了得網工業技術_復雜的引線鍵合互連工藝

內容簡介

本書詳細介紹了引線鍵合互連工藝技術，從引線鍵合的材料、鍵合設備、加工工藝、質量和可靠性等方面進行了詳細的論述，後介紹了引線鍵合的新工藝和新應用。在本書中，為了從材料、機器、方法學以及人力等觀點描述引線鍵合過程，采用了一個新的信息繫統和知識處理手法，同時分析和探索了在引線鍵合過程中達到六西格瑪需要考慮的各種因素，這些因素包括設計、材料、加工處理、設備、品質測試和可靠性工程以及操作培訓。

作者簡介

劉亞強，高級工程師，大學本科，國家勞動和社會保障部國家職業技能鋻定考評員，曾獲得飛利浦公司貼片機培訓。從事薄厚膜混合集成電路工藝技術的研究和生產應用，曾參與了多項國家重點項目中電子平臺和電子器件的研制生產和攻關，參與獲得國防科工委頒發的國家科技進步二等獎。“十五”預研課題《板極電路模塊高精度、高密度組裝技術》項目的負責人，進行重點型號應用電子產品的高精度、高密度組裝工藝技術研究。主持完成了為兄弟部委配套電路的批量組裝工藝定型及生產，對批量生產專用電路有獨自的認識。

第1章
11引線鍵合工藝
111熱超聲球鍵合
112超聲楔形鍵合
12球楔鍵合的優點
121熱超聲球楔鍵合的缺點
13鋁楔形鍵合的優點
131鋁楔形鍵合的缺點
14熱壓鍵合
15三種鍵合工藝的比較
16超細間距引線鍵合
161超細間距鍵合中的挑戰第2章引線鍵合的材料
21鍵合引線材料的要求和性質
211鍵合引線的要求

第1章

11引線鍵合工藝

111熱超聲球鍵合

112超聲楔形鍵合

12球楔鍵合的優點

121熱超聲球楔鍵合的缺點

13鋁楔形鍵合的優點

131鋁楔形鍵合的缺點

14熱壓鍵合

15三種鍵合工藝的比較

16超細間距引線鍵合

161超細間距鍵合中的挑戰第2章引線鍵合的材料

21鍵合引線材料的要求和性質

211鍵合引線的要求

212高電導率

213高電流負載能力

214高抗張強度和可控的延伸率

215應力應變曲線

216斷裂負載

217可控的延伸率

21素及其在機械性質上的影響

219引線的晶粒尺寸

2110熱膨脹繫數的兼容性

2111引線鍵合加工的生產率

2112氣密性封裝的鍵合引線

2113抗腐蝕性

2114器件鍵合焊盤的尺寸

22引線材料的選擇

221鍵合引線材料的選擇

222金合金對機械性能的改善

223適用於細小間距應用的金引線

224低拱絲高度應用的引線選擇

225作為鍵合引線材料的鋁和鋁合金

226添加1%硅的鋁

227鋁鎂引線

228金引線的替代品

229銅引線

23引線制造

231金和鋁鍵合引線的制造

232金屬精煉

233熔化和鑄造

234拉制

235靜液力擠壓

236退火

237纏繞和制軸

238高速自動引線鍵合機的繞軸

239鍵合引線的質量保證

2310引線的存儲

2311保存期限

24鍵合引線的質量

241拉制引線的化學分析和表面清潔

242鋁合金中硅分布的控制

25測試方法和規範

251機械性能測試

252SEM作為斷裂模式分析的一個診斷工具

253目檢

254線徑測量法第3章鍵合設備

31設備性能要求

311鍵合放置精度和可重復性

312焊球的控制

313拱絲的控制

314供料繫統

315程序的傳遞或可移植性

316成品率

317鍵合的產量

318換能器技術

319離線編程（OLP）

32設備的選擇和采購

321定義需求

322市場調研

323編寫采購說明

324運行性能測試

325撰寫采購鍵合機的評估

326怎樣撰寫設備要求說明書？

327設備選擇的優先順序矩陣分析法

328怎樣使用優先順序矩陣分析法？

33物主成本

331引線鍵合設備成本效益選擇的標準

332什麼是物主成本？

333CoO計算的參數

334物主成本軟件

335物主成本分析的實用性

34設備性能

341鍵合機的性能評價

342鍵合機評價隊伍

343鍵合機評價計劃

344引線鍵合機的性能評定

345現存封裝的加工能力

346未來封裝的加工能力

347機器能力

348機器功能

349供應商的潛力和服務

3410來自工廠各級職員的評價

3411得分調查表

3412決策

35設備維護

351建立一個維護計劃

352待機時間

353不定期停機時間

354定期停機時間

36預防性維修計劃第4章加工工藝

41工藝參數

411鍵合參數

412鍵合力

413鍵合期間的超聲能量

414鍵合溫度

415鍵合時間

416拱絲參數

417鍵合焊盤的金屬層

418鋁和鋁合金

419下層金屬層

4110鍵合焊盤金屬層的微結構

411素及其對鍵合能力的影響

4112鍵合焊盤金屬層的新型鋁合金

4113焊盤金屬層的替換

4114金屬層澱積技術

4115鈍化刻蝕

4116鍵合焊盤污染

4117芯片金屬層表面可鍵合性特征評價的方法

4118鋁鍵合焊盤的硬度測量

4119引線框架和基板的金屬層

4120基板金屬層的加工

4121鍍膜的形態

4122基板金屬層的替換

4123基板金屬層質量的特征

4124膜層性質對鍵合的影響

4125膜層缺陷的目檢

4126作為工藝參數的鍵合引線

4127引線類型

4128引線尺寸

4129引線直徑對結球的影響

4130引線直徑對剪切力的影響

4131引線直徑對斷裂負載的影響

4132引線直徑對頸部強度的影響

4133引線的一致性

4134引線線軸的影響

4135引線的表面狀況

4136第二貨源及其影響

4137焊球接觸直徑

4138鍵合工具

4139鍵合工具的選擇

4140劈刀尺寸

4141劈刀頂部直徑

4142劈刀孔及其作用

4143斜面直徑和斜面角度

4144表面角度

4145劈刀的外部半徑

4146劈刀的形狀

4147細長劈刀

4148劈刀材料

4149采用CNC加工的劈刀制造

4150陶瓷注模（CIM）加工

4151陶瓷注模加工的優點

4152劈刀材料選擇的標準

4153劈刀的表面加工

4154劈刀損傷

4155超聲鍵合的楔入工具

4156後緣半徑

4157楔形面

4158深腔鍵合

4159反向鍵合

4160引線喂料及其在鍵合位置上的影響

4161楔形工具用材料

4162終表面

4163其他楔形工具

4164其他影響鍵合的因素

4165鍵合設備和工作臺

4166圖形識別繫統

4167EFO一致性

4168引線喂料的一致性

4169精確的接觸探測和擠壓控制

4170同步

4171設置的穩定性

4172軟件相關的程序缺陷

4173鍵合缺失檢測器

4174加熱部件

4175引線框架夾具

4176工具諧振

4177專用鍵合工具的特點

4178熱壓鍵合

4179影響COB封裝的加工參數

4180操作人員技能

42工藝優化

421工藝優化的目的

422金球鍵合的化

423結球的化

424試驗的設計

425鋁楔形鍵合的化

426化第二鍵合

43工藝控制

431鍵合拉力

432控制圖表的使用

433作為可測量特征的鍵合拉力

434創建控制圖表

435計算X圖表和R圖表參數的步驟

436控制圖表的說明

437用鍵合剪切強度控制工藝

438目檢

439金屬間化合面積的測量

4310鍵合刻蝕

4311加工能力（Cpk）分析

44工藝監測

441監測鍵合響應

442超聲頻率控制和監測

443鍵合工具振動強度測量

444電容擴音技術

445阻抗測量繫統

446使用激光干涉法的超聲波測試

447使用光學傳感器的楔形工具振動強度測量

448負載對工具振動模式的影響

449鍵合力監測

4410鍵合時間監測

4411其他鍵合監測技術

4412西門子過程監測法

4413溫度監測

45加工機理

451超聲波鍵合

452工具對焊接強度的影響

453熱壓的機理

46對可鍵合能力的設計

461芯片設計規則

462焊盤設計規則

463通過引線的容許電流

464封裝和組裝設計指南

465拱絲高度的設計

466交錯焊盤的布局設計

467引線交叉

468由於芯片位移的引線交叉

469引線長度規則

4610鍵合設計和封裝兼容性

4611鍵合直徑偏離焊盤的百分比

4612為鍵合考慮的引線框架設計

4613包括鍵合能力的封裝設計軟件

47加工問題和解決方法

471焊球在鍵合焊盤上不粘連（鍵合脫離）

472在引腳上焊接的不粘連（焊接脫離）

473焊球在焊盤上的位置

474楔形焊在引腳上的位置

475引線塌陷

476引線殘尾

477鍵合期間的引線斷裂

478拱絲緊繃

479焊球畸形

4710球心偏離（高爾夫球杆）

4711露底

4712金屬擠出

4713引線歪扭

4714線夾問題

4715低頻運動和鍵合形成

4716劈刀堵塞

4717劈刀去堵

4718鍵合工具清洗的化學方法

4719鍵合焊盤和引腳框架的污染物

4720有機污染物

4721等離子清洗

4722等離子機理

4723等離子設備

4724等離子工藝參數

4725DC氫等離子

4726化學和物理清洗的分析比較

4727等離子清洗的應用

4728等離子清洗的負面影響

4729紫外/臭氧清洗

4730紫外/臭氧的機理

4731紫外/臭氧設備

4732紫外/臭氧工藝參數

4733紫外/臭氧的影響

4734紫外/臭氧的負面影響第5章質量

51鍵合拉力技術

511鍵合拉力測試

512弔鉤位置對失效模式的影響

513弔鉤直徑的影響

514引線延伸率對鍵合拉力強度的影響

515引線長度對鍵合拉力強度的影響

516拱絲高度對鍵合拉力強度的影響

517拱絲參數的影響

518鍵合拉力數據分布的分析

519拉力角度和失效模式

5110推薦的拉力測試方法

5111非破壞拉力測試

5112利用鍵合拉力測試焊接強度

5113鍵合拉力設備

5114自動鍵合拉力測試

5115鍵合拉力測試規範

5116引線鍵合拉力測試的局限性

52焊球鍵合剪切測試

521測試的描述

522焊球剪切設備

523焊球剪切測試過程

524剪切測試的變量

525剪切測試干擾和測量誤差

526不同金屬層上的剪切強度

527未被污染焊盤上鍵合的剪切測試

528厚膜上的剪切測試

529剪切力和剪切強度

5210剪切測試規範

5211非破壞剪切測試

53鍵合質量的目檢

531鍵合前檢驗

532鍵合後檢驗

533目檢標準

534自動化視覺檢驗

535目檢設備性能

536拱絲高度測量

537用於引線缺陷分析的電子掃描顯微鏡

538三維視覺檢驗規範

54特殊質量測試

541鍵合刻蝕

542電測試

543烘焙測試

544表面分析

545聲波散射第6章可靠性

61紫斑

611紫斑或金屬間化合物

612金屬間化合物的形成

613導致高電阻或電路開路的柯肯達爾空洞

614導致脆性斷裂的金屬間化合物

615Arrhenius（阿倫尼烏斯）方程

616金屬間化合物形成的分析方法

617電阻率測量

62尖刺

621鋁硅合金

63露底

631鍵合焊盤露底

632鍵合力的影響

633超聲波能量的影響

634硅節瘤誘發的露底

635引線硬度的影響

636金屬層厚度的影響

637在塑料封裝中濕氣吸收

638金屬間化合物的影響

64引線傾倒

641引線傾倒的不同原因

642鍵合引線的影響

643IC封裝設計

644注模化合物的影響

645對於注模朝向引線方位的影響

646引線傾倒的FEM

65腐蝕

651鋁銅鍵合焊盤金屬層的腐蝕

652氯引發的腐蝕

66踵裂

661熱和功率循環誘發踵失效

662功率循環和它的影響

663踵裂的原因

664鍵合引線疲勞性質的特征

665我們能通過目檢剔除踵裂嗎？

67其他可靠性問題

671芯片粘接焊盤漂移失效

672過電流失效

673晶粒生長失效

674在鍍銀引腳框架上的鋁鍵合失效

675銀鋁腐蝕

676離心試驗時的鍵合失效

68由於引線傾倒引起的電性能退化

681引線跨距對電感值的影響第7章引線鍵合的新工藝和新應用

71光電子應用中的引線鍵合

711設計挑戰

712材料挑戰

713加工問題

714光學封裝引線鍵合的加工問題

715光學封裝引線鍵合的鍵合工具

716設備要求

72疊層芯片封裝中的引線鍵合

721零拱絲楔形鍵合

722低拱絲高度

73采用新的超聲換能器的低溫鍵合

74銅鍵合工藝

741銅鍵合引線材料技術

742設備問題和挑戰

743劈刀的選擇

75微BGA引腿鍵合加工

751引腿和引線鍵合之間的不同

752引腿鍵合加工綜觀

76結論

前言

半導體器件工業的市場規模接近2 00，支持著頂層上10 00的全球電子市場。半導體器件幾乎是所有產品的骨架，它應用於我們生活的各個方面。每年估計有600億個半導體、光電子和MEMS器件封裝在塑料和密閉的封裝體內，而其中超過90%的封裝是通過引線鍵合完成的。通過計算表明，每年我們生產接近5萬億個引線鍵合點，而由於人類對越來越多的電子產品和自動控制產品的依賴，這個數量將繼續增長。我們這些從事於封裝工藝發展和組裝制造領域的，特別是引線鍵合方面的人，深知引線鍵合在影響產品質量和競爭力方面的巨大作用。
在本書中，嘗試著從制造方面和可靠性前景方面闡述引線鍵合。本書分析和探索了在引線鍵合過程中達到六西格瑪需要考慮的各種因素。這些因素包括設計、材料、加工處理、設備、品質測試和可靠性工程，以及末但必不可少的：操作培訓。盡管目前已經有許多關於引線鍵合的書籍和報告，然而本書的目標是參照許多有益的從業經驗及相關的研究工作，以讀者可理解的方式呈現它，讀者對像可以是廣大從事於芯片設計、封裝設計、晶片生產、組裝工藝、制造工程、設備工業、軟件工程、質量工程、可靠性工程、采購、維修工程、工業工程、失效分析，以及新技術發展這類工作的人員。引線鍵合技術位於各學科領域的邊緣，本書也期望吸引其他引線互連技術相關領域的讀者。

    半導體器件工業的市場規模接近2
00，支持著頂層上10
00的全球電子市場。半導體器件幾乎是所有產品的骨架，它應用於我們生活的各個方面。每年估計有600億個半導體、光電子和MEMS器件封裝在塑料和密閉的封裝體內，而其中超過90%的封裝是通過引線鍵合完成的。通過計算表明，每年我們生產接近5萬億個引線鍵合點，而由於人類對越來越多的電子產品和自動控制產品的依賴，這個數量將繼續增長。我們這些從事於封裝工藝發展和組裝制造領域的，特別是引線鍵合方面的人，深知引線鍵合在影響產品質量和競爭力方面的巨大作用。

    在本書中，嘗試著從制造方面和可靠性前景方面闡述引線鍵合。本書分析和探索了在引線鍵合過程中達到六西格瑪需要考慮的各種因素。這些因素包括設計、材料、加工處理、設備、品質測試和可靠性工程，以及末但必不可少的：操作培訓。盡管目前已經有許多關於引線鍵合的書籍和報告，然而本書的目標是參照許多有益的從業經驗及相關的研究工作，以讀者可理解的方式呈現它，讀者對像可以是廣大從事於芯片設計、封裝設計、晶片生產、組裝工藝、制造工程、設備工業、軟件工程、質量工程、可靠性工程、采購、維修工程、工業工程、失效分析，以及新技術發展這類工作的人員。引線鍵合技術位於各學科領域的邊緣，本書也期望吸引其他引線互連技術相關領域的讀者。

    本書期望成為一個全面的信息和知識的來源，既能夠幫助此領域的新手，也能夠幫助一個急需資料對工藝問題做出決定的老手。本書不僅介紹了如何設計一個鍵合焊盤或一個引出腳、怎樣選擇一種鍵合引線、怎樣設計一種劈刀以及工廠中鍵合工藝的優化，而且書中也解釋了為什麼要采用這種方式來做。因為，在任何加工過程中達到六西格瑪，不僅需要每個人知道怎樣做適當的事，而且需要知道為什麼采用那種方式去做。

    為了使本書在學術上盡可能地準確和，並以廣大工程技術人員可理解的形式呈現信息，我們做了的努力。本書涵蓋了理論知識和實際應用，因為它構建了一個了解引線鍵合技術的強大基礎，這將幫助達到制造工藝和可靠性的更高水平。在引線鍵合技術發展的早期，許多研究和進展是由R&D組織以及半導體公司來完成的。

    今天，大多數技術進展由供應商完成，也有一些案例是與R&D組織協作完成的。組裝制造業公司和半導體公司嚴重依賴供應商提供的信息，供應商提供材料、設備以及加工方法的支持。在本書的創作中，也非常依賴供應商提供的材料和設備的信息。信息的來源有他們的產品目錄、技術手冊、技術研討會、私人討論以及學術會議。但希望告知讀者的是，本書使用的任何公司的信息，既不是推薦他們的產品也不是認可他們的工藝。建議讀者使用這些信息在選擇鍵合材料、設備或加工方法時做出更好的判斷。一名在組裝工廠工作的引線鍵合工程師，需要不斷學習新的知識技能，以在鍵合加工中達到六西格瑪標準。這種知識技能必然是跨學科的，包括引線鍵合設計、鍵合材料、晶片金屬化、鈍化、鍵合設備技術、加工工藝、質量測試和可靠性問題等。

    為了從材料、機器、方法學以及操作等方面描述引線鍵合過程，本書采用了一個新的信息和知識管理（KM）繫統。基於在此研究領域的實踐經歷，本書中所采用的用來討論每個主題的這個繫統，是引線鍵合從業者所需的資訊方式。KM繫統的龐大格式在隨後的章節中被描述。例如，在為一個特殊封裝確定所應用的引線鍵合材料時，必須知道適合那種應用的材料的要求。這些要求可能許多材料都能滿足，工程師可以從中進行選擇。此外，工程師必須知道所選材料是如何制造的，以確保鍵合材料的制造加工（上遊加工）不會影響在特殊應用時的引線鍵合過程或引線鍵合的可靠性。引線鍵合材料的測試必須基於標準的質量測試方法，測試內容是由供應商和使用廠家規定的質量要求，這些測試方法必須明確地被定義和執行。

    同樣的，對應用於特定鍵合需求的設備必須被指定。適合的引線鍵合設備必須在標準和可供選擇的基礎上進行選擇。設備性能必須根據該應用進行充分的評估。加工成本和設備成本必須進行計算。設備的校準和維修制度必須明確地制定和執行。從加工角度來說，在器件進行鍵合前必須明確建立工藝規範。必須清楚地了解每一個工藝變量的影響。的工藝方法必須詳細說明以及在用於生產前工藝必須化。化的工藝必須由統計過程控制技術來約束。工藝參數必須使用監控技術來校準和監測。必須了解加工機理以達到高加工可靠性和產品可靠性。芯片和封裝要進行可制造性的設計，設計規則必須建立且其能覆蓋器件設計所涉及的每一種可想到的變量。加工問題以及相應的解決方法必須繫統地記錄在案。質量測試方法必須與測試方式、測試變量、失效模式、干涉、測試應用和應用的局限性共同被記錄。設計和制造的完美是可靠性的重要保證。書中敘述了影響器件可靠性的不同問題和要點，以及克服這些可靠性問題所建議使用的方法。

    讀者可能會注意到，類似mil和μm這樣的單位可能在同一章節中出現。同時使用SI單位和英制單位是令人無奈的，這是由於大部分美國公司和一些子承包商仍然在使用後者，工程師們交替地使用這兩種單位。對於力的描述，gf的單位被使用，同時在一些場合mN的單位也被用到。被復制的圖表和圖形中的單位與原創出版時的單位相同。相信這些信息將更多地被工作在這一領域的專業人士所接受和理解，如果這些單位是他們認可的。感謝

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