损伤。目前LED封装行业金线直径大多选折1.0 MIL或1.2mil，纯度为99.99%，延伸率一般为2%8%，断裂负荷一般要求：1.0mil金丝大于10g，1.2mil 金丝大于16g。 太软的金丝会导致以下不良：（1）Loop拱丝下垂。（2）球形不稳定（3）球颈部

12、容易收缩（4）金线易断裂太硬的金丝会导致以下不良：（1）将芯片电极或外延打出坑洞（2）金球颈部断裂（3）形成合金困难（4）Loop拱丝弧线控制困难4.3 芯片电极对焊点的影响（1）芯片电极本身蒸镀不牢靠，导致焊线后电极脱落或者损伤。（2）芯片电极本身可焊性差，会导致焊球虚焊。（3）芯片电极表面脏污，如装架的银胶，其他物体接触芯片表面，芯片存储不当导致电极表面氧化等等。由于金属熔球与焊盘的尺寸都很小，因此对键合表面的清洁非常敏感，键合表面的轻微污染都可能导致两者间的金属原子扩散不能进行，造成失效和虚焊。现阶段可以导入Air Blow的方式嫁接到焊接机台上，尽可能对L/F和芯片表面洁净。因为对高精密器件，可能要引进等离子清洗设备，将待焊接品清洗后进入键合的工艺是不少半导体厂商应用的工艺。因为这样可以降低产品缺陷，提高键合质量。实现了品质的有效管控。结束语键合工艺是半导体器件封装业最重要的最关键的工艺技术，影响到封装成品的电性能以及可靠性。本文介绍了键合焊线和焊球的质量管控标准，对影响键合质量的键合时间、压力、功率等参数做了简单的介绍，另外还阐述了劈刀及life time，金线等工具盒原材料对键合质量的影响。参考文献：