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1、1 1 Wire Bonding Wire Bonding 工艺介绍概述工艺介绍概述 1 Wire Bonding 是什么 Wire Bonding 压焊 也称为帮定 键合 丝焊 是指使用金属 丝 金线等 利用热压或超声能源 完成微电子器件中固态电 路内部互连接线的连接 即芯片与电路或引线框架之间的连接 2 2 压焊放大图压焊放大图 3 3 2 Wire Bonding 的方式 Wire Bonding 的方式有两种 Ball Bonding 球焊 和 Wedge Bonding 平焊 楔焊 2 1 Ball Bonding 球焊 金线通过空心夹具的毛细管穿出 然后经过电弧放电使伸出 部分熔化
2、 并在表面张力作用下成球形 然后通过夹具将球压焊 到芯片的电极上 压下后作为第一个焊点 为球焊点 然后从第 一个焊点抽出弯曲的金线再压焊到相应的位置上 形成第二个焊 点 为平焊 楔形 焊点 然后又形成另一个新球用作于下一个 的第一个球焊点 4 4 Ball Bonding 图 5 5 2 2 Wedge Bonding 平焊 楔焊 将两个楔形焊点压下形成连接 在这种工艺中没有球形成 Wedge Bonding 图 6 6 7 7 2 3 球焊和平焊的主要区别 2 3 1 两者的焊点结构 2 3 1 1 球焊的第一个焊点为球焊点 第二个为平焊点 2 3 1 2 平焊 楔焊 的两个焊点都为平焊点
3、Ball Bonding 焊点示意图 8 8 Wedge Bonding 焊点示意图 9 9 2 3 2 两者所用压焊头 2 3 2 1 球焊选用毛细管头 焊点是在热 一般为100 500 超声 波 压力以及时间的综合作用下形成的 2 3 2 2 平焊选用楔形头 焊点是在超声波能 压力以及时间等参 数综合作用下形成的 一般在室温下进行 球焊用毛细管头示意图 1010 1111 平焊用楔形头示意图 1212 1313 2 3 3 两者的操作流程 2 3 3 1球焊流程示意图 1414 1515 1616 1717 3 Wire bonding 所需的设备及物料 3 1 压焊机 平焊机及球焊机 3
4、 1 1 平焊机 1818 1919 3 1 2 球焊机 2020 2121 3 2 压焊头 压焊头一般选用耐磨 耐氧化 容易清洁的材料 3 2 1 球焊使用毛细管头 毛细管头一般用陶瓷或钨制成 2222 3 2 2 平焊使用楔形头 楔形头一般用陶瓷 钨碳合金或钛碳合金制成 2323 3 3 金属线 目前 最常用的是金线 Au Cu 和铝线 Al 1 Si Mg 最常用的金属线的直径为 25 30 m 3 3 1 金线压焊用于大批量生产的场合 这种工艺速度较快 但目 前金线压焊的间距极限为 75 m 金线压焊需要光滑 洁净的焊 接表面 表面的干净程度会影响焊接的可靠性 金线主要用在球焊和平焊工
5、艺中 由于金线在热压下更容易变形 在电弧放电下更容易成球形 故在球焊中广泛使用 同时 由于完成压焊之后 金的特性较稳定 特别适合密封 包装中 故在微波器件中 金线的平焊用处最广 3 3 2 铝线压焊则用于封装或PCB不能加热的场合 有更精细的间 距 采用细铝线压焊可以达到小于60 m 50 m 的间距 铝线主要用于平焊工艺 费用较低 2424 4 压焊的工序控制 有效的对压焊进行工序控制 必须从以下几方面着手 4 1 压焊机的设置 超声波能量 压力 时间 温度 金属线的弯曲形状 高度及焊接工艺 根据压焊的几何学原理决定 毛细管的形状 尺寸 材料 直接影响压焊的最后形状 压焊机的压焊速度 产量的
6、考虑 4 2 洁净要求及环境条件 工作间的清洁 100000 级净化环境 工具的清洁 工作台的振动 照明 温湿度 金线的储存条件 N2 4 3 焊接表面的清洁 氩等离子 微量的污染都会影响 紫外线 可靠性和焊接性 溶剂清洁 4 4 压焊金属线的物理性质 金属线的硬度 金属线的拉伸强度 合金成分 2525 2626 只有充分考虑以上因素 才能有效控制压焊工序 才能获得高精度 高可靠性 高强度 和有竞争力价格的压焊产品 目前 主要的方法是通过对拉力测试值 焊球剪切测试值进行 SPC 统计工序控制 及外观检查来控制 5 丝线压焊生产工艺特点 5 1 焊接工艺操作空间有限 5 2 在操作之前 必须确认
7、球焊和平焊的使用 5 3 通常 压焊的第一个压焊点在芯片上 第二点在引线框架或基层上 5 4 平焊压焊工艺可以代替球焊压焊的场合 5 5 平焊允许的焊盘的间距为75 m 5 6 球焊允许的焊盘的间距大于125 m 5 7 全显微状态下工作 5 8 严格的 ESD 要求及环境 元器件的清洁净化要求 5 9 严格的物料存储如金线 放在干燥的N2环境中 减小湿度的影响 5 10 一般 球焊的第一个焊点要比第二个位置要高 5 11 压焊工艺返修简单 但受制于操作空间 2727 6 压焊工艺的评估 通常 对压焊效果的评估有两种方法 外观检查及机械测试 6 1 外观检查 外观检查主要通过光学显微镜 电子显
8、微扫描 SEM X 射线探测等 手段来实现 SEM 探测图 良好的球焊效果及月牙形的尾部 2828 6 2 机械测试 最常用的机械测试方法有两种 拉力测试和焊球剪切测试 6 2 1 拉力测试示意图 2929 6 2 2 焊球剪切测试示意图 3030 7 压焊工艺的缺陷介绍 在压焊工艺中 主要会产生以下缺陷 这些缺陷都将严重影响焊接的 质量和焊接的可靠性 7 1 焊接 键合过程中的清洁 洁净度问题 7 2 压焊效果的缺陷 7 2 1 弹坑 现象 3131 7 2 2 破裂 现象 7 2 3 不一致的 尾巴 现象 7 2 4 剥离 焊接不牢 现象 3232 8 压焊技术的发展历史 8 1 1957
9、年 贝尔实验室首先展示了压焊技术 8 2 随着微电子技术的不断发展 压焊技术也得到了全面发展 主 要表现在以下几个方面 8 2 1 全自动设备已应用于压焊工序 8 2 2 压焊的各项参数都可以精确的进行监控 8 2 3 压焊的速度已达到 100 125ms 焊接 8 2 4 压焊的最小间距已达到 50微米 8 2 5 通过改良压焊头的结构及相应工序 大大提高了压焊的可靠性 3333 9 压焊技术的应用 由于压焊工艺具有高可靠性 高品质 工艺成熟 操作简单 成本低廉等优点 目前广泛应用于微电子封装领域 在世界半导体 元器件行业中 90 采用压焊技术 其中 采用球焊工艺的占93 平焊工艺的占5 主要表现在以下领域 8 1 陶瓷和塑料球栅阵列封装的元器件 如 PBGA 8 2 陶瓷和塑料象限扁平封装的元器件 如 PQFP 8 3 小芯片尺寸的封装器件及多芯片模块 如 CSP COB MCM 8 4 场效应晶体管放大器 如 JCA 放大器 8 5 微波及半导体器件 如 低群延迟接收机 8 6 动态随机存取存储器 如 DRAM 3434 10 压焊技术的局限性 由于丝线压焊必须在元器件的外围或表层进行 否则会导致短 路现象 故 压焊工艺不适合应用在高密度的内部连接中 如 I O 密度大于 500 的情况 3535
