引线键合工艺参数的有限元建模与影响规律分析

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1、第一章绪论电子封装直接影响着集成电路和器件的电、热、光和机械性能，还影响其可靠性和成本。因此，集成电路和器件要求电子封装具有优良的电性能、热性能、机械性能和光学性能，同时必须具有高的可靠性和低的成本。微电子封装一般可分为四个层次，零级封装，一级封装、二级封装、三级封装【71。如图卜1所示。图1-1微电子封装的四个层次Fig．1-lThefourlevelsofmicroelectronicpackaging引线键合是实现芯片(单芯片或多芯片)上的I／O与基板互连，属于微电子封装层次中的一级封装。1．3．1芯片内部连接技术引线键合是借助于热／压力／超声能量，用金属丝将IC芯片上

2、的电极引线与IC底座外引线连接在一起的工艺过程‘81。引线键合可分为三种主要的方法‘91：热压键合法(ThermocompressionBonding)，超声键合法(UltrasonicBonding)和热超声键合法(ThermosonicBonding)。热压键合是在加热和加压的同时，对其芯片金属化层的压点以及外壳或引线框架的外引线引出端头，用金属丝引线(一般是金丝)通过焊接而连接起来。超声键合是利用超声波的能量将金属丝(通常是用铝丝)在不加热的情况下，实行内外焊点的熔合。其工作原理是由超声波发生器产生的50--一60kHz超声波振荡电流，在超声频磁场感应下迅速伸缩而产生弹

3、性振动，再经变幅杆传给劈刀，并同时在劈刀上广东工业大学硕士学位论文施加一定的压力。这样劈刀就在这两种力的作用下，带动金属丝在芯片金属化层的压点和外壳或引线框架的外引线引出端头的表面迅速磨擦振动。这样不仅破坏了两者焊接界面上的氧化膜，同时也使两者产生塑性变形，使两个纯净的金后面紧密接触，形成牢固的捏合。在热压键合的基础上再增加超声的能量所实现的键合，叫超声热压键合。因为通常说的热压焊就是指金丝球焊，所以超声热压焊键合就是超声热压金丝球焊。它同时具有热压键合和超声键合的优点。1．3．2引线键合工艺的发展目前引线键合工艺朝着超精细的方向发展，由于焊盘间距减小，键合点的尺寸也随之减小

4、，从而降低了键合点的强度，同时缩小了工艺窗口，提高了超细键合工艺对键合参数的敏感程度。因此，研究键合工艺尤其是对超细间距条件下各键合参数对键合质量的影响进行研究逐渐成为重点。目前对超细键合工艺进行研究主要有两种方法：一是采用实时工艺检测的方法。如R．Pufal提出在交幅杆靠近劈刀处安装力传感器，在换能器附近安装压电传感器分别对键合力、超声波振幅进行实时工艺检测，信号经滤波放大后传给PC，通过比较键合力信号的波形及超声波振幅信号的二次谐波波形与键合质量的关系对键合质量进行直接判定，然后与相应的工艺参数数据库比较后对键合参数进行调整。二是采用高级算法对工艺参数的优化，例如遗传、免

5、疫等算法。超细键合所使用的瓷嘴无论在制作工艺和形状上也有重大改进，Z．W．Zhong等对比分析了细颈瓷嘴和传统瓷嘴在超声传导的差异，在相同工艺参数的情况下显示出优于传统瓷嘴的性能。铜线的优点使得目前引线键合工艺从金线、铝线向铜线技术转变。在满足相同焊接强度的情况下，可采用更小直径的铜线来代替金线，从而使引线键合的间距缩小。铜线(99．99％)与同纯度的金线相比具有良好的拉伸、剪切强度和延展性，但是铜的硬度比金的高，这给芯片材质和键合工艺参数提出了新的要求。封装材料的电性能影响芯片的技术指标，铜线具有优良的电性能，其电阻率为1．6pQ／cm，传导率为O．42uQ／cm，比金线高

6、出33％，且其熔断电流比金线要高，用其替代金线可提高芯片可靠性。但是，铜线由于其恶劣的焊接性能延缓了在封装中大量使用。随着芯片对封装材料的电性能要求越来越高，对铜线焊接性能的研究和焊接工艺的改进，已成为引线键合的热点问4第一章绪论题。铜线焊接中的氧化与铜线保护层的表面污染是造成铜线焊接性能差的主要因素。对于烧球过程中的氧化问题则必须采用增加保护气体来解决【101。1．3．3引线键合的工艺过程实际引线键合有多种分类，根据所使用的键合工具如劈刀的不同，工艺分为球键合(BallBonding)和楔键合(WedgeBonding)。根据键合条件不同，球键合可分为热压焊、冷超声键合和热

7、超声键合。根据引线不同，又可分为金线、铜线、铝线键合等。冷超声键合常为铝线楔键合，而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得到广泛使用。最常见的金球键合为第一点为球键合、第二点为月牙型键合的一种键合工艺¨“。金丝球键合的示意图。工艺过程分为如下过程(如图1-2)：1．线夹关闭，劈刀和金线一同高加速向下运动。当到达查找高度(SearchHeight)时，线夹张开，劈刀带动金线以匀速接触芯片的焊盘(DiePad)。2．接触后，继续施加一定键合压力(BondF