精品資料（2021-2022年收藏）金線鍵合工藝的質(zhì)量控制KSY版2012

1、金線鍵合工藝的質(zhì)量控制孫偉（沈陽(yáng)中光電子有限公司 遼寧 沈陽(yáng)）摘要：本文介紹引線（Au Wire）鍵合的工藝參數(shù)及其作用原理，技術(shù)要求和相關(guān)產(chǎn)品品質(zhì)管控規(guī)范，討論了劈刀、金線等工具盒原材料對(duì)鍵合質(zhì)量的影響。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體器件(LED),鍵合金絲；鍵合功率；鍵合時(shí)間；劈刀；引線支架一 引言半導(dǎo)體器件（光電傳感器）LED芯片是采用金球熱超聲波鍵合工藝，即利用熱能、壓力、超聲將芯片電極和支架上的鍵合區(qū)利用Au線及Ag線試作中（Cu線也在試驗(yàn)中）對(duì)應(yīng)鍵合起來(lái)，完成產(chǎn)品內(nèi)、外引線的連接工作。也是當(dāng)今半導(dǎo)體 IC行業(yè)的主要技術(shù)課題，因?yàn)樵阪I合技術(shù)中，會(huì)出現(xiàn)設(shè)備報(bào)警NSOP/NSOL等常規(guī)不良，焊接過(guò)程中的

2、干擾性等不良，在半導(dǎo)體行業(yè)中，鍵合工藝仍然需要完善，工藝參數(shù)需要優(yōu)化等，鍵合工藝技術(shù)在隨著全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)下，隨著原材料工藝變革和價(jià)格調(diào)整下不斷探索Bonding新領(lǐng)域的發(fā)展。已經(jīng)建立了相對(duì)晚上的Bonding優(yōu)化條件的體系中，在原材料的經(jīng)濟(jì)大戰(zhàn)中，工藝技術(shù)將進(jìn)一步推動(dòng)優(yōu)化Bonding條件體系二 技術(shù)要求2.1 鍵合位置及焊點(diǎn)形狀要求 （1）鍵合第一焊點(diǎn)金球Ball不能有1/4的Bonding到芯片電極之外，不能觸及到P型層與N型層分界線。如下圖1所示為GaAs單電極芯片Bonding 狀態(tài)對(duì)比Photo： (2) 第二焊點(diǎn)不得超過(guò)支架鍵合區(qū)域范圍之內(nèi)，如圖2所示.(3)第一焊點(diǎn)球徑A約是引線絲

3、直徑Ø的3.5倍（現(xiàn)行1.2MIL金線使用，Ball Size中心值控制在105um）左右，金球Ball形變均勻良好，引線與球同心，第二焊點(diǎn)形狀如楔形，其寬度D約是引線直徑Ø的4倍（即目標(biāo)值：120um）左右，球型厚度H為引線直徑Ø的0.60.8倍。金球根部不能有明顯的損傷或者變細(xì)的現(xiàn)象，第二焊點(diǎn)楔形處不能有明顯裂紋。圖3為 劈刀作用金球形變Ball形態(tài)的示意圖。圖4 第二焊點(diǎn)形狀：（4）鍵合后其其他表現(xiàn)技術(shù)要求規(guī)范： 無(wú)多余焊絲，無(wú)掉片，無(wú)損傷芯片，無(wú)壓傷電極。芯片表面不能有因鍵合而造成的金屬熔渣、斷絲和其他不能排除的污染物。Loop拱絲無(wú)短路，無(wú)塌絲，無(wú)勾絲。

4、2.2 拉力測(cè)試 拉力測(cè)試被廣泛用在熱超聲焊線中，它是一種破壞性的測(cè)試，能夠測(cè)試出最薄弱的斷點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)和Loop拱線的特點(diǎn)直接影響測(cè)量數(shù)值得大小。測(cè)試方法：在鍵合金線的下方施加一個(gè)向上的拉力使鍵合部從芯片表面被拉開，并對(duì)拉力的大小進(jìn)行測(cè)量。拉線測(cè)試所需設(shè)DAGE4000系列拉力測(cè)試治具：拉線測(cè)試設(shè)備（鍵合力度拉扯測(cè)試設(shè)備），主要由兩部分構(gòu)成，1）由一機(jī)械裝置驅(qū)動(dòng)一拉鉤產(chǎn)生一向上的拉力，2）經(jīng)校準(zhǔn)后的力度測(cè)試裝置，用來(lái)測(cè)量金線從芯片表面拉開時(shí)的力度。該力度一般用gF（克力）來(lái)表示。2.2.1 拉力測(cè)試位置用DAGE 4000拉力測(cè)試治具，測(cè)定桿的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定位置是金線長(zhǎng)度的1/2，實(shí)際測(cè)定過(guò)程中，更

5、真實(shí)檢測(cè)1st/2nd 位置的Bonding焊接強(qiáng)度，選折靠近1st點(diǎn)的為位置和靠近2nd 的位置進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定的數(shù)值為1st/2nd 拉力強(qiáng)度。具體測(cè)定位置如下圖：進(jìn)行1st 拉力測(cè)試時(shí)，要判定拉力和斷線模式。斷線A/E模式，抽取的料盒為非正常品處理。進(jìn)行2nd 拉力測(cè)試時(shí)，要判定拉力和斷線模式。斷線D/E模式，抽取的料盒為非正常品處理。 LED行業(yè)鍵合金線拉力及斷點(diǎn)位置要求一般為:拉線時(shí)第第一點(diǎn)金球不能與電極之間脫開，第二點(diǎn)楔形不能與支架鍵合區(qū)脫開，即此時(shí)不論拉力F為何值都判定不合格。如其他點(diǎn)斷開，金絲直徑25um拉力值F>5g為合格，金絲直徑30um拉力值F>7g為合格。2.

6、3 剪切測(cè)試如于焊線完成后會(huì)進(jìn)行破壞性試驗(yàn),包括拉力測(cè)試(Pull Test),金球推力測(cè)試(Ball Shear Test)以確定焊線之品質(zhì).而在封膠之后,則以X光(X-Ray)來(lái)檢視膠體內(nèi)部之金線是否有移位或斷裂之情形等等.金球剪切失效模式同樣需要被記錄，為如下之一，1）金球掀起，2）金球被推離，3）火山口（金球被推離表面，帶起芯片表面，導(dǎo)致芯片材料-硅顯露出來(lái)，形成火山口一樣的凹坑），4）鍵合表面分離（鍵合表面與芯片材料之間的分離）。因剪切刀頭放置位置錯(cuò)誤而產(chǎn)生的讀數(shù)是無(wú)效的，不應(yīng)供分析使用。 剪切測(cè)試一般用于半導(dǎo)體封裝流程的前段，其為監(jiān)控生產(chǎn)能力與穩(wěn)定性的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，一般為SPC測(cè)試

7、中的重要一項(xiàng)。 三 鍵合工藝條件3.1 鍵合溫度 鍵合溫度能夠幫助移除表面污染物，如潮氣，油，水蒸氣等，增加分子的活躍程度有利于合金的形成。但是過(guò)高的溫度不僅會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的氧化物影響鍵合質(zhì)量，并且由于過(guò)高的熱應(yīng)力應(yīng)變的影響，圖像監(jiān)測(cè)精度和器件的可靠性也隨之下降。在實(shí)際工藝中，溫控系統(tǒng)都會(huì)添加預(yù)熱區(qū)、冷卻區(qū)，提高控制的穩(wěn)定性。目前LED芯片鍵合機(jī)臺(tái)鍵合溫度一般設(shè)置在180度250度,而現(xiàn)況為了提高產(chǎn)能與效率，加強(qiáng)鍵合的穩(wěn)定性，軌道溫度控制在270度土10度這樣一個(gè)水準(zhǔn)。為了推進(jìn)Ag wire/Cu Wire 適應(yīng)現(xiàn)階段原材料價(jià)格節(jié)減，軌道溫度控制在200度左右可能，以來(lái)容錯(cuò)引線在Bonding過(guò)程

8、中的氧化程度和抑制機(jī)頭異物的增加。3.2 鍵合機(jī)臺(tái)壓力/功率超聲功率使焊線和焊接面松軟，產(chǎn)生熱能，形成分子相互嵌合合金，改變球形尺寸。超聲功率對(duì)鍵合質(zhì)量和外觀影響最大，因?yàn)樗鼘?duì)鍵合球的變形起主導(dǎo)作用。過(guò)小的功率會(huì)導(dǎo)致過(guò)窄、未成形的鍵合或尾絲翹起；過(guò)大的功率導(dǎo)致根部斷裂、鍵合塌陷或者焊盤破裂。超聲功率和鍵合壓力的相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)，增大超聲功率通常需要增加鍵合力使超聲能量通過(guò)鍵合工具更多的傳遞到鍵合點(diǎn)處。因此在生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)置鍵合機(jī)臺(tái)壓力和功率時(shí)，需要將兩者密切綜合考慮，根據(jù)機(jī)臺(tái)型號(hào)以及生產(chǎn)工藝中遇到的實(shí)際情況進(jìn)行靈活設(shè)置，努力尋找到最佳的搭配組合。3.3鍵合時(shí)間鍵合時(shí)間是指控制超聲能力作用的時(shí)間，通

9、常LED芯片鍵合機(jī)臺(tái)時(shí)間設(shè)置在820ms。一般來(lái)說(shuō)，太短的焊線時(shí)間無(wú)法形成良好的合金，焊線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)是導(dǎo)致拉力不良或芯片電極損傷的原因。鍵合時(shí)間越長(zhǎng)，引線球吸收的能量越多，鍵合點(diǎn)的直徑就越大，界面強(qiáng)度增加而頸部強(qiáng)度降低，會(huì)使鍵合點(diǎn)超出焊盤邊界并且導(dǎo)致空洞生成概率增大。因此設(shè)置合適的鍵合時(shí)間也顯得尤為重要。焊接作用的鍵合時(shí)間，對(duì)Ball Shear影響趨勢(shì)圖如下：四鍵合工具與原材料4.1 劈刀鍵合劈刀的選折和使用磨損狀況對(duì)于焊點(diǎn)的質(zhì)量有著重要影響，劈刀的壽命一般為200萬(wàn)點(diǎn)。隨著劈刀使用焊點(diǎn)數(shù)的增加，劈刀磨損也越來(lái)越嚴(yán)重。下圖為新劈刀從開始使用到3500K焊點(diǎn)的外觀磨損變化對(duì)比圖片。而隨著劈刀磨損

10、，其焊點(diǎn)的質(zhì)量也逐漸變差，下圖為第一、二焊點(diǎn)外觀狀況隨劈刀焊接點(diǎn)數(shù)增加的變化對(duì)比圖片：可以看出常規(guī)狀態(tài)下，劈刀與第二點(diǎn)焊接變化有著密切關(guān)系，而隨著原材料成本價(jià)格不斷上升，工藝技術(shù)的改善的同時(shí)，卻難以越長(zhǎng)劈刀的壽命，上記試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法與實(shí)際結(jié)合，取得實(shí)際理想的效果。經(jīng)過(guò)大量的設(shè)備量產(chǎn)管控呈現(xiàn)的結(jié)果，實(shí)際劈刀的壽命是上記試驗(yàn)結(jié)果的1/10倍，主要原因?yàn)榕禩IP異物附著，縮短的劈刀的使用壽命。劈刀使用完了及清潔后狀態(tài)如下：從做過(guò)的成分分析結(jié)果來(lái)看，TIP上的異物成分有金屬Ag；C；O；CL等物質(zhì)，物質(zhì)的來(lái)源確認(rèn)評(píng)價(jià)，主要集中1）L/F表面；2）金線；3)Cleanroom環(huán)境 4）化合生成 等方面。

11、因?yàn)楣?chǎng)工程中沒有得到確切有效的數(shù)據(jù)評(píng)估，無(wú)法降低異物的來(lái)源，所以工程品質(zhì)管控加強(qiáng)對(duì)鍵合機(jī)臺(tái)的清潔清掃，特別是Wire軌道的清掃頻度加大。作為工程技術(shù)人員，曾提到劈刀的專業(yè)化清潔再利用延長(zhǎng)劈刀壽命，導(dǎo)入清潔設(shè)備和能夠合作的公司沒有得到落實(shí)，所以工程一直維持劈刀的壽命縮短化來(lái)滿足產(chǎn)品品質(zhì)要求。這是一個(gè)技術(shù)難題，現(xiàn)況中也在不斷的促進(jìn)其他的適用方法來(lái)提供潔凈度，提高劈刀的使用壽命。如果Ag Wire/Cu Wire導(dǎo)入生產(chǎn)使用的時(shí)候，專業(yè)化劈刀的使用，以及鍵合工藝的變化，金線Bonding中產(chǎn)生的氧化物減少和劈刀價(jià)格問題會(huì)促使的壽命增加展望。4.2 金絲金絲作為一個(gè)重要的原材料必須具備幾個(gè)重要的特性

12、；良好的機(jī)械性能和導(dǎo)電特性，合適的破斷力，選折正確的尺寸，表面清潔無(wú)污染無(wú)損傷。目前LED封裝行業(yè)金線直徑大多選折1.0 MIL或1.2mil，純度為99.99%，延伸率一般為2%8%，斷裂負(fù)荷一般要求：1.0mil金絲大于10g，1.2mil 金絲大于16g。 太軟的金絲會(huì)導(dǎo)致以下不良：（1） Loop拱絲下垂。（2） 球形不穩(wěn)定（3） 球頸部容易收縮（4） 金線易斷裂太硬的金絲會(huì)導(dǎo)致以下不良：（1） 將芯片電極或外延打出坑洞（2） 金球頸部斷裂（3） 形成合金困難（4） Loop拱絲弧線控制困難4.3 芯片電極對(duì)焊點(diǎn)的影響（1）芯片電極本身蒸鍍不牢靠，導(dǎo)致焊線后電極脫落或者損傷。（2）芯片電極本身可焊性差，會(huì)導(dǎo)致焊球虛焊。（3）芯片電極表面臟污，如裝架的銀膠，其他物體接觸芯片表面，芯片存儲(chǔ)不當(dāng)導(dǎo)致電極表面氧化等等。由于金屬熔球與焊盤的尺寸都很小，因此對(duì)鍵合表面的清潔非常敏感，鍵合表面的輕微污染都可能導(dǎo)致兩者間的金屬原子擴(kuò)散不能進(jìn)行，造成失效和虛焊?，F(xiàn)階段可以導(dǎo)入Air Blow的方式嫁接到焊接機(jī)臺(tái)上，盡可能對(duì)L/F和芯片表面潔凈。因?yàn)閷?duì)高精密器件，可能要引進(jìn)等離子清洗設(shè)