详解引线键合工艺:金丝球焊近壁键合技术
半导体封装工程师之家 2024-05-10


张路非,晏海超,李席安,何学东,夏念

(贵州振华群英电器有限公司)

摘要:

在引线键合工艺应用中,由于球焊键合工艺具有键合方向灵活、键合速度快等优势,在半导体芯片的封装互联领域被广泛应用。针对金丝球焊键合工艺中的近壁键合问题进行了研究,从键合方式、劈刀设计两个方面进行优化、改进,制定了两种不同的解决方案,并分析了两种方案的应用局限性。

引线键合(Wire Bonding)工艺是一种使用细金属线,利用热、压力、超声能量使金属引线与基板焊盘紧密焊合,实现芯片与基板间(或芯片与芯片间)的电气互连的一种技术。在理想控制条件下,引线和基板间会发生电子共享或原子的相互扩散,从而使两种金属间实现原子量级上的键合[1]。球-楔键合(Ball-Wedge Bonding)工艺是引线键合工艺的一种,亦称为球焊键合工艺。因其第一点键合后,可以360°自由移动[2](如图1所示),所以第二键合点能在任何方向进行键合,该方式促进了球-楔键合的高速键合应用。目前,常规的高度球焊键合设备采用球-楔键合方式,在键合丝长5 mm情况下键合速度可以达到21线/s

因此,球-楔键合工艺成为引线键合工艺中应用最为广泛的键合工艺。并且,由于金丝具有良好的导电性、抗氧化性以及高可靠性,在具有可靠要求的器件中,常使用金丝作为球-楔键合的主要键合引线。该工艺也常被称为金丝球焊工艺。

1 近壁键合问题

1.1 常规键合方式

采用金丝球焊进行键合时,其第二键合点与常规楔焊点不同,为劈刀前端圆形孔的一半焊接金丝形成[3],如图2所示。而劈刀前端圆形孔的另一半底部为悬空状态,当超声能力、焊接压力稍大时,会造成焊接区域具有明显的压痕或损伤,如图3所示。

因此,常规金丝球焊键合时,均将芯片端作为第一键合点,而将基板键合区作为第二键合点,以避免第二键合点对芯片造成损伤。

1.2 起弧方式

引线键合工艺应用时,为避免键合丝对非键合区域产生的搭接问题,均需要形成一定高度的线弧。金丝球焊因其第一键合点无方向性,为确保键合丝颈部具有一定高度,可以良好支撑线弧。键合过程中,劈刀运动时,需要在线弧成形的反方向上行进一段距离,并拉高键合丝,再完成第二点键合,如图4所示。其中黑色箭头指示路径即为键合过程中劈刀实际运动路径,而红色粗线则为实际键合丝线弧成形状态。

1.3 近壁键合原因

以金丝球焊使用的SPT品牌常规劈刀为例,其外形如图5所示。为确保劈刀可以垂直接触到键合区域,键合点中心距管壳内壁最小距离应大于劈刀的半径,即0.763 5 mm

0.2 mm厚度芯片为例,按图2所示方式进行键合时,劈刀反向拉弧运动距离为0.2 mm左右。使用图6所示的SPT品牌常规劈刀,键合区域中心应距离管壳壁至少应为0.763 5(劈刀半径)+0.2(反向拉弧)=0.963 5 mm)。

随着电子元器件的小型化发展,芯片制造尺寸也逐渐减小,当芯片安装位置处于外壳腔体内部而非平面基板时,芯片表面键合区距离外壳腔体侧边距离过小,无法满足金丝球焊反向起弧距离需求,即出现近壁键合问题,如图6所示。

2 近壁键合问题的解决方式

2.1 垫球键合技术

金丝球焊第二楔焊点与键合区域结合强度远低于第一键合点,在有可靠性要求的产品中,常在第二楔焊点上,再次补焊第一键合点金球,作为加固,这种方式称为补球键合方式(Bond Ball on StichBBOS[4]。随着自动键合设备的发展,键合位置的准确度、键合尾丝长度的控制均可以良好控制,随之出现了垫球键合技术(Bond Stitch on BallBSOB),即在第二键合点下方预置一个键合球,第二键合点键合到预置的键合球上,不直接接触键合区域,进而避免了图4中存在的损伤问题,如图7所示。

同时,采用垫球键合技术,可以将近壁键合点作为第二键合点处理,该键合点无需反向起弧,仅确保劈刀可以正常运动到键合区域即可,如图8所示,图中红色轨迹为劈刀运动轨迹。

此外,按照GJB 548《微电子试验方法和程序》中方法2017内部目检(混合电路)规定,垫球键合方式属于复合键合的一种,该标准中要求复合键合中第二次键合的接触面积必须大于下层键合面积的75%。如图9所示,即A区域面积需要占B区域面积的

75%以上,若第二键合时劈刀仅运动至植球点中心位置即开始键合的话,A区域面积则无法达到B区域面积75%以上。在实际键合过程中,键合程序需要将第二键合点设置为偏移键合区域中心,以增加A区域面积,确保满足GJB 548中对复合键合的要求。

以常规25 μm金丝球焊为例,采用垫球键合方式时,第二点偏移距离一般设置为25~40 μm,即可满足GJB 548中复合键合要求。即近壁距离为0.763 5(劈刀半径)+0.04(偏移距离)=0.803 5mm)。

因此,采用垫球键合方式,以25 μm金丝球焊为例,使用常规SPT劈刀近壁距离可由0.963 5 mm缩小至0.803 5 mm,缩小了近11%

2.2 键合劈刀选型

SPT品牌劈刀为例,为解决近壁键合距离,在常规劈刀的基础上,也推出了尖端角度更小的20°劈刀,如图10所示。在劈刀其他规格相同的情况下,尖端角度为20°的劈刀在2.63~3.99 mm键合深度时,近壁距离小于常规尖端角度为30°劈刀的。以2.63 mm键合深度为例,常规尖端30°的劈刀,其近壁键合距离为0.963 5 mm;而尖端20°劈刀,其近壁键合距离为0.553(该位置尖端半径)+0.2(反向拉弧)=0.753mm),比常规使用劈刀近壁距离缩小了近22%

此外,对相同规格、仅尖端角度不同的25 μm金丝键合劈刀(16 mm长)各10把进行超声阻抗值测试,测试结果见表1

使用全自动键合机在同样键合参数、同一片镀金基板上进行键合,键合后对键合点剪切力值进行测试,详细测试数据见表2

经过以上测试,尖端20°劈刀较常规尖端30°角劈刀超声阻抗值略大,同等键合参数下,对键合强度略有影响。

2.3 定制键合劈刀

对于近壁键合问题,改进劈刀前端设计效果要好于改进键合方式。因此,当通用型号劈刀无法满足近壁键合需求时,定制键合劈刀可以进一步缩小近壁距离,提高芯片安装密度。

SPT品牌厂家推出的OSRDSR90DSRVBN系列定制劈刀,如图11所示,在解决窄间距键合的同时,也从一定程度上解决了近壁键合问题。

改变键合劈刀结构会对超声传导的阻抗值造成影响,进而影响键合参数。在以上定制劈刀中,选取了无镂空的VBN系列键合劈刀进行了相关验证。

VBN系列劈刀的前端长度(BNH),最长可达1.78 mm,最小直径(MD)为0.45 mm,如图12所示。

采用VBN系列最极限尺寸的劈刀进行键合验证,即BNH1.78 mmMD0.45 mm。劈刀键合端头与常用的劈刀端头设计相同。对VBN定制劈刀及常规使用的30°25 μm金丝键合劈刀(16 mm长)各10把进行超声阻抗值测试,测试结果见表3

VBN系列劈刀阻抗值较常规劈刀阻抗值增大很多,而且在实际键合应用过程中,使用常规键合参数(尖端30°劈刀使用的)配合VBN系列劈刀,在金基板上键合点无法良好焊接,即无法键合。为使键合强度达到常规要求(第一点键合强度达到60~65 cN),对超声功率进行了调整,调整后的键合参数见表4

通过以上验证,可以看出,使用VBN系列定制劈刀在1.78 mm以下,键合近壁距离缩小到0.225(劈刀半径,MD/2+0.2(反向拉弧)=0.425mm),比常规使用劈刀近壁距离(0.963 5 mm)缩小了近56%。但是,在保证键合强度不变的情况下,超声功率参数需要增加一倍以上。

3 不同解决方式的应用局限性

3.1 垫球键合技术应用局限性

垫球键合方式键合第二点需要先植球,再进行键合,植球过程中,需要键合设备能对键合尾丝进行良好控制,确保植球表面平整。因此,调试过程中,不仅需要关注常规的键合功率、键合压力、键合时间等参数,对影响键合烧球的线尾长度、分离高度、键合丝扯断平移距离等相关参数均需要进行调整,以确保植球表面状态良好,如图13所示。

因植球线尾控制难度较大,常使用自动键合设备进行垫球键合生产,当植球参数、键合参数调整不良时,除影响键合强度外,键合过程中还极易出现断丝、飞线等问题。

此外,由于垫球键合属于复合键合的一种,产品在实际生产应用过程中,如需满足GJB 548中第二次键合的接触面积必须大于下层键合面积的75%的要求,往往需要对键合劈刀的端头的T O R值进行慎重选型(如图14所示),以确保第二键合点面积足够大。

3.2 新型劈刀应用局限性

新型键合劈刀在解决近壁键合问题中应用效果较好,但是在实际使用过程中,仍存在一些问题,主要表现在劈刀的耐用性上,尤其是定制的VBN系列劈刀。与传统劈刀相比,VBN系列劈刀尖端外径减小主要是通过减薄陶瓷外壁厚度实现的。陶瓷外壁厚度减薄后,劈刀尖端强度降低,实际应用过程中,一般操作人员进行金丝穿线过程中,当金属镊子误碰触劈刀尖端时,极易造成劈刀损伤。此外,当劈刀前端被键合球堵住后,若使用劈刀通针进行疏通,也会造成劈刀尖端侧壁损伤。

使用自动键合机进行球焊时,常规SPT品牌劈刀(16 mm长)一般在键合30万点后,处于质量控制考虑,会进行劈刀更换,此时劈刀一般均是刀头磨损,但是大部分还可以继续使用。而VBN系列定制劈刀目前尚无正常使用至5万点的数据,实际使用过程中,大部分因为劈刀头受损而进行更换。

3.3 小结

以上研究的解决方式在解决近壁键合问题的同时,也有其局限性,在实际应用过程中,应针对不同的产品特性选择不同的解决方案,以便在解决近壁键合问题的同时,减少改进措施带来的不利影响。表5对以上研究的解决方式进行了汇总对比。

4 结语

随着半导体器件内部电路的集成度提升,键合丝密度也逐步增大,单引线键合空间从而被大量压缩,近壁键合问题在具有腔体的产品封装过程中逐步体现出来。本文从键合工艺、劈刀改进两个方面对近壁键合问题进行了一定程度的研究和验证,为近壁键合问题的解决提供相应的研究数据。


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