半导体封装超声波压焊的工艺参数优化.doc

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1、半导体封装超声波压焊的工艺参数优化半导体封装超声波压焊的工艺参数优化朱正宇，胡巧声(1、快捷半导体(苏州)有限公司，江苏苏州215021；2、上海同济大学机械工程学院，上海201804)1引言超声波焊接另称"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。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

2、优点，成为半导体封装内互联的基本技术。2超声波压焊的基本原理超声波能是机械的振动能，工作频率超过声波(正常的人类听力，其频率上限为18kHz)。半导体封装所用的超声波压焊的频率一般是40kHz到120kHz。超声波压焊是一种固相焊接方法，这种特殊的固相焊接方法可简单地描述为：在焊接开始时，金属材料在摩擦力作用下发生了强烈的塑性流动，为纯净金属表面之间的接触创造了条件。而接头区的温升以及高频振动，则又进一步造成了金属晶格上原子的受激活状态。因此，当有共价健性质的金属原子互相接近到以纳米计的距离时。就有可能

3、通过公共电子形成了原子间的电子桥，即实现了所谓金属"键合"过程。[1]经过对焊接过程的研究表明，摩擦、塑性流动以及温度是实现超声焊接的3个互为依赖的主要因素，其中摩擦起主导作用，这不仅是焊接中的主热源，而且通过排除氧化膜为纯净金属表面间接触创造了条件。超声焊接摩擦所需能量可由下式表示：E=∫μPvdt[5]式中：μ-摩擦系数；P-焊头上所加的垂直压力；v-焊头振速；其中：v=4Af式中：A-焊头的振幅；f-超声振动频率；t-焊接时间。在生产实际的超声波压焊的参数中，由于摩擦系数是由焊接材料与焊头和焊件与

4、表面状态、焊件夹持的方法等有关，可以视为常数，压力P与被焊材抖的可流动性极限有关，还与焊件材料的硬度、厚度及焊头振幅大小有关；通常由bondingforce来表示，由机器提供的气动压力来控制，所以易于精确调整。振幅是由放大器(变幅杆)和焊接工具的设计所选定，它可由电能的供给自动精确地控制和调整，以能量bondingpower来表示，一旦焊接头变幅杆的几何尺寸已定，则固有的共振频率即确定，因此，频率往往在机器设计时就固定已知了，焊接时间由bondingtime来表示，可由电气方面精确控制。故：超声焊接摩擦

5、所需能量又可写为：E=μf∫PAdt所以有3个基本过程变量：振幅(能量)、压力(力)和时间。因为整个过程所要达到的最终目标是通过供给足够的能量去分裂和分散氧化物，使之在原子距离内彼此形成相对的层面，所以这些变量都是与能量紧密相关。此外，在实际的半导体封装制造过程中，往往采用辅助加热的方法来促进塑性变形，而控制温度的方法是比较简单的，因此，温度也常作为一个过程变量来加以控制。实际上，在半导体封装领域内的超声波压焊工艺，往往分为热超声和冷超声焊两大类，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

6、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。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，具体工艺过程如图1[4]。另外一种冷超声焊工艺无需加热方式，焊接工具直接作用于芯片表面，因此所需摩擦能量比较大，焊机也比较大，所焊金属丝也比较粗。此外，该工艺和金丝球压焊工艺的主要区别除了温度以外，还体现在焊接工具上，一般而言

7、，金丝球压焊的焊接工具是主要以陶瓷为基材的毛细管，而冷超声焊通常是焊接铝丝，所以其焊接工具是由钨钢制成，类似锲子，俗称劈刀，有时劈刀可以是两种焊接工具的统称。该工艺主要应用于功率器件和高可靠性要求的半导体器件的内互联，冷超声焊的具体工艺如图2[4]。  3超声波焊接工艺的质量要求判断一个焊点是否满足焊接质量要求的标准往往是通过破坏性实验来获得焊点的强度，通常的拉力测试方法我们称为BPT(BondPullTest)，有时也参考推力试验，称为BST(BondShareTest)。通常来说要求焊接强度越大越好

8、，但也受材料的强度极限限制。此外，对于直接作用在芯片表面的焊点来说，除了考虑焊接强度外，还要检查芯片的内部结构是否受损。一般来说，考证焊接强度的质量指标是焊线拉断力的大小，检查芯片内部结构状况的方法使用饱和的强碱溶液来腐蚀掉焊点及芯片表面的铝层，在足够倍率的显微镜下观察内部结构是否受损(cratering)，这种测试方法称为Etching．4超声波压焊的工艺优化方法在明确了要达到的质量要求后，可以通过试验设计的方法来获得比较优化的焊接参数，