引腳貼裝及有線元模擬

1、上海大學 2013 14 學年 冬 季學期研究生課程考試（小論文）課程名稱： 電子封裝及有限元模擬 課程編號： 09SAS9008 論文題目: 引腳貼裝及有限元模擬 研究生姓名: 周志鵬 學 號: 13721420 論文評語:成 績: 任課教師: 張燕 評閱日期: 引腳貼裝及有限元模擬周志鵬（上海大學 機自學院，上海200072）摘要：引腳貼裝是電子封裝的一種形式，而引線鍵合技術(shù)又是其重要的一項技術(shù)，本文對引腳貼裝進行簡單的概述，并對其關(guān)鍵技術(shù)，引線鍵合技術(shù)做了較為詳細的介紹，最后基于有限元分析法，利用ANSYS 進行動力學分析.關(guān)鍵詞：引腳；引線鍵合；ANSYS；有限元模擬Pin-SMT a

2、nd finite element simulationZHOU Zhi-peng(School of Mechanical Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)Abstract: Pin-SMT is a form of electronic packaging, the wire bonding technology is the important technology, in this paper, the pin-SMT has simple introduced, and i

3、ts key technologies, wire bonding technology made a detailed introduction, Lastly,based on the finite element analysis, Using ANSYS dynamic o analysis it.Key words: pin; wire bonding; ANSYS;finite element modeling1 概述1.1 引腳定義1.1.1 定義 引線末端的一段，通過軟釬焊使這一段與印制板上的焊盤共同形成焊點。引腳可劃分為腳跟（bottom）、腳趾（toe）、腳側(cè)（side）等

4、部分。 引腳，又叫管腳，英文叫Pin。 就是從集成電路（芯片）內(nèi)部電路引出與外圍電路的接線，所有的引腳就構(gòu)成了這塊芯片的接口1.1.2 功能（1）腳是一個多功能引腳，各種制式下的第二伴音中頻信號可以用不平衡的方式從該腳進入內(nèi)部的調(diào)頻解調(diào)電路解調(diào)，同時它還是塊內(nèi)AVTV轉(zhuǎn)換和PAL、NTSC、SECAM彩色制式轉(zhuǎn)換的控制引腳，輸入阻抗大約3.4K。（2）腳是識別輸出腳，它以C門方式輸出圖像識別信號，當TV方式已經(jīng)接收到圖像電視信號時，該腳對外呈現(xiàn)高阻抗，通過外接上拉電阻就能夠得到高電平信號；當沒有接收到信號時，該腳呈現(xiàn)低阻抗，輸出低電平 （3）腳 是APC1濾波器端子，該芯片內(nèi)部以振蕩的方式產(chǎn)生

5、38MHz開關(guān)信號完成圖像中頻信號的解調(diào)，產(chǎn)生的開關(guān)信號是否準確，就依靠自動相位控制電路（APC）控制。其中該腳上完成APC1誤差信號的濾波。（4）腳是APC2濾波器端子，第二級APC電路的濾波端。等等。1-21.2 引腳識別方法集成電路的引腳較多，如何正確識別集成電路的引腳則是使用中的首要問題。下面介紹幾種常用集成電路引腳的排列形成。3 (a) (b) (c) (d) (e) (f)圖1.1 各類集成電路的引腳識別方法Fig.1 1 The pin identification methods of all kinds of integrated circuit圓形結(jié)構(gòu)的集成電路和金屬殼封裝

6、的半導(dǎo)體三極管差不多，只不過體積大、電極引腳多。這種集成電路引腳排列方式為：從識別標記開始，沿順時針方向依次為l、2、3如圖1.1(a)所示。單列直插型集成電路的識別標記，有的用切角，有的用凹坑。這類集成電路引腳的排列方式也是從標記開始，從左向右依次為1、2、3如圖1.1(b)、(c)所示。扁平型封裝的集成電路多為雙列型，這種集成電路為了識別管腳，一般在端面一側(cè)有一個類似引腳的小金屬片，或者在封裝表面上有一色標或凹口作為標記。其引腳排列方式是：從標記開始，沿逆時針方向依次為1、2、3如圖1.1(d)所示。但應(yīng)注意，有少量的扁平封裝集成電路的引腳是順時針排列的。雙列直插式集成電路的識別標記多為半

7、圓形凹口，有的用金屬封裝標記或凹坑標記。這類集成電路引腳排列方式也是從標記開始，沿逆時針方向依次為1、2、3如圖1.1(e)、(f)。集成電路引出腳排列順序的標志一般有色點、凹槽及封裝時壓出的圓形標志。對于雙列直插集成塊，引腳識別方法是將集成電路水平放置，引腳向下，標志朝左邊，左下角為第一個引腳，然后按逆時針方向數(shù)，依次為2，3，4，等等。對于單列直插集成板，讓引腳向下，標志朝左邊，從左下角第一個引腳到最后一個引腳，依次為1，2，3，等等。如圖1.2所示。圖1.2 各類集成電路的引腳識別方法Fig.1 2The pin identification methods of all kinds o

8、f integrated circuit1.3 引腳氧化處理及預(yù)防1.3.1 引腳氧化的原因 對 S M D 引腳 (球 ) 表面的氧化物 ( 主要為銅、 錫表面氧化層 ) 的研究表明, 高溫高濕是 形成氧化層的主要原因, 而造成 S M D 引腳吸潮氧化的原因為在空氣中暴露的時間過長, 或者超過器件的極限存儲周期, 而可能造成上述問題的環(huán)節(jié)按時間順序依次為采購、 檢驗、 儲存和使用 ( 電子裝聯(lián) ) 等幾個環(huán)節(jié)。41.3.2 S M D 引腳氧化的處置對于引腳已經(jīng)氧化的器件, 要根據(jù)氧化的程度采取相應(yīng)的處置方法。對于輕度氧化的 S M D 一般可以采取烘焙的方法, 以去除器件內(nèi)吸進的潮氣,

9、減輕氧化的程度。另外也有用等離子清洗機進行清洗的。5主要分三類：1. 高溫烘焙進行預(yù)處理2. 干燥柜常溫去濕防氧化3. 采用等離子清洗2 引線鍵合2.1 定義用金屬絲將芯片的I/O端（inner lead bonding pad: 內(nèi)側(cè)引線端子）與對應(yīng)的封裝引腳或者基板上布線焊區(qū)（outer lead bonding pad: 外側(cè)引線端子）互連，實現(xiàn)固相焊接過程，采用加熱、加壓和超聲能，破壞表面氧化層和污染，產(chǎn)生塑性變形，界面親密接觸產(chǎn)生電子共享和原子擴散形成焊點，鍵合區(qū)的焊盤金屬一般為Al或者Au等，金屬細絲是直徑通常為2050微米的Au、Al或者SiAl絲。62.2 應(yīng)用范圍 低成本、高

10、可靠、高產(chǎn)量等特點使得它成為芯片互連的主要工藝方法，用于下列封裝：1. 陶瓷和塑料BGA、單芯片或者多芯片2. 陶瓷和塑料 (CerQuads and PQFPs)3. 芯片尺寸封裝 (CSPs)2.3 鍵合方法低成本、高可靠、高產(chǎn)量等特點使得它成為芯片互連的主要工藝方法，用于下列封裝： 陶瓷和塑料BGA、單芯片或者多芯片陶瓷和塑料 (CerQuads and PQFPs)芯片尺寸封裝 (CSPs)板上芯片 (COB)。2.3.1超聲焊接超音波接合以接合楔頭(Wedge)引導(dǎo)金屬線使其壓緊于金屬焊盤上，再由楔頭輸入頻率20至60KHZ，振幅20至200m，平行于接墊平面之超音波脈沖，使楔頭發(fā)生

11、水平彈性振動，同時施加向下的壓力。使得劈刀在這兩種力作用下帶動引線在焊區(qū)金屬表面迅速摩擦，引線受能量作用發(fā)生塑性變形，在25ms內(nèi)與鍵合區(qū)緊密接觸而完成焊接。常用于Al絲的鍵合。鍵合點兩端都是楔形 。鋁合金線為超音波最常見的線材；金線亦可用于超音波接合，它的應(yīng)用可以在微波元件的封裝中見到。超音波接合只能產(chǎn)生楔形接點(Wedge Bond)。它所能形成的形成的連線弧度(稱為Profile)與接點形狀均小于其他引線鍵合方法所能完成者。因此適用于焊盤較小、密度較高的IC晶片的電路連線；但超音波接合的連線必須沿著金屬迴繞的方向排列，不能以第一接點為中心改變方向，因此在連線過程中必須不斷地調(diào)整IC晶片與

12、封裝基板的位置以配合導(dǎo)線的迴繞，不僅其因此限制了鍵合的速度，亦較不利于大面積晶片的電路連線。2.3.2 熱壓焊金屬線過預(yù)熱至約300至400的氧化鋁(Al2O3)或碳化鎢（WC）等耐火材料所制成的毛細管狀鍵合頭（Bonding Tool/Capillary,也稱為瓷嘴或焊針），再以電火花或氫焰將金屬線燒斷并利用熔融金屬的表面張力效應(yīng)使線之末端成球狀（其直徑約金屬線直徑之2倍），鍵合頭再將金屬球下壓至已預(yù)熱至約150至250的第一金屬焊盤上進行球形結(jié)合（Ball Bond）。在結(jié)合時，球點將因受壓力而略為變形，此一壓力變形之目的在于增加結(jié)合面積、減低結(jié)合面粗糙度對結(jié)合的影響、穿破表面氧化層及其他

13、可能阻礙結(jié)合之因素，以形成緊密之結(jié)合。2.3.3 熱聲焊為熱壓結(jié)合與超音波結(jié)合的混合方法。熱超音波結(jié)合也先在金屬線末端成球，再使用超聲波脈沖進行導(dǎo)線材與金屬接點間之結(jié)合。熱超音波結(jié)合的過程中結(jié)合工具不被加熱而僅僅是結(jié)合之基板維持在100至150的溫度，此一方法除了能抑制結(jié)合界面介金屬化合物(Intermetallic Compounds)之成長之外，并可降低基板的高分子材料因溫度過高而產(chǎn)生劣化變形的機會，因此熱超音波結(jié)合通常應(yīng)用于結(jié)合困難度較高的封裝連線。金線為熱超音波結(jié)合最常被使用的材料。7表2.1為三種方法的比較：表2.1 三種方法比較Tab2.1 Three methods of com

14、parison3 有限元模擬3.1模型的建立及材料參數(shù)的確定83.1.1模型幾何尺寸及網(wǎng)格劃分 超聲楔焊有限元 模型包括劈 刀、 Cu 引線、 A u /N i/Cu 焊盤和 S i 芯片四部分。劈刀的主要參數(shù)如圖 3.1所示。右側(cè)是劈刀端部的放大圖。引線直徑25m, 其穿過劈刀孔處是彎曲的。 A u /N i/Cu 焊盤的金屬化層厚度分別為 2 m 、 6 m 和 24 m, S i芯片厚度為200 m , 整個焊盤以及芯 片的長度為340m 。圖3.1 劈刀具體尺寸圖 Fig.3.1 Cleaver specific size chart劈刀硬度很大且尺寸相對較大, 因此采用密度較小的三角

15、形網(wǎng)格。在劈刀與引線接觸的區(qū)域細化網(wǎng)格, 以保證計算結(jié)果的精度。引線以及焊盤都采用計算精度較高的四邊形網(wǎng)格, 并且在變形較大區(qū)域, 網(wǎng)格密度很高; 而遠離這一區(qū)域, 密度逐漸減小,如圖 3.2 所示。劈刀與引線的接觸面為剛性 - 彈塑性面 - 面接觸; 引線與焊盤的接觸面為彈塑性 - 彈塑性面 - 面接觸。接觸區(qū)域的網(wǎng)格尺寸是一致的。圖3.2模型網(wǎng)格劃分圖Fig.3.2 Mesh model3.1.2 超聲楔焊動態(tài)過程模擬超聲楔焊的鍵合過程包括 4 個階段: Z 向運動、擠壓、 超聲振動和移開。首先劈刀移向焊盤; 當劈刀接觸到引線之后劈刀向下移擠壓引線, 引線變形并與焊盤緊密接觸; 然后超聲開

16、始作用, 表現(xiàn)為劈刀橫向方向上的來回振動; 完成鍵合后, 劈刀移開。本文主要模擬沖壓和超聲振動這兩個階段。劈刀的位移曲線圖如圖3.3所示。本文模擬劈刀接觸引線到劈刀離開引線這一時段: 縱向上劈刀接觸到引線之后開始向下擠壓引線, 擠壓持續(xù)30 m s ,下降 6 m ; 隨后劈刀在橫向上以振幅 A 做周期為16s的來回振動, 持續(xù)兩個周期即32s后完成鍵合; 最后劈刀以一定的速度移開。整個模擬階段持續(xù)時間為60ms。圖3.3劈刀的位移曲線Fig.3.3 Cleaver displacement curve3.1.3 模擬過程中的簡化及假設(shè) 超聲楔焊是一個復(fù)雜的物理過程, 影響因素較多。為得到有效

17、的模擬結(jié)果并簡化計算, 本文采用以下假設(shè): ( 1 ) 假設(shè)超聲楔焊在恒定室溫下進行, 不考慮超聲楔焊過程中摩擦所產(chǎn)生的熱量以及各物體之間的傳熱; ( 2 ) 不考慮超聲能量對材料屈服強度的影響, 忽略超聲能量對接觸金屬之間擴散的影響,并將超聲 作用轉(zhuǎn)換為其在橫向上的移動; ( 3 )假設(shè)劈刀和芯片為線彈性材料, 引線和焊盤金屬化層為彈塑性材料。各材料均為各向同性材料。3.1.4 材料性能參數(shù)的確定對于彈塑性材料需要考慮其塑性行為, 此時材料將發(fā)生加工硬化 ! 隨著塑性變形量的增加, 材料的屈服應(yīng)力緩慢地增加。 ANSYS 材料模型庫提供雙線性等向強化 ( B I S O ) 塑性模型, 它是

18、用兩條直線來擬和材料在到達屈服應(yīng)力前后的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線, 如圖3.4所示。所確定的材料參數(shù)見表3.1 。圖3.4 彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3.4 The elastoplastic stress-strain curve表3.1 材料參數(shù)Tab3.1 material parameter3.2 模擬結(jié)果與討論3.2.1 超聲楔焊過程中應(yīng)力應(yīng)變云圖變化將超聲振動階段 的劈刀橫向位 移振幅 A 設(shè)為4.0m, 本文將討論在這一超聲功率作用下整個焊點結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力和應(yīng)變場以及隨其 時間的變化情況。本文提取 4個時刻的計算結(jié)果, 分別是: 劈刀開始向下移動時刻 ( 3 . 000 m s , 即

19、時刻 1 ), 劈刀結(jié)束向下移動開始超聲振動時刻 ( 30.000 m s , 即時刻 2 ) ,超聲振動作用 1 /4 個周期時刻 ( 30 . 004 m s , 即時刻3 ) 和超聲振動作用 3 / 4 個周期時刻 ( 30 . 012 m s , 即時刻4) 。鍵合過程中應(yīng)力場變化的計算結(jié)果如圖3.5所示。時刻 1 和時刻 2的模擬結(jié)果說明: 在擠壓階段,引線、 焊盤及芯片中的應(yīng)力值隨著劈刀的下移而增大。最大應(yīng)力值出現(xiàn)在劈刀和引線接觸區(qū)域兩端,引線以及焊盤中劈刀正下方區(qū)域也出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。如果以焊盤中心線為軸, 隨著遠離中心軸應(yīng)力值逐漸減小, 并且整個應(yīng)力場近似為對稱分布。時刻3和

20、時刻4的模擬結(jié)果說明: 在超聲作用階段隨著劈刀的來回移動, 引線、 焊盤以及芯片中的應(yīng)力分布也隨之周期性而變化。當劈刀移向右端時, 整個應(yīng)力場向右傾移如圖3.5( c) 所示; 劈刀移至左端時, 整個應(yīng)力場向左傾移如圖 3.5( d )所示。在超聲振動作用階段, 焊點結(jié)構(gòu)中因劈刀的來回振動產(chǎn)生周期性應(yīng)力。在實際的鍵合過程中, 這種周期性應(yīng)力振蕩有助于材料表面氧化物的清除, 以及促進引線的塑性變形而使引線和焊盤的接觸面積增加, 并最終形成連接。圖3.5 鍵合過程中應(yīng)力場云圖Fig.3.5 In the process of bonding stress nephogram3.2.2 超聲振動對塑

21、性變形的影響以上結(jié)果說明在超聲振動作用階段, 材料中應(yīng)力值發(fā)生變化, 對鍵合產(chǎn)生重要的影響。這里將分析超聲振動作用階段, 引線和焊盤中的塑性應(yīng)變量的變化。將超聲振動振幅設(shè)為4.0m, 分別提取引線以及焊盤中劈刀正下方區(qū)域的不同單元的計算結(jié)果,如圖3.6 所示。以焊盤中心軸為參考零點, 所選取單元均布于中心軸兩邊 L = 50m 的范圍內(nèi), 單元的投影坐標值為 x , 令參考值 k = x/L。 圖3.6單元選取示意圖 Fig.3.6 Unit selection在引線中分別取 k 為 + 1 . 0 、# 0 . 6 、 - 0 . 4 和 0共 5 個單元。 Cu 引線在整個超聲楔焊過程內(nèi)其

22、塑性應(yīng)變量的變化如圖3.7( a) 所示?？梢钥闯? 在擠壓大 ; 其 中 k 為 + 1 . 0單元 的變 化 速率 較 小, 而 k 為# 0 . 6 單元的最大。在超聲振動作用階段, 引線中的塑性應(yīng)變量產(chǎn)生一個階躍, 且階躍量隨單元的位置不同而不同。在中間部位 ( k 為 0 ) 階躍量很小,而隨著遠離中心 ( k 為 - 0 . 4 和 # 0 . 6 ) 階躍量不斷增大, 但一定距離之后 ( k為 + 1 . 0 ) 階躍量減小。在劈刀移開引線到模擬結(jié)束階段, 整個焊點結(jié)構(gòu)的塑變量不發(fā)生變化。在焊盤中分別取 k 為 - 1 . 0 、# 0 . 8 、 + 0 . 6 和 0共 5

23、個單元。計算結(jié)果如圖3.7( b ) 所示?？梢钥闯龊副P的塑性應(yīng)變量的變化以及不同位置單元的塑性變形量的區(qū)別基本上和引線中的一致。但是焊盤中單元的總塑性應(yīng)變量比引線中的小, 其塑性變形階躍量也要比引線中的小, 這說明超聲對于焊盤塑性應(yīng)變量的作用要比對引線的小。圖3.7超聲楔焊過程引線和焊盤塑性應(yīng)變量的變化 Fig.3.7 Ultrasonic wedge bonding process and bonding pad plastic lead the change of the dependent variable3.2.3 超聲功率對引線鍵合過程中應(yīng)力應(yīng)變的影響上述模擬結(jié)果說明超聲對引線和焊

24、盤的塑性變形有促進作用。本節(jié)研究超聲功率改變時, 引線和焊盤中應(yīng)變以及芯片中應(yīng)力的變化。分別提取超聲振動振幅為 1 . 0m ( A 1 ) 、 2 . 0m ( A 2 ) 和 4 . 0 m( A 3 )時的計算結(jié)果。 不同超聲振動作用時, 對 Cu 引線和 A u 焊盤層中單元的塑性應(yīng)變量的比較如圖 8 所示。選取時刻在超聲作用結(jié)束之后 ( 3 0 . 032 m s時 ), 單元分布在 k等于 - 1 . 0 + 1 . 0 的范圍內(nèi)。圖3.8 ( a) 的模擬結(jié)果說明 Cu 引線的塑 性應(yīng)變 量隨超聲功率增大而增加; 圖 3.8( b ) 的模擬結(jié)果說明 A u 焊盤層的塑性應(yīng)變量也

25、隨著超聲功率的增大而增加, 這與引線中的情況相一致, 但這種增加沒有引線中的明顯。 （a） (b)圖3.8 不同超聲功率時 Cu引線和焊盤塑性應(yīng)變量的比較 Fig.3.8 The comparison of dependent variable between the Cu lead and bonding pad plastic in the Different ultrasonic power四種超聲功率下, S i 芯片中應(yīng)力的模擬結(jié)果如圖3.9所示。選取的時間是鍵合結(jié)束時 ( 60 . 032 m s),單元分布在 k 等于 - 1 . 0 + 1 . 0 的范圍內(nèi)?？梢钥闯?S i 芯片中的等效應(yīng)力隨著超聲功率增大而增加。等效應(yīng)力的變大會對芯片下結(jié)構(gòu)造成損害, 形成連接缺陷。圖3.9 不同超聲功率時芯片中的等效應(yīng)力 Fig.3.9 The equivalent stress of the chip in the different ultrasonic power 上述的模擬結(jié)果說明: 增加超聲功率對引線變形以及鍵合是有利的, 但同時會對焊盤以及芯片造成有害影響, 形成缺陷。因此鍵合過程中不能通過單純增加超聲鍵合功率來獲得優(yōu)質(zhì)焊點。3.3 結(jié)論 采用有限元模擬的方法分析了超聲楔焊動態(tài)過程, 主要研究沖壓和超聲振動兩個階段。模擬結(jié)果表明: ( 1) 在鍵合的擠壓