超聲參數(shù)對引線鍵合性能的影響

1、超聲參數(shù)對引線鍵合性能的影響摘 要：介紹了超聲引線鍵合技術(shù)的基本技術(shù)路線和基本原理，分析了超聲波的功率、頻率、振動軌跡及壓力等參數(shù)對超聲引線鍵合性能的影響。相比其它影響參數(shù)，采用高頻或頻復(fù)雜振動系統(tǒng)最有利于提高鍵合性能。關(guān)鍵詞：超聲，引線鍵合，超聲焊接The influence of ultrasonic parameters in wire bonding performanceZhou Guangping1 Liang Zhaofeng1 Zhang Yang2 Lu Yigang2(1. Shenzhen Polytechnic; 2. College of Physics and Te

2、chnology, South China University of Technology)ABSTRACT: In this paper, the basic technical rout and the principle of the ultrasonic wire bonding technology were introduced. The parameters, such as ultrasonic power,frequency, the vibration locus, force, etc, which influence the performance of ultras

3、onic wire bonding, were analyzed. Compared with other influence parameters, the using of high-frequency system or high-frequency complex system is most in favor of increasing bonding performance.KETWORDS: ultrasonic; wire bonding; ultrasonic welding引言在超大規(guī)模集成電路中，引線鍵合是封裝工藝中半導(dǎo)體芯片和外界連接的關(guān)鍵性工藝，也是最通用最簡單而有效

4、的一種連接方式1-2。當(dāng)今，引線鍵合仍然是第一級連接的主要形式3。引線鍵合(WB)技術(shù)是用金屬絲將集成電路(IC)芯片上的電極引線與集成電路底座外引線連接在一起的工藝過程，通常采用熱壓、熱超聲和超聲方法進行，現(xiàn)在常用的鍵合方法主要是熱超聲和超聲方法，熱超聲鍵合已逐步取代了熱壓鍵合4。引線鍵合機的工藝技術(shù)涉及光、機、電及軟件的設(shè)計控制等許多方面5。因國外的技術(shù)限制，我們國家在這種設(shè)備上主要依賴于進口，特別是全自動鍵合機。在超聲焊接系統(tǒng)與工藝方面，主要研究外部條件，如超聲波的功率、頻率、振動軌跡、振幅、焊接壓力的大小、鍵合時的溫度等工藝參數(shù)，對鍵合性能的影響。對于超聲工作者，主要研究超聲振動系統(tǒng)對

5、于鍵合性能的影響。本文主要探討鍵合機中超聲參數(shù)對鍵合性能的影響。1 超聲引線鍵合技術(shù)一般的引線鍵合機的超聲系統(tǒng)由電信號發(fā)生器、換能器（包括壓電換能器和聚能器）以及鍵合工具組成，如圖1所示。電信號發(fā)生器是向超聲換能器提供超聲頻電能的一種裝置，換能器由壓電換能器和聚能器（又稱變幅桿）兩部分組成，壓電換能器將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，聚能器在傳遞壓電換能器所轉(zhuǎn)換成的振動能量的同時，實現(xiàn)放大輸出振幅的功能，鍵合工具的作用是通過與引線的接觸傳遞超聲能，并在靜態(tài)壓力、溫度的配合下實現(xiàn)引線與焊盤的鍵合。超聲鍵合方法是利用超聲波的能量，使金屬絲與電極在常溫下直接鍵合，其鍵合工具頭呈楔形，故又稱楔鍵合（楔壓焊）。熱超聲

6、鍵合方法是先用高壓電火花使金屬絲端部形成球形，然后在IC芯片上球焊，再在管殼基板上楔焊，故又稱為球鍵合。目前大約有93%的半導(dǎo)體封裝采用球鍵合工藝，5%采用楔鍵合工藝，其中最為廣泛采用的是熱超聲u絲球鍵合，主要原因是其鍵合速度快于超聲波l絲楔鍵合4,6。PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 試用版本創(chuàng)建目前，大多數(shù)引線鍵合機的超聲頻率為60kHz。選擇60kHz的作為工作頻率已有幾十年的歷史，那是基于當(dāng)時用于生產(chǎn)的合適的換能器尺寸和焊接時的穩(wěn)定性3。隨著科技的不斷進步和生產(chǎn)、使用要求的不斷提高，銅絲鍵合新工藝的出現(xiàn)，晶片鋁金屬化布線向銅金屬化布線的轉(zhuǎn)變，推動了

7、低成本、細(xì)間距、高引出端數(shù)器件封裝的發(fā)展，也在制造工藝上對鍵合機提出了挑戰(zhàn)。超細(xì)間距引線鍵合需要超聲換能器所發(fā)生的超聲振動具有更高的穩(wěn)定度及更大的強度，此外，新的鍵合材料(例如銅)要求超聲換能器有最合適的振動頻率7。在BGA8封裝中，常需要在低溫下進行鍵合，而在低溫下進行鍵合時，對鍵合強度和可靠性會產(chǎn)生不良影響，要解決這一問題就必須要求鍵合機具有較高的（100kHz以上）超聲頻率。近年來，引線鍵合機的生產(chǎn)者已經(jīng)把他們的換能器的振動頻率從60kHz提高到了100kHz以上，設(shè)計出了高頻超聲振動系統(tǒng)7。還有的研究者還根據(jù)不同的焊頭振動軌跡，設(shè)計出高頻復(fù)雜振動系統(tǒng)9-10。2 超聲參數(shù)對引線鍵合性能

8、的影響影響引線鍵合質(zhì)量的因素有多方面，例如超聲功率、焊接壓力、焊接時間、溫度、引線材料、鍵合工具等。超聲引線鍵合的鍵合質(zhì)量是由各參數(shù)相互匹配來決定的，不能單一強調(diào)某個參數(shù)的作用。近年來，人們研究了超聲功率、頻率、振動軌跡、振幅等參數(shù)對超聲引線鍵合性能的影響，得到了許多有助于提高焊接性能的結(jié)果。2.1 超聲功率與鍵合性能的關(guān)系目前，在工業(yè)上人們多數(shù)認(rèn)同擴散是引線鍵合中焊點形成的機制這一理論11。在超聲焊接過程中，焊接依靠超聲功率帶動焊接工具振動，從而使引線產(chǎn)生塑性形變，并能去除界面的污物和氧化層，為原子擴散提供原始的接觸區(qū)域，使焊點實現(xiàn)真正的冶金鍵合。如果超聲功率設(shè)得非常高，將使引線立即產(chǎn)生塑性

9、形變，結(jié)果，在鍵合壓力作用下，引線馬上坍塌下來，不能有效去除鍵合表面的污物和氧化物，限制了原子的擴散，原子擴散由外向里向起始焊接環(huán)擴張，導(dǎo)致一個大區(qū)域未獲得焊接11。過大的超聲功率會導(dǎo)致鍵合工具以過大的振幅振動，導(dǎo)致變形太大，會使焊點抗拉強度減弱12-13。功率過大還會損壞金屬化層，破壞芯片表面13。而且，使用高功率可能會在金屬化合結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生氣泡，這會導(dǎo)致非常大的失效11。另一方面，如果超聲功率設(shè)得相對較低，引線的塑性形變較為平緩，能有效去除鍵合表面的污物和氧化物，為最新的活性原子擴散提供原始的接觸區(qū)域，原子擴散是從起始焊接環(huán)由里向外擴張，這種情況的焊接是比較充分的，而且還使得金屬化合結(jié)構(gòu)間的

10、變化降到最小，但是所需的鍵合時間長，這不利于提高生產(chǎn)速度；倘若減少焊接時間，又可能因鍵合的能量不夠，起不到焊接作用，造成虛焊 1114 。不同直徑的引線所需的功率不同，直徑粗的引線，要求的功率大些。只有選擇合適的超聲功率，才能獲得良好的鍵合效果11-15。2.2 超聲頻率、振動軌跡和振幅與鍵合性能的關(guān)系Bill Gonzalez等采用60kHz和120kHz的換能器，對直徑為25µm的鋁絲和兩層PGA板間的焊接特性進行了研究，結(jié)果表明，提高超聲頻率對于減少焊接時間有顯著的效果。對比推薦的焊接時間，每個焊點能減少10ms，每根引線能減少20ms，采用120kHz換能器焊接，產(chǎn)生的引線焊

11、點剝落失效比采用60kHz產(chǎn)生的少，還能減少對焊點根部的損傷16。PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 試用版本創(chuàng)建正如前面提到的，過大的超聲功率會導(dǎo)致鍵合工具以過大的振幅振動，導(dǎo)致變形太大，會使焊點抗拉強度減弱。而采用高頻超聲振動系統(tǒng)能避免這種情況，在功率一定的情況下，增加頻率f可以看作一種降低振幅的方法，而且能在減小振幅的情況下獲得同樣質(zhì)量的焊點。同時，振幅減小，有利于減小焊點寬度，也就相應(yīng)的可以在相同面積的芯片內(nèi)獲得更多的焊點。我們知道，完成一次焊接需要一定的時間。在其他焊接條件不變的情況下，隨著焊接時間的增加，焊接強度會增大到一個最大值，之后繼續(xù)增加焊

12、接時間的話焊接強度會逐漸下降20。為了提高生產(chǎn)速度，我們希望在獲得同樣的焊接質(zhì)量的情況下能盡量縮短焊接時間，高頻系統(tǒng)明顯的優(yōu)勢之一就是能減少焊接時間。研究者還發(fā)現(xiàn)18，采用復(fù)雜振動的高頻系統(tǒng)，能進一步減少焊接時間。在引線鍵合過程中，基板的溫度控制是很重要的，人們希望能盡量減小焊接時的溫度，最理想的就是希望能在室溫下進行焊接，減小鍵合溫度對于像PBGA這種封裝也是必要的，PBGA的特點是采用聚合物作為基版，它存在1700C2150C的玻璃化過渡（glass120kHz高頻的PBGA引線鍵合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在120kHz高頻引線鍵合中，溫度起的作用較小，使用高頻超聲引線鍵合機，金絲引線鍵合在低溫下（8

13、01200C）也是可行的。其結(jié)果表明，把換能器的工作頻率從60kHz提高到120kHz，可以補償在PBGA引線鍵合中受PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 試用版本創(chuàng)建到溫度限制的能量，而無需增加焊頭的振幅和焊接時間22。T. H. Ramsey等人采用超聲頻率為240kHz的引線鍵合系統(tǒng)，也在實驗中證實了使用高頻換能器的低溫引線鍵合能提高鍵合點的剪切強度23。焊接過程中，還有一個非常重要的影響因素，就是鍵合壓力（焊接壓力），它指的是焊點處的垂直壓力。焊接壓力的大小直接影響到焊點的鍵合質(zhì)量。如果壓力太小，會導(dǎo)致引線焊不牢，同時會造成引線與鍵合工具端面粘連現(xiàn)象。

14、而壓力過大，會使引線的變形增大，甚至切斷引線，破壞金屬層。在其他焊接條件不變的情況下，不同規(guī)格的引線在焊接時需施加的靜壓力也不同，粗的引線所需的壓力要大些13。Shze.J .Hu采用不同的超聲功率和焊接壓力研究了溫度參數(shù)對熱聲金絲引線鍵合的影響，其實驗結(jié)果表明，在其他焊接條件一定的情況下，一定焊接壓力范圍內(nèi)的平均球剪切強度隨著焊接壓力的增大而增大15。從能量因素來看，可以認(rèn)為壓力也是提供原子擴散所需的能量的一方面，增大壓力可以補償?shù)蜏劓I合時的溫度限制，但是，壓力過大會導(dǎo)致不利于焊接質(zhì)量的結(jié)果。這說明壓力的調(diào)節(jié)是有限制的。研究者發(fā)現(xiàn)16，采用高頻超聲振動系統(tǒng)，允許在非常低的初始焊接壓力下焊接，

15、而不影響焊接質(zhì)量。3 高頻超聲振動系統(tǒng)工作性能問題超聲振動系統(tǒng)是超聲鍵合機的關(guān)鍵部分，為適應(yīng)封裝業(yè)發(fā)展的需求，工業(yè)生產(chǎn)者和研究者已逐步開始采用高頻超聲焊接系統(tǒng)，在實踐中人們已經(jīng)證實了相對一般60kHz的超聲焊接系統(tǒng)，高頻（100kHz以上）系統(tǒng)能獲得更好的引線鍵合質(zhì)量，但同時相應(yīng)的問題也出現(xiàn)在人們面前，就是高頻超聲振動系統(tǒng)的工作性能問題。提高引線鍵合機的超聲頻率，也就是提高換能器的工作頻率，換能器的工作性能會出現(xiàn)可靠性問題。原因是，超細(xì)間距引線鍵合需要超聲換能器所發(fā)生的超聲振動具有更高的穩(wěn)定度及更大的強度，而換能器存在的工作諧振模式很容易和其它更高的諧振模式耦合，例如半徑、厚壁模式和以及出現(xiàn)在壓電PZT環(huán)的它們的諧波，這樣就難以控制換能器24。換能器是用一個法蘭盤安裝在引線鍵合機上的，用螺釘把常用的法蘭盤擰緊組裝時，法蘭盤受到約束，法蘭盤及換能器的超聲場受到干擾，超聲換能器與焊接部件存在超聲耦合問題，而采用新的材料鈦，使用有限元法（FEM）及激光干涉測量法等新的方法，就能解決換能器的穩(wěn)定性、強度和超聲耦合等問題，設(shè)計出適合引線鍵合