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1、半导体封装过程wirebond中wireloop研究与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wire bond中wire loop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0.8-2.0 mils）来完成，金线wire bond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wire bond来

2、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wire sweeping, wire open.以及由wire sweeping引起的bond short.因此，我们提出对wire loop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wire loop形状的研究，可以解决：（1）金线neck broken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。AbstractDuri

3、ng the process of the semiconductor assembly, we use the Au wire to connect the peripheral circuit from the IC. (The diameter of the Au wire is very small .Usually, its about 0.8mil2mil.) And during the Au wire bonding, we can get different loop types from control the different parameters. Besides t

4、he physics characteristic of the Au wire, the loop types can also affect the repellence under the outside force. For the process of the wire bond, we hope there are some good loop types so that improve the repellence under the outside force. According to this, it can improve the good device ratio af

5、ter molding. It not only reduces the wire sweeping and the wire open of Au wires but also avoid the bond short cause by the wire sweeping. Therefore, we do the disquisition about the loop type for getting the way to improve the repellence under outside forces. This disquisition can solve the problem

6、 about:(1)Improve the neck broken of Au wire.(2)Heighten the BST data.(3)Enhance the resist force to EMC during the molding process.(4)Decrease the possibility of device broken when it be moved.Keyword: the semiconductor assembly, Au wire, wire bond, wire loop.摘要 Abstract 1 绪论 1.1 本课题研究的意义 1.2环境及实验设

7、备简介 1.3主要的研究工作 2 基础知识介绍 2.1 wire bond的介绍及基本原理 2.2 wire loop 的基本参数 2.2.1 loop type（弧型） 2.2.2 LH（弧高） 2.2.3 reverse distance(反向线弧长度) 2.2.4 RDA(反向线弧角度) 2.2.5 2nd kink(第二弯曲点) 2.2.6 2nd kink HT factor(第二弯曲点高度因素) 2.6.7 span length (水平长度) 2.3 mold 的基本概念 2.4 BPT 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 3.2.1 wi

8、re bond设备 3.2.2 BPT测试仪 3.2.3 mold设备及wire sweeping 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 4.2.1 loop type: Q-LOOP (1) 4.2.1.1 参数 4.2.1.2 BPT数据 4.2.1.3 wire sweeping测试数据 4.2.2 loop type: Q-LOOP(2) 4.2.2.1 参数 4.2.2.2 BPT数据 4.2.2.3 wire sweeping测试数据 4.2.3 loop type: SQUARE-LOOP(1) 4.2.3.1 参数

9、 4.2.3.2 BPT数据 4.2.3.3 wire sweeping测试数据 4.2.4 loop type: SQUARE-LOOP(2) 4.2.4.1 参数 4.2.4.2 BPT数据 4.2.4.3 wire sweeping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 4.3.2.1 BPT数据分析及结果 4.3.2.2 wire sweeping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.

10、3.1 S弧的转动惯量 5.3.2 Q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5.4.1 S弧模型15.4.2 S弧模型25.5转动惯量对Q弧模型的影响 5.5.1 Q弧模型1 5.5.2 Q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wire loop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*Eagle 6

11、0 wire bonder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2.1wire bond的基本原理Wire bonding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wire bond采用热超声法，其将焊件加热到200250oC,使用劈

12、刀。图2.1.2是wire bond-ball bonding的大致过程。 图2.1.2 W/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。Wire bond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：线长带来阻抗增加和电感增大，从而限制了对高频器件封装的选择

13、，另外散热性能也没有裸倒装芯片来得好。不过掌握wire bond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。2.2 wire loop的基本参数2.2.1 loop type（弧型）: 图2.2.1.1 Q-LOOP 图2.1.1.2 SQUARE-LOOP 2.2.2 LH（弧高）图2.2.2 LH = loop height（弧高）2.2.3 reverse distance(反向线弧长度) 图2.2.3 reverse distance（反向线弧长度）2.2.4 RDA(反向线弧角度) 图2.2.4 RDA=reverse distance angle（反向线弧角度）2.2.5

14、 2nd kink(第二弯曲点) 图2.2.5 2nd Kink(第二弯曲点)2.2.6 2nd kink HT factor(第二弯曲点高度因素)图2.2.6 2nd kink HT factor2.2.7 span length (水平长度)图2.2.7 span length (水平长度)2.3 mold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Epoxy Moldin

15、g Compound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。2.4 BPT测试的简单介绍BOND PULL TEST简称BPT是测量PAD和 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WIRE BROKEN力的大小，并观察是否有LEAD OPEN、PAD OPEN和METAL OPEN等不良。图2.4 Bond pull test

16、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)。Lead Frame（引线框架）采用TO-220 D-PAK的。 图 3.1 金线3.2 实验设备介绍3.2.1 wire bond设备 Wire bond 我们使用ASM*Eagle 60 wire bonder来完成。如图3.2.1:图3.2.1 ASM*Eagle 60 wire bonder3.2.2 BPT测试仪Bond pull test即通常我们所说的BPT测试，我们使用dage*SERIES 4000测试仪来得到所求数据。如图3.2

17、.2: 图3.2.2 dage*SERIES 40003.2.3 mold设备及wire sweeping 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：UPS 120N系列（N/NC/NEX/S）自动设备，如图3.2.3.1。Mold 过后的wire sweeping我们使用dage*XL 6500 x光测试仪测得。如图3.2.3.2: 图3.2.3.1 UPS120N 系列mold设备 图3.2.3.2 dage*XL 6500(X-RAY)3.3 环境条件环境温度控制范围：3

18、摄氏度（+ - 5度），湿度控制范围：50%（+ - 30%）。wire bond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：loop type（弧型）, loop height（弧高）, reverse distance（反向线弧长度）， reverse angle（反向线弧角度）, 2nd kink HT factor, pull ratio（拉力比率）, span length（水平长度）。首先，我们通过在Q，S两种弧型中分别改变loop height（弧高），span length（水平长

19、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和封装mold测试，分别得到BPT和wire sweeping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。Wire sweeping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和wire sweeping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

20、优化结果。最后，我们可以得出结论，即得到最优化的bonding loop。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4.1.1 wire bond 前 图4.1.2 wire bond后mold 前 图4.1.3 mold 后4.2实验过程及数据采集4.2.1 loop type: 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loop height10mil10mil10milReverse distance30%60%90%LHT correction151515Pull ratio0%0%0%Reverse distance A

21、ngle0004.2.1.2 BPT数据弧型 (Q型)Bond Pull Test (BPT) 数据弧型140.50936.08024.83122.53236.97343.99942.60239.21739.70638.43537.84137.667弧型238.02939.72036.77227.50926.43123.73619.85422.12324.11223.42926.27224.648弧型322.75423.86326.96426.50228.89729.81333.03633.99233.95236.49933.24734.9884.2.1.3 wire sweeping测试数据

22、弧型 (Q型)Wire sweeping 测试数据弧型12.861.422.392.652.022.842.292.092.582.692.301.19弧型23.013.463.153.813.762.342.682.572.622.593.752.81弧型34.723.092.943.422.622.923.652.952.933.651.892.854.2.2 loop type : 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loop height15mil20mil28milReverse distance60%60%60%LHT correctio

23、n151515Pull ratio0%0%0%Reverse distance Angle0004.2.2.2 BPT数据弧型 (Q型)Bond Pull Test (BPT) 数据弧型414.29715.83416.50520.53016.92822.63821.50324.41226.08429.38118.72823.710弧型522.07625.26027.17928.37225.01427.28727.23925.82327.29728.31126.00629.286弧型615.25419.25018.61422.61721.44223.37037.95641.93318.89728

24、.80123.34624.0554.2.2.3 wire sweeping测试数据弧型 (Q型)Wire sweeping 测试数据弧型42.372.722.562.653.042.461.981.741.352.642.572.01弧型52.644.983.034.622.675.522.332.983.104.744.863.81弧型62.204.222.372.212.192.253.052.802.222.963.143.424.2.3 loop type: 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Loop height10m

25、il10mil10milReverse distance60%60%60%Span length80%40%15%2nd kind HT factor (%)505050Pull ratio0%0%0%Reverse height18 18 18Reverse distance angle000Wire length factor (%)500500500LHT correction5554.2.3.2 BPT数据弧型 (S)Bond Pull Test (BPT) 数据弧型723.18324.86428.76131.84935.77338.62036.34942.35434.36732.79

26、535.35134.964弧型814.05226.10217.47622.02519.98818.73718.10220.01420.33525.42019.39327.228弧型919.59020.77218.24921.87723.64625.54125.41426.98528.58730.66025.34625.7554.2.3.3 wire sweeping测试数据弧型 (S型)Wire sweeping 测试数据弧型72.132.012.843.233.043.522.581.982.232.511.952.20弧型82.423.273.181.993.382.993.092.532.803.573.893.46弧型95.023.511.673.524.043.702.902.434.993.022.984.304.2.4 loop type : SQUARE-LOOP(2)4.2.4.1参数SQUARE-LOOP弧型10参数弧型11参数弧型12