1、研究生姓名 湯 振 凱申請學位類別工程碩士學科專業電子與通信工程研究方向半導體元器件的球焊工藝答辯委員會主席林明導師姓名學 位授予單位論 文提交日期論文答辯日期評閱人朱志宇江蘇科技大學2014 年 4 月 19 日2014年 6月 7日10289TN606級：公開號： 103030005江蘇科技大學（在職攻讀專業學位）半導體銅線鍵合工藝研究2014 年 4 月 22 日II分類號：TN606密 級： 公開學號： 103030005碩士學位論文（工程碩士）半導體銅線鍵合工藝研究學生姓名湯 振 凱指導教師朱志宇教授江蘇科技大學O 一四年四月A Thesis Submitted in Fulfill

2、ment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringResearch of semiconductor copper wire bonding processSubmitted byTang ZhenkaiSupervised byProfessor Zhu ZhiyuJiangsu University of Science and TechnologyApril, 2014 I #摘要摘要在當今 21世紀，半導體產業蓬勃發展，半導體IC和半導體器件已經在各行各業廣為使用，從衛星通信、軍事產品、信息工業至普通家用產品、

3、小家電，同時伴隨著半導體產業和器件的發展，人們的生活愈來愈便捷和智能。半導體產業在發展的過程中，分工逐漸精細，而半導體封裝產業也成為了一個在半導體產品中占據較大比例的產業，如何能夠提高半導體封裝的效率和性能，降低成本， 就擺在了所有半導體產業人員面前。隨著產品的I/O 口變多， 半導體封裝中的鍵合成本也占據著較大比例，在鍵合中采取新的材料，新的工藝，在保證產品性能和可靠性的前提下，降低材料成本，是產業發展的一個趨勢。隨著設備技術的發展，采用銅絲代替原來的金絲作為焊絲，已經成為了可能。由于金和銅的材料價格存在著較大差異，很多公司和研究人員投入了很大精力，進行各方面的嘗試，經過多年的研究，長電科技

4、已經在這方面取得了較大的突破。本文主要研究用銅絲代替傳統的金絲材料，采用新的技術和工藝參數，運用DOE試驗法， 找到了最佳的銅線球焊的工藝參數（主要是球焊功率、球焊壓力、球焊時間）窗口，加上設備的改進（原有將焊線高溫熔化時加上氫氣和氮氣保護裝置），并將做出來的成品與原來的產品進行性能和可靠性的比較，發現銅線球焊產品的主要電性能參數與原來金線產品的參數分布一致，可靠性能還能避免原有的金鋁合金的脆化現象，推進了半導體封裝產業和半導體器件的不斷發展。關鍵詞 球焊；焊接工藝；封裝；銅線球焊；可靠性Abstract IIIAbstract IIAbstractIn twenty-first Centur

5、y, the semiconductor industry with development, IC and semiconductor device has been widely used in all walks of life to carry out, from the satellite communications, military products, information technology industry and ordinary household products, small household electrical appliances, accompanie

6、d by the development of the semiconductor industry and devices, peoples life more and more convenient and intelligent.The semiconductor industry in the development process, gradually fine division, and semiconductor packaging industry has also become a occupy a larger proportion of semiconductor pro

7、ducts in the industry, how to improve the efficiency and performance, semiconductor packaging cost reduction, is placed in front of all of our semiconductor industry personnel. Along with the product I/O port number, bonding the semiconductor package also occupy a great proportion, adopt new materia

8、ls in the bonding process, new technology, in order to ensure the product performance and reliability, reduce the cost of the materials, is an industry trend. Instead of the original with gold as the wire, the wire material and technology, with the development of equipment and technology, has become

9、 possible, since there are large differences between gold and copper material prices, many companies and researchersh ave devoted great energy, trying various aspects, after years of research, with the experience accumulation, JCET technology has made a great breakthrough in this respect.This paper

10、mainly studies the copper wire instead of the traditional gold wire material, the technology and the new process parameters, plus improvement of equipment performance and reliability, compared to do out of the finished product and the original product, promote the continuous development of semicondu

11、ctor device and semiconductor packaging industry.Keywords wire bonding; bonding technology; packaging; copper ball bonding, reliability;江蘇科技大學工程碩士學位論文 #江蘇科技大學工程碩士學位論文 II I目錄摘 要 I TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark14 o Current Document Abstract II HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 第一章 緒論 1 HY

12、PERLINK l bookmark20 o Current Document 引言 1 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 國內外研究現狀、發展動態1 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 本文的內容安排3 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 第二章 半導體封裝中引線鍵合的基本原理4 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 引言 4 HYPERLINK l bookmark30 o Current Docum

13、ent 半導體封裝介紹5 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 鍵合工藝的特點 5超聲波球焊的原理 6 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 超聲波球焊的過程 7初始位置 8第一焊接檢查 9第一焊接 9拉線位置 9第二焊接瞄準 9第二焊接檢查位置 9第二焊接 9扯絲 9成球位置 10 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 本章小結10 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 第三章 超聲波球焊設備的結構和作用11

14、HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 引言 11 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document KS 公司球焊機介紹11 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 第四章 銅線超聲球焊工藝的幾個重要因素14 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 引言 14 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 銅線超聲球焊的劈刀 14 HYPERLINK l bookmark52 o Curre

15、nt Document 鍵合的工藝參數 15鍵合超聲能量 15鍵合壓力溫度時間 16 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 銅線 16 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 焊盤 17 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 本章總結 17 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 第五章 銅線工藝設備和參數的優化調整18 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 引言 18

16、HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 銅線焊接工藝要求18焊接位置 18焊點狀況 18弧度要求 18焊線要求 18芯片外觀 19鍵合強度 19 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 銅線材料的性能 19銅線的力學性能 19銅線的電性能 20銅線的熱學性能 20銅線優勢 21試驗材料及方法 21球焊機設備與改進 21用 DOE試驗法對銅線球焊參數進行改進 22 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 試驗結果與分析 30剪切力與拉力 30弧度 31可靠性 31不

17、良品 31金銅絲球焊焊點金屬間化合物生長 31金銅絲球焊焊點剪切斷裂載荷和失效模式 32金銅絲球焊拉伸斷裂載荷和失效模式 32 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 銅絲球焊產品的電性能 33銅絲球焊產品的電性能可靠性 33 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 結論 34 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 本章小結 34 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 總結與展望 35 HYPERLINK l boo

18、kmark78 o Current Document 參考文獻 36致 謝 38第一章 緒論 -江蘇科技大學工程碩士學位論文 第一章 緒論 第一章 緒論引言隨著半導體技術和產品的發展，摩爾定律接近失效的邊緣。半導體產業鏈上IC 設計、晶圓制造、封裝測試各個環節的難度不斷加大，技術門檻也越來越高，資本投入越來越大。由單個企業覆蓋整個產業鏈工藝的難度顯著加大。半導體產業鏈向專業化、精細化分工發展是一個必然的大趨勢。全球半導體產業整體成長放緩，產業結構發生調整，產能在區域上重新分配。半導體產業發達地區和不發達地區將會根據自身的優勢在半導體產業鏈中有不同側重地發展。封裝產能轉移將持續，外包封裝測試行業

19、的增速有望超越全行業。芯片設計行業的技術壁壘和晶圓制造行業的資金壁壘決定了，在現階段，封裝測試行業將是中國半導體產業發展的重點。在傳統封裝工藝中，黃金的成本占比最高。目前采用銅絲替代金絲是一個大的趨勢。用銅絲引線鍵合的芯片產品出貨占比的上升有助于提高封裝企業的盈利能力。半導體封裝的發展朝著小型化和多I/O 化的大趨勢方向發展。具體的技術發展包括多I/O 引腳封裝的BGA 和小尺寸封裝的CSP等。WLSCP和 TSV等新技術有望推動給芯片封裝測試帶來革命性的進步。隨著半導體產品腳位的變多，I/O 口的增多，對焊線材料的性能要求和成本要求也越來越高。中國本土的大型封裝測試企業為以下幾個，各有特點：

20、通富微電最直接享受全球產能轉移；長電科技在技術上穩步發展、鞏固其行業龍頭地位，產業規模全球第七；華天科技依托地域優勢享受最高毛利率的同時通過投資實現技術的飛躍。在半導體分立器件行業中，封裝成本占了很大比例，而傳統球焊材料金絲在其中占了封裝成本的較大比例。由于近幾年國際金價等原材料價格不斷上升，電子產品的小型化發展趨勢越來越明顯，分立器件產品的引腳數不斷增加，電流特性的增大、焊線絲的變多，導致金絲材料在分立器件產品成本中的所占比例越來越大。而銅金屬相對金而言，成本只是金價的1/5000， 并且從材料特性上來看，銅絲的熱傳導性和導電性能比金好，可以考慮用銅絲代替金絲。但因為銅線容易被空氣中的氧氣氧

21、化，易引起接觸不良，并且銅硬度較高，只要克服了這些困難就可以大批量的用銅線代替金線，節約大量的成本。國內外研究現狀、發展動態在半導體芯片后段封裝工藝中，用金屬線將半導體芯片上的電極焊盤與引線框架焊線工藝是一個最為重要而且具有挑戰性的工藝環節。 傳統的焊線工藝包括熱超聲焊 ， 熱壓焊 ， 超聲楔焊。超聲波壓焊(Wire Bonding) 是一種初級內部互連方法，用作連到實際的裸片表面或器件邏輯電路的最初一級的內部互連方式，這種連接方式把邏輯信號或芯片的電訊號與外界連起來。其它的初級互連方式包括倒裝芯片和卷帶自動焊接 (TAB)，但是超聲波壓焊在這些連接方法中占有絕對優勢，所有互連方式中有90%以

22、上都是用這種方法。在這個數字中又有約90%采用金線超聲波壓焊，其余的則使用鋁及其它貴金屬或近似貴金屬的材料。近些年來 , 半導體芯片的開發和生產技術發展非常迅速，單個芯片的內部連線數已增加到 600 線以上， 而且每個內部連線允許焊接的區域也隨之縮小到44 微米。 所有這些關鍵的技術參數的改變，都意味焊線工藝技術需要有一個全面的改進和提升以適應新要求，焊線工藝全面改進和提升將包括相應焊線關鍵原材料的改進，工藝參數的優化和全面質量控制。鍵合絲主要應用與晶體管、集成電路等半導體器件和微電子封裝的電極部位或芯片與外部引線的連接。銅鍵合絲由于其較高的電導率，優良的力學性能和熱學性能，在很大程度上提高了

23、芯片頻率和可靠性，適應了低成本、細間距、高引出端元器件封裝的發展，成為替代傳統鍵合絲的最佳材料。早在 10 年前， 就有人試著用銅線代替金絲作為半導體球焊的引線材料，但當時由于工藝有缺陷，對該工藝研究不是非常熟悉，在生產過程中控制不好，引起產品質量有缺陷，并且由于當時對產品的體積、密度要求、電流特性要求不是非常高，球焊間距也相對較大，對銅絲替換金絲的要求不是太迫切。但隨著近年來對產品成本、質量、電流密度的要求越來越高，金絲占整個產品比例越來越高，對銅絲成熟替換金絲的迫切需求也越來越明顯擺在半導體器件生產廠家的面前。按照2011 年世界封裝材料市場的統計：2011 年全世界封裝材料市場的規模達到

24、了228 億美元。而其中鍵合絲的市場規模大概占整個材料市場的18.9%，僅次于剛性封裝基板，位于十一種封裝材料的第二位。隨著半導體線寬從90 納米降低到65 甚至 45 納米，提高輸入輸出密度成為必需，要提高輸入輸出密度需要更小鍵合間距，或者轉向倒裝芯片技術，銅線連接時一個很好的解決方案，它可以規避應用倒裝芯片所增加的成本。以直徑為20um的焊絲為例，純銅線的價格是同樣直徑的金線的10%左右，并且隨著金價的不斷上漲，鍵合銅絲制造技術的不斷提高與應用領域的不斷擴大，這種鍵合銅絲取代鍵合金絲的競爭更加緊迫。除了較低的成本之外，銅線在導電性方面也是優于金絲的。銅線比金線導電性強33%。 就機械性能而

25、言，銅絲的強度也大于金絲的強度。銅線形成高穩定線型的能力強過金線，特別是在模壓注塑的過程中，當引線收到注塑料的外力作用時，銅線的穩定性強過金線，原因是因為銅材料的機械性能優于金材料的機械性能。正因為如此，所以應用要認真研究銅線鍵合工藝。與金絲球焊技術相比，銅絲球焊技術中存在幾個主要問題亟待解決：銅絲易氧化，氧化后可焊性差。由于銅線自身的高金屬活性，銅線在高壓燒球時極易氧化。銅的氧化有兩種情況，一種是在室溫下由于其外表面長期與空氣接觸而產生的氧化現象，其成分是CU2O， 另一種是在焊接過程中高溫作用下銅與氧氣發生的反應，其成分為CUO，銅線在焊線過程中存在這2 種氧化物，影響了銅線的焊接性能。銅

26、絲及銅球硬度高，在鍵合過程中易對芯片形成損傷，造成彈坑，而這種彈坑比較難以發現，產品在產線上檢測測試時可能還是好品，但隨著時間的變化和使用的外界環境的影響，而最終形成開短路或者軟擊穿，帶來一系列的可靠性問題；形球過程中銅球表面易形成銅氧化物層；封裝后銅絲易受到塑封材料中鹵化物的腐蝕，造成可靠性不合格，焊線形成虛焊等，正是因為存在這些問題，所以必須要研究利用銅線作為鍵合絲的工藝技術，揚長避短， 形成可靠的電性和機械物理性能的連接，從而適應半導體行業和器件的發展。本文的內容安排本課題主要研究了在半導體產品封裝鍵合的工藝中，用銅線球焊的工藝代替傳統的金線焊接工藝，在大規模工業化生產中，克服銅線材料的

27、容易氧化和硬度高的弊端，采用設備改進和工藝參數調整的方法，取得產品的更高性能價格比。本文以 K&S 公司的打線機設備為基礎，詳細介紹了工藝參數和設備改進方法，并研究了產品的電性能、可靠性性能等，對打線過程中出現的問題提出了改進方法，并付諸實施，明顯改善了產品的穩定性并提高了產品的性能價格比，保證了產品質量，提高了公司的信譽度和知名度。第 1 章首先介紹了課題研究背景、國內外研究現狀及發展動態、并闡述了本文主要研究內容。第 2章首先介紹半導體封裝引線鍵合的原理和概念，介紹了半導體封裝的各個工藝流程，指出了引線鍵合的特點，超聲波球焊的原理，詳細介紹了超聲波球焊的過程，并分析了其基本工作原理。第 3

28、 章介紹了KS公司的球焊設備的工作原理和主要關鍵部分的結構。第 4 章討論了銅線超聲球焊過程中銅球形成的原理和銅絲氧化的機理，首先介紹了劈刀對銅線超聲球焊的影響，然后介紹了超聲球焊過程中各個參數對銅線球焊過程的影響。第 5 章討論了優化調整銅線產品工藝參數和設備的方法，并針對產品進行了性能和可靠性對比。首先介紹了銅線工藝要求和標準，然后討論了如何改進焊線設備，消除弊端，討論了試驗材料和方法，并對球焊設備進行了具體的調整與優化，對參數進行了試驗和研究，并對生產出來的產品進行了綜合性能的評估，包括電性能和可靠性方面。第二章 半導體封裝中引線鍵合的基本原理2.1 引言自然界的物質，按導電能力的強弱可

29、分為導體、絕緣體和半導體三類。物質的導電能力可以用電導率或電阻率 來衡量，二者互為倒數。物質的導電能力越強，其電 TOC o 1-5 h z 導率越大，電阻率越小1。導電能力很強的物質稱為導體。金屬一般都是導體，如銀、銅、鋁、鐵等。原因是其原子最外層的電子受原子核的束縛作用很小，可以自由移動，成為自由電子。在外電場個用下，自由電子逆電場方向運動而形成電流。導體的主要特征是電阻率很小，例如銅的電阻率為1.75 10-8m。絕緣體是導電能力極弱的物質。這種物質的核外電子被束縛得很緊，因而不能自由移動。如橡膠、塑料、陶瓷、石英等都是絕緣體。絕緣體的電阻率大于1014m。半導體是導電能力介于導體和絕緣

30、體之間的物質。其電阻率在10 1013m之間。如硅、 鍺、 硒、 砷化鎵等都屬于半導體。例如， 在 27時， 純硅的電阻率為21 108m；純鍺的電阻率為47 108m。本章重點研究的是半導體產品的制程。半導體產品從原材料加工成為可以使用的半導體器件需要經過半導體芯片設計、半導體芯片制程和半導體產品的封裝測試等主要 3個方面的流程。芯片設計主要是由設計者通過了解當前的工藝能力，根據電子產品線路的需要，利用計算機工具軟件，對芯片的功能和具體線路圖進行設計。芯片流片廠主要是通過現有的大規模投資，具備了時代最前沿的設備和工廠，根據芯片設計者的要求，將硅片通過光刻、掩模、腐蝕、擴散、再光刻、掩模、腐蝕

31、、擴散、蒸鋁等步驟，將單純的硅片變成具有特定功能的半導體芯片2。因為芯片本身比較脆弱，并且對環境要求很高，不能直接在線路板上使用，所以必須要通過封裝等工藝將芯片本身封裝起來，并且引出電性腳出來，便于使用時候與外部線路進行電路的連接。最后還需要對產品進行電性測試，正品出貨給客戶使用。隨著科技的進步，產業化也趨向于專業加工生產為主，在現代的半導體企業中，一般都具有比較大型的企業對這些步驟進行加工：如專門進行芯片流片的中芯國際、華虹 NEC、臺積電、臺聯電等，這些都是芯片制成中的大型企業，而專門以封裝測試為主的也有一些，如臺灣的日月光、美國的Amkor、大陸的長電科技等都是業界的專業工廠。本文這里主

32、要研究封裝工序中最重要的一個工序：焊線。第二章 半導體封裝中引線鍵合的基本原理 -江蘇科技大學工程碩士學位論文 2.2 半導體封裝介紹半導體封裝是指將通過測試的晶圓按照產品型號及功能需求加工得到獨立芯片的過程。封裝過程為：來自晶圓前道工藝的晶圓通過劃片工藝后被切割為小的晶片( Die)，然后將切割好的晶片用膠水貼裝到相應的基板(引線框架)架的小島上，再利用超細的金屬(金錫銅鋁)導線或者導電性樹脂將晶片的接合焊盤(Bond Pad)連接到基板的相應引腳(Lead)，并構成所要求的電路；然后再對獨立的晶片用塑料外殼加以封裝保護，塑封之后還要進行一系列操作，封裝完成后進行成品測試，通常經過入檢 In

33、coming、測試Test和包裝Packing等工序，最后入庫出貨3。具體流程如下圖 2.1 所示。2.1 半導體封裝流程圖Fig2.1 semiconductor packaging flow chart2.3 鍵合工藝的特點如上圖2.1所示工序中，焊線是將芯片的內引線通過金屬線鍵合工藝，連接到半導 體 IC 或 器 件 的 外 引 腳 的 工 序 ， 該 焊 線 工 藝 一 共 分 為 3種 ： 熱 壓 鍵 合(Thermo compression Bonding)，超聲波鍵合(Ultrasonic Bonding與熱壓超聲波鍵合(Thermo sonic Bonding)。 熱壓鍵合是引

34、線在熱壓頭壓力下，高溫加熱(250 )金屬線發生形變，通過對時間、溫度和壓力的調控進行的鍵合方法4。鍵合時，被焊接的金屬無論是否加熱都需施加一定的壓力。金屬受壓后產生一定的塑性變形，而兩種金屬的原始交界面處幾乎接近原子力的范圍，兩種金屬原子產生相互擴散，形成牢固的焊接。超聲波鍵合不加熱（通常是室溫），是在施加壓力的同時，在被焊件之間產生超聲頻率的彈性振動，破壞被焊件之間界面上的氧化層，并產生熱量，使兩固態金屬牢固鍵合。這種特殊的固相焊接方法可簡單地描述為：在焊接開始時，金屬材料在摩擦力作用下發生強烈的塑性流動，為純凈金屬表面間的接觸創造了條件。而接頭區的溫升以及高頻振動，又進一步造成了金屬品格

35、上原子的受激活狀態。因此，當有共價鍵性質的金屬原子互相接近到以納米級的距離時，就有可能通過公共電子形成了原子間的電子橋， 即實現了所謂金屬 “鍵合” 過程 5。 超聲波焊接時不需加電流、焊劑和焊料，對被焊件的理化性能無影響，也不會形成任何化合物而影響焊接強度，且具有焊接參數調節靈活，焊接范圍較廣等優點。熱壓超聲波鍵合工藝包括熱壓鍵合與超聲波鍵合兩種形式的組合。就是在超聲波鍵合的基礎上，采用對加熱臺和劈刀同時加熱的方式，加熱溫度較低（大約150 ）， 加熱增強了金屬間原始交界面的原子相互擴散和分子（原子）間作用力，金屬的擴散在整個界面上進行，實現金屬線的高質量焊接。熱壓超聲波鍵合因其可降低加熱溫

36、度、提高鍵合強度、有利于器件可靠性而取代熱壓鍵合和超聲波鍵合成為引線鍵合的主流。引線鍵合有兩種基本形式：球形鍵合與楔形鍵合。這兩種引線鍵合技術的基本步驟包括：形成第一焊點（通常在芯片表面），形成線弧，最后形成第二焊點（通常在引線框架基板上）。兩種鍵合形式的不同之處在于：球形鍵合中在每次焊接循環的開始會形成一個焊球，然后把這個球焊接到焊盤上形成第一焊點，而楔形鍵合則是將引線在加熱加壓和超聲能量下直接焊接到芯片的焊盤上7。2.4 超聲波球焊的原理球形鍵合時將金屬線穿過鍵合機毛細管劈刀（capillary） ， 到達其頂部，利用氫氧焰或電氣放電系統產生電火花以熔化金屬線在劈刀外的伸出部分，在表面張力

37、作用下熔融金屬凝固形成標準的球形（Free Air Ball ， FAB），球直徑一般是線徑的2 3 倍，緊接著降下劈刀，在適當的壓力和定好的時間內將金屬球壓在電極或芯片上。鍵合過程中， 通過劈刀向金屬球施加壓力，同時促進引線金屬和下面的芯片電極金屬發生塑性變形和原子間相互擴散，并完成第一焊點，然后劈刀運動到第二點位置，第二點焊接包括楔形鍵合、扯線和送線，通過劈刀外壁對金屬線施加壓力以楔形鍵合方式完成第二焊點，之后扯線使金屬線斷裂，劈刀升高到合適的高度送線達到要求尾線長度，然后劈刀上升到成球的高度。成球的過程是通過離子化空氣間隙的打火成球過程實現的。球形鍵合是一種全方位的工藝（即第二焊點可相對

38、第一焊點360o任意角度），球形鍵合一般采用直徑75 m以下的細金絲，因為其在高溫受壓狀態下容易變形、抗氧化性能好、成球性好，一般用于焊盤間距大于100 m 的情況下。球形鍵合工藝設計原則：（1） 焊球的初始直徑為金屬線直徑的2 3 倍。 應用于精細間距時為1 5 倍， 焊盤較大時為3 4 倍； (2) 最終成球尺寸不超過焊盤尺寸的3 4， 是金屬線直徑的2 5 5 倍；(3) 線弧高度一般為150 um，取決于金屬線直徑及具體應用；(4) 線弧長度不應超過金屬線直徑的100 倍； (5) 線弧不允許有垂直方向的下垂和水平方向的搖擺。超聲波球焊的過程焊絲球焊機是一款利用超聲波焊線技術，在壓力和

39、超聲波能量共同作用下，用細小的金線連接IC 芯片電極與框架上的焊盤，從而實現封裝前的芯片(硅片 )內部引線焊接的高科技機電一體化設備。主要應用于發光二極管、中小型功率三極管、集成電路及一些特殊半導體器件等內部引線的焊接。首先對焊線機的動作過程作適當了解。在焊線前，必須先做好準備工作，包括機器的自檢、劈刀的安裝、劈刀穿線，調整尾絲長度，手動打火燒球一次，將尾絲燒制成一個金絲直徑2- 5 倍的金球。焊線機焊一條線的動作流程如下圖所示，主要包括以下動作：圖 2.2 球焊示意圖Fig2.2 bonding sketch map初始位置開機或復位后劈刀停留的位置，或者每次第二焊點焊接完成后，劈刀上升回到

40、的一般要求在初始位置時，劈刀尖到焊接面距離要大于5 且小于7mm，第一焊接檢查焊頭架開始下降，線夾張開，劈刀下降把金絲拉至劈刀尖端，同時拉下金絲，當劈刀尖下降至焊件一定距離時停止，該距離調整為2 倍金球高度，這一位置稱第一焊接檢查位置，此時線夾處于張開狀態，在此位置可檢查焊點與劈刀是否對準，如果劈刀未對準焊打，可移動工作臺，對準焊點位置。第一焊接第一焊接檢查完成后，劈刀慢速下移，劈刀碰到被焊面，使變幅桿前端上抬，焊頭尾部檢測觸打斷開，焊頭停止下移，此時第一焊接壓力、第一超聲功率通過劈刀施加于焊件上，進行第一打焊接，并計時。此時，劈刀在焊件上停留的時間稱為第一焊接時間， 第一焊接時間結束后，超聲

41、功率輸出結束，此時金球焊于IC 芯片內部相應的焊盤上。拉線位置第一焊接時間結束后（ 即第一焊接完畢后） ，焊頭架快速回升，此時線夾張開，金絲處于釋放狀態，劈刀上升至預定位置，這一位置稱拉線位置，也叫拱絲位置。第二焊接瞄準移動工作臺，用聚光點瞄準第二焊打，此時線夾處于張開狀態，焊絲拉移一定角度，第二焊點移至劈刀下。第二焊接檢查位置在第二焊接瞄準位置，焊頭架下降至焊件一定距離停下，該距離應調整為2 倍金絲高度，此位置稱第二焊接檢查位置，可進行檢查和調整。第二焊接第二焊接檢查完成后，劈刀慢速下移，劈刀碰到被焊面，使變幅桿前端上抬，焊頭尾部檢測觸打斷開，焊頭停止下移，此時第二焊接壓力、第二超聲功率通過

42、劈刀施加于焊件上，進行第二打焊接，并計時。此時，劈刀在焊件上停留的時間稱為第二焊接時間， 第二焊接時間結束后，超聲功率輸出結束，此時金線焊于IC 芯片內部相應的焊盤上。扯絲第二焊接完成后，焊頭快速上升，線夾夾緊金線并將其扯斷。成球位置金線被扯斷的瞬間，打火桿尖對金線高壓放電，將劈刀尖下的金線燒成金球，(10)回到初始位置打火燒球工序完成后，焊頭回到初始位置，完成一條焊線的焊接。本章小結本章主要介紹了半導體封裝和其中焊接工藝的概念和特點，從中可以知道，超聲球焊工藝在半導體封裝中起到舉足輕重的作用，因此，要將傳統的金絲球焊改成銅絲球焊，就必須從設備、材料、工藝、性能等方面進行研究和驗證，保證產品的

43、性能和可靠性，從而提高半導體器件的性能價格比。第四章 銅線超波球焊工藝的幾個重要因素 -江蘇科技大學工程碩士學位論文 第四章 銅線超波球焊工藝的幾個重要因素 第三章 超聲波球焊設備的結構和作用引言金絲球焊機，是一款利用超聲波焊線技術，在壓力和超聲波能量共同作用下，用細小的金線連接IC芯片電極與框架上的焊盤，從而實現封裝前的芯片（硅片）內部引線焊接的高科技機電一體化設備。它的功能主要在封裝前，用金絲連接芯片內部電路或將內部電路與管腳連接。KS 公司球焊機介紹1、了解球焊機器上的設備原理。下圖 3.1 所示設備是KS公司生產的球焊設備。該設備廣泛應用于各半導體公司的焊線工序，一般來說包括以下幾個部

44、分：圖 3.1 KS 公司球焊機Fig 3.1 wire bonding of KS圖 3.2 KS 公司球焊機結構Fig 3.2 structure of wire bonding machine（ 1）電源控制臺包括電源供應器、資料存儲系統、電路控制以及散熱系統。（ 2） XY工作臺（XY Table）包括有二個線性伺服馬達以驅動整個工作臺到達定點位置。（ 3）焊線頭（Bond Head） ：位于XY工作臺上，主要是完成產品的焊線動作。（4） 影像處理系統：將產品的影像進行辨認工作并將影像傳送到屏幕，包含有兩個改良掃描的鏡頭、直斜燈裝置、透鏡與反射鏡與影像控制板，主要作用為辨識及搜尋芯片與

45、引線框架，控制影像的亮度以及提供軟件與硬件所支援影像和圖像的使用界面。（ 5）送線系統：提供焊線到焊線頭以進行焊線動作，送線系統控制板處理光學感應器的訊號驅動。12 英寸直徑的線軸，提供充足的焊線完成送線的動作。并且提供真空清潔焊線，另外還有偵測焊線的質量的功能。6） 進料系統：將待焊線產品從進料區導入焊線工作區以及完成的產品退料到成品區，包含有進料升降機構、工作臺和退料升降機構。7）緊急停止按鈕：在緊急狀態下，停止機臺的電源供應。8）人機界面：提供操作者與機臺的溝通界面。9）顯微鏡：在調試機器時，觀察機器的各個動作是否正常。10）信號燈塔：設置的各個信號燈的控制和顯示，主要是在正常工作時能及

46、時起到提示操作人員和維修員便捷的知道機器的狀態。11）蜂鳴器：與信號燈塔一起工作，提示該機臺處于何種狀態下。12）工作燈：起到照明作用。13）屏幕：人機交互界面，輸入輸出工作設置和機臺的參數與狀態。13.3 本章小結本章主要介紹了KS公司的球焊機的設備構成，包括總體架構和關鍵的結構兩部分，介紹了各個部分構成和功能。第四章 銅線超聲球焊工藝的幾個重要因素引言銅線超聲球焊工藝是在金線球焊工藝的基礎上進行的，但由于銅線與金線的物理性質的區別，所以，需要對各項工藝因素進行優化和改進。如果只是按照金線球焊的 設備和工藝參數進行銅線球焊工藝，會對產品造成很嚴重的影響。因此，需要先了解 有哪些重要的材料和參

47、數需要優化，做什么樣的優化，從而才能對銅線超聲球焊工藝 試行批量性的生產。本章針對銅絲球焊技術的鍵合因素，包括劈刀、工藝參數（超聲 能量、壓力、溫度）以及銅絲、焊盤制造工藝等幾個方面開展了一系列研究工作。銅線超聲球焊的劈刀銅絲球焊中所使用的鍵合設備與金絲球焊大致相同。為解決形球過程中銅球易氧化的問題，研究人員研制出銅絲球焊形球防氧化保護裝置，如Kulicke&Sofa 開發的“ Copper Kit ”。該裝置在形球過程中引入純氮或氮氫混合氣體，對銅球進行保護以防氧化物的形成。銅絲鍵合技術對鍵合工具劈刀的設計也提出了新的要求。劈刀的主要結構特征有內腔、劈刀嘴部外圓直徑、面角度、劈刀嘴部表面拋光

48、度、中心角等。與金絲球焊用劈刀相似，銅絲球焊用劈刀設計主要考慮因素有焊盤間距、焊盤窗口尺寸以及金屬絲直徑等。銅絲球焊技術對劈刀面角度以及劈刀嘴部外圓直徑要求更高，合適的面角度與外圓直徑匹配能夠鍵合出理想的第一、二焊點，并有效提高焊點可靠性。銅絲球焊中劈刀的面角度適用范圍為011O度。另外，由于銅球、銅絲硬度較高，銅絲球焊用劈刀需要進行表面耐磨處理，選擇更耐磨的陶瓷作為劈刀材料，以提高銅絲球焊用劈刀的使用壽命。隨著塑封材料的發展，無鹵化物環保型塑封料成功取代傳統塑封料，封裝后銅絲易受腐蝕的問題得到有效緩解。球焊所使用的劈刀外形與焊線過程的位置如下圖4.1 所示。圖 4.1 焊線劈刀的外形與焊線過

49、程的位置Fig 4.1 shape of capillary and position for bonding鍵合的工藝參數鍵合超聲能量鍵合超聲能量是焊點質量的主要影響因素。超聲能量的作用包括增加金屬球的變形，擠壓焊盤上金屬層，增加金屬原子的遷移率和晶格位錯密度，減小金屬材料的屈服強度以利于金屬間的擴散連接。銅絲球焊中由于銅絲、焊盤表面附著氧化物、污染物，必須依靠超聲能量去除它們以改善可焊性能。超聲能量過大將導致焊點疲勞，降低其連接強度；能量過小，去除污染物不充分，導致焊點連接失敗或形成虛焊。針對這一矛盾，Nguyen等人提出采用兩階段的超聲施加方式，第一階段能量主要用來去除污染物和氧化物，第

50、二階段能量主要用于連接，第二階段超聲能量為第一階段的3050。研究結果表明這種超聲能量施加方法可以提高銅球焊點連接強度。另外， 結果還顯示銅球焊點的連接強度與第一階段的超聲能量大小有直接關系，與第二階段關系不大。研究發現超聲振動方向對第二焊點的抗拉強度有著較大的影響，當振動方向平行于線弧方向時，低溫銅氧化物會直接影響到第二焊點與引線框架的連接質量。研究發現超聲振動方向對焊點尺寸也有較大的影響，在金焊盤或陶瓷焊盤上，振動方向平行于線弧方向的第一焊點的直徑要大于垂直方向的焊點直徑。超聲振動頻率對鍵合質量也有一定影響。目前，絲球焊中使用的超聲頻率多為60140 kHz。研究發現在金焊盤上和鋁焊盤上，

51、采用100 kHz超聲頻率獲得的焊點剪切強度要遠大于60 kHz超聲頻率下的焊點。盡管采用超聲振動頻率為60 kHz后所獲得的工藝參數窗口要大于超聲振動頻率為100 kHz 的工藝參數窗口，但100 kHz 超聲振動的顯著優點是使鍵合時間降低 20工藝參數窗口增大60%，并保持焊點剪切強度不變。鍵合壓力溫度時間鍵合工藝參數除超聲能量以外，鍵合溫度、鍵合壓力以及鍵合時間等對焊點性能也有著很大的影響。鍵合壓力控制著銅球變形量，對焊點形貌影響很大。鍵合壓力又決定了銅球底部與焊盤的實際接觸面積，對焊點連接強度有著很大的影響。在超聲施加之前用一個較大的壓力使銅球充分變形，并在超聲能量施加后適當減小鍵合壓

52、力以減輕對芯片的損傷。兩階段的壓力大小比例在24： 1 左右。鍵合時間的長短會引起焊點尺寸、連接強度的變化。時間過短，能量輸入不足，焊點連接不充分；時間過長，能量輸入過大，銅球變形過于嚴重，內部出現滑移、重結晶等現象，還可能引起焊點連接疲勞效應，另外焊點和焊盤之間產生較有影響的內應力，給銅球焊點可靠性帶來隱患。如果銅絲表面出現較多的氧化物時，可以適當加長鍵合時間，以保證充分去除氧化物。鍵合溫度的主要作用有：軟化金屬表面上的氧化層，確保金屬氧化物層在較小的載荷下被撕裂開來；軟化金屬本身，使得它們在外力作用下更容易發生塑性變形；促進連接面上金屬原子的擴散能力；提供除鍵合能量、壓力等以外的能量，促進

53、鍵合過程的順利進行。銅絲球焊中，過高的鍵合溫度會加重銅絲的氧化，不利于連接并對產品的可靠性產生不良影響；但過低的鍵合溫度不能保證銅球焊點的連接強度。針對超聲功率以及鍵合壓力對銅球焊點質量的影響作了相應研究，結果表明在適當范圍內，銅球焊點的剪切力及直徑隨超聲能量的增大而增大，而焊點剪切強度隨之減小；鍵合壓力對銅球焊點剪切力的影響不明顯，但對銅球焊點外形有較大影響。隨著鍵合壓力的增大，銅球焊點直徑增大，剪切強度下降過大或過小的鍵合壓力都可能導致芯片出現芯片損傷8。銅線銅材料在常溫下極易氧化，在溫度高于40的環境中氧化速度更快，并因沒有自保護能力而向縱深發展。銅絲球焊工序中有許多場合的環境溫度遠高于

54、40oC，銅絲的氧化將不可避免并導致銅絲可焊性的退化。銅絲組織結構對第二焊點的形狀、強度也有較大的影響。研究發現銅絲球焊第二焊點的形狀主要由銅絲晶粒尺寸與銅絲直徑的比例所決定的，如果在銅絲橫截面上能同時存在數個晶粒并相互交錯將能獲得可靠的第二焊點。另外當銅絲晶粒尺寸與銅絲直徑不匹配時會削弱銅絲拉弧的穩定性。以上問題對銅絲制造工藝提出新的要求。通過摻雜、回火工藝可以使銅絲的機械性能、晶粒組織發生改變，從而提高其可焊性。焊盤金屬焊盤作為芯片電路與外界電路聯系的窗口，承擔著傳送電流、疏散熱量等任務，在鍵合過程中還須能有效緩沖外界壓力以保護芯片不受損傷。目前焊盤材料多為鋁及鋁合金焊盤。鋁焊盤表面易形成

55、氧化物，對焊點連接有一定的影響，鋁焊盤上氧化物層厚度若超過20nm會嚴重降低焊盤的可焊性能。采用等離子清洗法對焊盤上氧化物及污染物進行表面處理，發現焊盤表面的微觀組織有所改變，焊盤表面上的氧成分明顯減少。這種方法可以有效去除焊盤表面的氧化物及污染物，但會對焊盤周圍的散熱層造成一定的傷害。隨著電子技術的不斷發展，鋁焊盤不能很好的滿足更快、更可靠的電學性能要求，因此銅絲與銅焊盤的直接連接形式成為新的發展方向。銅焊盤的主要優勢在于低電阻率、低電遷移、高響應速度等，銅焊盤的應用對絲球焊工藝提出挑戰，其關鍵問題就是如何防止銅焊盤被氧化。裸露的銅焊盤表面極易形成氧化物層，如果銅焊盤上氧化物層超過5 nm后

56、其可焊性將大大削弱。通過研究發現銅焊盤上的氧化物萌生于晶粒邊緣區域并向內部逐漸發展，其氧化速度與晶面取向有關。銅焊盤上氧化面積超過1020時，焊盤可焊性將明顯下降。針對以上問題，在銅焊盤上加上保護層，鍵合過程中再利用超聲振動將保護層去除，實現銅絲到銅芯片的直接連接而不需要中介層的過渡。現行發展的保護層材料有金屬材料、有機材料和無機材料，研究發現在銅焊盤上覆蓋有機材料進行防氧化保護可以獲得性能很好的銅球焊點，連接后銅焊盤上的有機材料能被充分去除，形成的銅焊點連接強度高。本章總結在實現銅線球焊的過程中，涉及到的設備和工藝參數的要求都比較高，在利用銅絲的優良的電性能達到產品的優質性能時，也同時需要解

57、決銅線不耐氧化和硬度高的問題。通過各項工藝參數和設備的調整，可以使銅線球焊工藝達到一個較高的性能水平。第五章 銅線工藝設備優和參數的優化調整 -江蘇科技大學工程碩士學位論文 第五章 銅線工藝設備和參數的優化調整引言前面一章介紹的是銅線工藝涉及到的各個因素，由于材料不同，相比于傳統的金 絲球焊工藝，需要調整和優化設備和工藝參數，根據該工藝的特性，需要制定不同的 檢驗質量標準。本一章對調整的具體參數、如何調整，成品的性能和可靠性方面進行 研究，找到最為合理的工藝要求和檢驗標準，并檢驗了產品的性能和可靠性。銅線焊接工藝要求焊接位置焊接面積不能有1/4 以上在芯片壓點之外，或觸及其他金屬體和沒有鈍化層

58、的劃片方格； TOC o 1-5 h z 在同一焊點上進行第二次焊接時，重疊面積不能大于之前焊接面積的1/3 ；引線焊接后與相鄰的焊點或芯片壓點相距不能小于引線直徑的1 陪。焊點狀況鍵合面積的寬度不能小于引線直徑的1 倍或大于引線直徑的3 倍；焊點的長度不能小于引線直徑的的1 倍或大于引線直徑的4 倍；不能因為缺尾而造成鍵合面積減少1/4 ，絲尾的總長度不能超出引線直徑2 倍；鍵合的痕跡不能小于鍵合面積的2/3 ，且不能有虛焊和脫焊；焊球大小：焊球的直徑應該大于2 倍金線直徑，小于4 陪金線直徑。焊球厚度：焊球的厚度應該大于1.2 倍金線直徑，小于2.5 倍金線直徑。弧度要求 最低：第一點的高

59、度應該高出低二點的高度，形成第一由點到第二點的拋物線形狀；最高：不能高出晶片本身厚度的2 倍。拉力控制：焊線要求引線不能有任何超過引線直徑1/4 的刻痕，損傷，死彎等；引線不能有任何不自然拱形彎曲，且拱絲高度不小于引線直徑的6 倍，彎曲后拱絲最高點離芯片的距離不應小于2 倍引線直徑；不能讓引線下垂，在芯片邊緣上或其距離小于引線直徑的1 倍；引線松動而造成相鄰兩引線間距小于引線直徑的1 倍或穿過其他引線和壓點；焊點預引線之間不能有大于的30 度的夾角。芯片外觀不能因為鍵合而造成芯片的開裂，傷痕和銅線短路；芯片表面不能因為鍵合而造成的金屬熔渣，斷絲和其他不能排除的污染物； 芯片壓點不能缺絲，重焊或

60、未按照打線圖的規定造成錯誤鍵合。鍵合強度對于 25 um線徑拉力應該大于5g， 23 um線徑拉力應該大于4g， 30um銅線線徑拉力應該大于7g(當做破壞性試驗時，斷點不應該發生在焊點上)；對于 25 um 線徑要求銅線剪切力度大于25g；框架不能有明顯的變形，管腳，基底鍍層表面應該致密光滑，色澤均勻呈白色，不允許有沾污，水跡，異物，發花，起皮，起泡等缺陷。銅線材料的性能銅絲與金絲相比具有明顯的優勢，采用銅絲超聲鍵合不但可以大大降低器件制造成本，提高競爭優勢，而且銅絲各種優良的性能也加速了其在電子封裝業的應用。銅絲優良的性能主要表現在以下幾個方面：銅線的力學性能鍵合絲的力學性能，即絲的破斷力