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（沈陽中光電子有限公司 遼寧 沈陽）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）對應(yīng)鍵合起來，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，會出現(xiàn)設(shè)備報警NSOP/NSOL等常規(guī)不良，焊接過程中的

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)對比Photo： (2) 第二焊點(diǎn)不得超過支架鍵合區(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： 無多余焊絲，無掉片，無損傷芯片，無壓傷電極。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拱絲無短路，無塌絲，無勾絲。

4、2.2 拉力測試 拉力測試被廣泛用在熱超聲焊線中，它是一種破壞性的測試，能夠測試出最薄弱的斷點(diǎn)，測試點(diǎn)和Loop拱線的特點(diǎn)直接影響測量數(shù)值得大小。測試方法：在鍵合金線的下方施加一個向上的拉力使鍵合部從芯片表面被拉開，并對拉力的大小進(jìn)行測量。拉線測試所需設(shè)DAGE4000系列拉力測試治具：拉線測試設(shè)備（鍵合力度拉扯測試設(shè)備），主要由兩部分構(gòu)成，1）由一機(jī)械裝置驅(qū)動一拉鉤產(chǎn)生一向上的拉力，2）經(jīng)校準(zhǔn)后的力度測試裝置，用來測量金線從芯片表面拉開時的力度。該力度一般用gF（克力）來表示。2.2.1 拉力測試位置用DAGE 4000拉力測試治具，測定桿的標(biāo)準(zhǔn)測定位置是金線長度的1/2，實(shí)際測定過程中，更

5、真實(shí)檢測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)行測定，測定的數(shù)值為1st/2nd 拉力強(qiáng)度。具體測定位置如下圖：進(jìn)行1st 拉力測試時，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 拉力測試時，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 剪切測試如于焊線完成后會進(jìn)行破壞性試驗(yàn),包括拉力測試(Pull Test),金球推力測試(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，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誤而產(chǎn)生的讀數(shù)是無效的，不應(yīng)供分析使用。 剪切測試一般用于半導(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。但是過高的溫度不僅會產(chǎn)生過多的氧化物影響鍵合質(zhì)量，并且由于過高的熱應(yīng)力應(yīng)變的影響，圖像監(jiān)測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度這樣一個水準(zhǔn)。為了推進(jìn)Ag wire/Cu Wire 適應(yīng)現(xiàn)階段原材料價格節(jié)減，軌道溫度控制在200度左右可能，以來容錯引線在Bonding過程

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。超聲功率對鍵合質(zhì)量和外觀影響最大，因?yàn)樗鼘︽I合球的變形起主導(dǎo)作用。過小的功率會導(dǎo)致過窄、未成形的鍵合或尾絲翹起；過大的功率導(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鍵合工具更多的傳遞到鍵合點(diǎn)處。因此在生產(chǎn)過程中設(shè)置鍵合機(jī)臺壓力和功率時，需要將兩者密切綜合考慮，根據(jù)機(jī)臺型號以及生產(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鍵合時間鍵合時間是指控制超聲能力作用的時間，通

9、常LED芯片鍵合機(jī)臺時間設(shè)置在820ms。一般來說，太短的焊線時間無法形成良好的合金，焊線時間過長是導(dǎo)致拉力不良或芯片電極損傷的原因。鍵合時間越長，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)置合適的鍵合時間也顯得尤為重要。焊接作用的鍵合時間，對Ball Shear影響趨勢圖如下：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于焊點(diǎn)的質(zhì)量有著重要影響，劈刀的壽命一般為200萬點(diǎn)。隨著劈刀使用焊點(diǎn)數(shù)的增加，劈刀磨損也越來越嚴(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格不斷上升，工藝技術(shù)的改善的同時，卻難以越長劈刀的壽命，上記試驗(yàn)結(jié)果無法與實(shí)際結(jié)合，取得實(shí)際理想的效果。經(jīng)過大量的設(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：從做過的成分分析結(jié)果來看，TIP上的異物成分有金屬Ag；C；O；CL等物質(zhì)，物質(zhì)的來源確認(rèn)評價，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龉こ讨袥]有得到確切有效的數(shù)據(jù)評估，無法降低異物的來源，所以工程品質(zhì)管控加強(qiáng)對鍵合機(jī)臺的清潔清掃，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滿足產(chǎn)品品質(zhì)要求。這是一個技術(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格問題會促使的壽命增加展望。4.2 金絲金絲作為一個重要的原材料必須具備幾個重要的特性

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，表面清潔無污染無損傷。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)臺上，盡可能對L/F和芯片表面潔凈。因?yàn)閷Ω呔芷骷?，可能要引進(jìn)等離子清洗設(shè)