微电子封装中的引线键和 论文

哈尔滨理工大学
焊接课程设计
一级封装中的引线键合设
计
班级：材型09-4
学号：0902040408
姓名：刘阳
指导教师：赵智力
1.设计任务书
设计要求及有关数据：
一级封装中需要将芯片上电路与外电路之间实现电气连接，芯片上预制的焊盘为Al金属化层，采用引线键合技术连接时，可选金丝或铝丝进行连接，本课程设计任务即是分别采用金丝和铝丝时的连接设计，引线丝直径为25微米。

1). 进行焊接性分析；
2）根据被连接材料的特点，分别设计金丝和铝丝的烧球工艺，选择各自适合的焊接方法及焊接设备（介绍其工作原理），设计具体焊接工艺参数（氧化膜的去除机理、施加压力、钎、加热温度、连接时间）)的确定。

3）该结构材料间的连接特点、连接界面组织与连接机理及接头强度的简要分析；
2.所焊零件（器件）结构分析、焊接性分析
2.1 Al金属化层焊盘结构分析：
说明：Chip：芯片（本题目为Al芯片）
Gold wire：金丝
Mold resin：填充树脂
Lead：导线
2.2焊接性分析
2.2.1综述：Al及Al合金的焊接性：
铝及其合金的化学活性很强，表面极易形成难熔氧化膜（Al2O3熔点约为2050℃，MgO熔点约为2500℃），加之铝及其合金导热性强，焊接时易造成不熔合现象。

由于氧化膜密度与铝的密度接近，也易成为焊缝金属的夹杂物。

同时，氧化膜（特别是有MgO存在的不很致密的氧化膜）可吸收较多
水分而成为焊缝气孔的重要原因之一。

此外，铝及其合金的线膨胀系数大，焊接时容易产生翘曲变形。

这些都是焊接生产中颇感困难的问题。

2.2.2 铝合金焊接中的气孔
氢是铝及其合金熔焊时产生气孔的主要原因,已为实践所证明。

弧柱气氛中的水分、焊接材料以及母材所吸附的水分都是焊缝气孔中氢的重要来源。

其中，焊丝及母材表面氧化膜的吸附水份，对焊缝气孔的产生，常常占有突出的地位。

1)弧柱气氛中水分的影响
弧柱空间总是或多或少存在一定数量的水分，尤其在潮湿季节或湿度大的地区进行焊接时，由弧柱气氛中水分分解而来的氢，溶入过热的熔融金属中，可成为焊缝气孔的主要原因。

这时所形成的气孔，具有白亮内壁的特征。

2) 氧化膜中水分对气孔的影响
在正常的焊接条件下，焊丝或工件的氧化膜中所吸附的水分将是生成焊缝气孔的主要原因。

而氧化膜不致密、吸水性强的铝合金，主要是Al-Mg合金，要比氧化膜致密的纯铝具有更大的气孔倾向。

因为Al-Mg合金的氧化膜中含有不致密的MgO，焊接时，在熔透不足的情况下，母材坡口端部未除净的氧化膜中所吸附的水分，常常是产生焊缝气孔的主要原因。

3) 减少焊缝气孔的途径
避免熔池吸氢是消除或减少焊接气孔的有效方法【2】。

为防止焊缝气孔，可从两方面着手:第一，限制氢溶入熔融金属，或者是减少氢的来源，或者减少氢同熔融金属作用的时间；第二，尽量促使气孔自熔池逸出。

为了在熔池凝固之前使氢以气泡形式及时排出，这就要改善冷却条件以增加氢的逸出时间Hidetoshi Fujii等在失重条件下进行焊接试验，发现气孔明显较重力下多【3】。

a、减少氢的来源
所有使用的焊接材料(包括保护气体、焊丝、焊条、焊剂等)要严格限制含水量，
使用前均需干燥处理。

一般认为，氩气中的含水量小于0.08%时不易形成气孔【1】。

b、控制焊接工艺
焊接工艺参数的影响比较明显，但其影响规律并不是一个简单的关系，须进行具体分析。

焊接工艺参数的影响主要可归结为对熔池在高温存在时间的影响，也就是对氢的溶入时间和氢的析出时间的影响。

焊接时，焊接工艺参数的选择，一方面尽量采用小线能量以减少熔池存在时间，从而减少气氛中氢的溶入，同时又要能充分保证根部熔合，以利根部氧化膜上的气泡浮出。

所以采用大的焊接电流配合较高的焊接速度是比较有利的。

(TIG焊与MIG焊焊接工艺参数对气孔的影响见附图2、附图3.)
2.2.3 铝合金的焊接热裂纹
铝及其合金焊接时，焊缝金属和近缝区所发现的热裂纹主要是焊缝金属结晶裂纹，也可在近缝区见到液化裂纹。

1）铝合金焊接热裂纹的特点
铝合金属于典型的共晶型合金，最大裂纹倾向正好同合金的“最大”凝固温度区间相对应。

但是由平衡状态图的概念得出的结论和实际情况是有较大出入的。

因此，裂纹倾向最大时的合金组元均小于它在合金中的极限溶解度。

这是由于焊接时的加热和冷却速度都很迅速，使合金来不及建立平衡状态，在不平衡的凝固条件下，相图中的固相线一般要向左下方移动，以致在较少的平均浓度下就出现共晶体，且共晶温度比平衡冷却过程将有所降低。

至于近缝区的“液化裂纹”，同焊缝凝固裂纹一样，也是与晶间易熔共晶的存在有联系，但这种易熔共晶夹层并非晶间原已存在的，而是在不平衡的焊接加热条件下因偏析而熔化形成的，所以称为晶间“液化”。

2）防止焊接热裂纹的途径
对于液化裂纹目前还无行之有效的防止措施，一般的办法是减小近缝区过热。

对于焊缝金属的结晶裂纹主要是通过合理选定焊缝的合金成分并配合适当的焊接工艺来进行控制。

a、控制成分
从抗裂角度考虑，调整焊缝合金系统的着眼点在于控制适量的易熔共晶并缩小结晶温度区间。

由于现有铝合金均为共晶型合金，少量易熔共晶的存在总是增大凝固裂纹倾向，所以，一般都是使主要合金元素含量超过裂纹倾向最大时的合金成分，以便能产生愈合作用。

b、在焊丝中添加变质剂
铝合金焊丝中几乎都有Ti、Zr、B、V等微量元素，一般都是作为变质剂加入的。

不仅可以细化晶粒而改善塑性、韧性，并可显著提高抗裂性能。

Ti、Zr、B、V、Ta等元素的共同特点是都能同铝形成一系列包晶反应生成细小的难熔质点，可成为液体金属凝固时的非自发凝固的晶核，从而可以产生细化晶粒的作用。

C、合理选用焊接工艺参数
焊接工艺参数影响凝固过程的不平衡性和凝固的组织状态，也影响凝固过程中的应变增长速度，因而影响裂纹的产生。

热能集中的焊接方法，有利于快速进行焊接过程，可防止形成方向性强的粗大柱状晶，因而可以改善抗裂性【5】。

减小焊接电流、降低拘束度、改善装配间隙对减小热裂倾向都是有利的。

而焊接速度的提高，促使增大焊接接头的应变速度，而增大热裂的倾向。

增大焊接速度和和焊接电流，都可促使增大裂纹倾向。

3）焊接接头的等强性
时效强化铝合金，除了Al-Zn-Mg合金，无论是退火状态下还是时效状态下
焊接，若焊后不经热处理，强度均低于母材。

所有时效强化的铝合金，焊后不论是否经过时效处理，其接头塑性均未能达到母材的水平【1】。

就焊缝而言，由于是铸造组织，即使在退火状态以及焊缝成分同母材基本一样的条件下，强度可能差别不大，但焊缝塑性一般都不如母材。

若焊缝成分不同于母材，焊缝性能将主要决定于所用的焊接材料。

为保证焊缝强度与塑性，固溶强化型合金系统要优于共晶型合金系统。

一般说来，焊接线能量越大，焊缝性能下降的趋势也越大【1】。

对于熔合区，在时效强化铝合金焊接时，除了晶粒粗化，还可能因晶界液化而产生显微裂纹。

所以，熔合区的变化主要是恶化塑性。

附图1：
焊接工艺参数对气孔倾向的影响（5A06，TIG）附图3
氢在铝中的溶解度
附图2：
3.引线键合的工艺确定
3.1综述
具体工艺流程：
芯片粘接之后,采用Au丝利用热压焊或超声波焊或超声热压焊(或Al丝利用超声波焊或超声热压焊)将芯片Al金属化层与外引线框架连接起来的工艺.
热压键合是引线在热压头的压力下，高温加热(>250 ℃)金属线发生形变，通过对时间、温度和压力的调控进行的键合方法。

键合时，被焊接的金属无论是否加热都需施加一定的压力。

金属受压后产生一定的塑性变形，而两种金属的原始交界面处几乎接近原子力的范围，两种金属原子产生相互扩散,形成牢固的焊接。

MIG焊接时焊缝气孔倾向与焊接工艺参数的关系
超声波键合不加热(通常是室温)，是在施加压力的同时，在被焊件之间产生超声频率的弹性振动，破坏被焊件之间界面上的氧化层，并产生热量，使两
固态金属牢固键合。

这种特殊的固相焊接方法可简单地描述为:在焊接开始时，金属材料在摩擦力作用下发生强烈的塑性流动，为纯净金属表面间的接触
创造了条件。

而接头区的温升以及高频振动，又进一步造成了金属晶格上原子的受激活状态。

因此，当有共价键性质的金属原子互相接近到以纳米级的距离时，就有可能通过公共电子形成了原子间的电子桥，即实现了所谓金属“键合”过程。

超声波焊接时不需加电流、焊剂和焊料，对被焊件的理化性能无影
响，也不会形成任何化合物而影响焊接强度，且具有焊接参数调节灵活，焊接范围较广等优点。

热压超声波键合工艺包括热压键合与超声波键合两种形式的组合。

就是在超声波键合的基础上，采用对加热台和劈刀同时加热的方式，加热温度较低(低于Tc 温度值，大约150 ℃)，加热增强了金属间原始交界面的原子相互扩散和分子(原子) 间作用力，金属的扩散在整个界面上进行，实现金属线的高质量焊接。

热压超声波键合因其可降低加热温度、提高键合强度、有利于器件可靠性而取代热压键合和超声波键合成为引线键合的主流。

引线键合基本要求有：
（1）首先要对焊盘进行等离子清洗；
（2）注意焊盘的大小，选择合适的引线直径；
（3）键合时要选好键合点的位置；
（4）键合时要注意键合时成球的形状和键合强度；
（5）键合时要调整好键合引线的高度和跳线的成线弧度。

3.2基本形式
引线键合有两种基本形式: 球形键合与楔形键合。

这两种引线键合技术的基本步骤包括:形成第一焊点(通常在芯片表面)，形成线弧，最后形成第二焊点(通常在引线框架/ 基板上)。

两种键合形式的不同之处在于: 球形键合中在每次焊接循环的开始会形成一个焊球，然后把这个球焊接到焊盘上形成第一焊点，而楔形键合则是将引线在加热加压和超声能量下直接焊接到芯片的焊盘上。

3.2.1 球形键合
1.球形键合时将金属线穿过键合机毛细管劈刀(capillary)，到达其顶部，利用氢氧焰或电气放电系统产生电火花以熔化金属线在劈刀外的伸出部分，在表面张力作用下熔融金属凝固形成标准的球形(Free Air Ball，FAB)，球直径一般是线径的2～3 倍，紧接着降下劈刀，在适当的压力和定好的时间内将金属球压在电极或芯片上。

键合过程中，通过劈刀向金属球施加压力，同时促进引线金属和下面的芯片电极金属发生塑性变形和原子间相互扩散，并完成第一焊点，然后劈刀运动到第二点位置，第二点焊接包括楔形键合、扯线和送线，通过劈刀外壁对金属线施加压力以楔形键合方式完成第二焊点，之后扯线使金属线断裂，劈刀升高到合适的高度送线达到要求尾线长度，然后劈刀上升到成球的高度。

成球的过
程是通过离子化空气间隙的打火成球(ElectronicFlame-off，EFO)过程实现的。

球形键合是一
种全方位的工艺(即第二焊点可相对第一焊点360°任意角度) 球形键合一般采用直径75 μm 以下的细金丝，因为其在高温受压状态下容易变形、抗氧化性能好、成球性好，一般用于焊盘间距大于100 μm 的情况下。

2.球形键合工艺设计原则：
(1)焊球的初始直径为金属线直径的2～3 倍。

应用于精细间距时为1.5
倍，焊盘较大时为3～4 倍；
(2)最终成球尺寸不超过焊盘尺寸的3/4，是金属线直径的2.5～5 倍；
(3)线弧高度一般为150 μm，取决于金属线直径及具体应用；
(4)线弧长度不应超过金属线直径的100 倍；
(5)线弧不允许有垂直方向的下垂和水平方向的摇摆。

3.2.2 楔形键合
1.楔形键合是用楔形劈刀(wedge)将热、压力、超声传给金属线在一定时间形成焊接，焊接过程中不出现焊球。

楔形键合工艺中，金属线穿过劈刀背面的通孔，与水平的被键合表面成30°～60°角度。

在劈刀的压力和超声波能量的作用下，金属线和焊盘
金属的纯净表面接触并最终形成连接。

楔形键合是一种单一方向焊接工艺(即第二焊点必须对准第一焊点的方向)。

传统的楔形键合仅仅能在线的平行方向上形成焊点，旋转的楔形劈刀能使楔形键合机适合不同角度的焊线，在完成引线操作后移动到第二焊点之前劈刀旋转到程序规定的角度。

在使用金线的情况下，稳定的楔形键合能实现角度小于35°的引线键合。

楔形键合主要优点是适用于精细间距(如50 μm 以下的焊盘间距)低线弧形状，可控制引线长度，工艺温度低。

常见楔形键合工艺是室温下的铝线超声波键合，其成本和键合温度较低。

而金线采用150 ℃下的热压超声波键合，其主要优点是键合后不需要密闭封装。

由于楔形键合形成的焊点小于球形键合，特别适用于微波器件、尤其是大功率器件的封装。

但由于键合工具的旋转运动，其总体速度低于热压超声波球形键合。

综上，球形－楔形热超声金丝键合工艺图如下：其中：（a）金丝从毛细管劈刀端头伸出，丝夹夹紧；(b)电火花使引线丝端头形成球形，然后将毛细管劈刀端面压住焊球；
(c)将劈刀移到IC芯片的键合区上方；(d)下降劈刀，使金丝球与键合焊盘接触，施加热、力和超声振动完成键合；（e）丝夹打开，引线丝可从毛细管劈刀端头自由伸出，抬起毛细管劈刀形成拱高；（f）毛细管劈刀移向封装/基板键合焊盘；（g）下降劈刀，使引线接触焊盘施加热、力和超声振动形成楔形键合；（h）劈刀从键合区抬起，留下楔形键合点。

在预定高度，当毛细管劈刀仍在升起时丝夹夹紧，在键合点处将引线拉断；（i）键合过程完成，留下引线头准备下次键合。

效果图如下：
3.2.3 球形与楔形键合的比较
比较如下：
表3-1 球形与楔形键合的比较
键合形式键合方式劈刀结构引线材料焊盘键合速度球形键合热压、热声毛细管金铝10线/秒楔形键合热声、超声楔形金、铝铝4线/秒
3.3 键合工具
1.键合工具的作用是将纵向振动转化为横向振动，通过与引线的接触传递超声能，并在静态压力、温度的配合下，实现引线和焊盘的键合。

按形状和适用工艺的不同分为毛细管劈刀(capillary)和楔形劈刀(wedge)两种。

毛细管劈刀其材料可以是陶瓷、钨或红宝石。

最常用材料是具有精细尺寸晶粒的氧化铝陶瓷，因为其有很好的抗腐蚀性、抗氧化性和易于清洁的特点。

楔形劈刀其材料取决于所采用的金属线，铝线键合时，通常采用碳化钨或陶瓷材料；金线键合时，采用碳化钛材料。

2.键合工具的影响因素有：
(1) 键合工具的几何参数直接影响着焊点的形状及键合质量，对于同直径、同材质的金属丝，不同的焊盘形状、大小及焊盘的间距直接影响着键合工具的选择。

a 以毛细管劈刀(如图3.3.1)为例，图中，①为内孔（Hole Size，H），其直径由引线直径决定，引线直径由焊盘的直径决定。

内孔的直径越小，线弧越接近理
想形状，如果内孔直径过小则会增大引线与劈刀间的摩擦导致线弧形状的不稳定；②为壁厚，影响超声波的传导，过薄的壁厚会对振幅产生影响；③为端面
角(Face Angle，FA)和外半径(Outer Radius，OR) (如图3.3.2)，影响第二焊点的形状、键合强度以及线弧形状；④为斜面(Chamfer)和斜面角(Chamfer Angle，CA)(如图3.3.3)，影响第一焊点的形状、键合强度以及线弧形状。

b. 在楔形键合中，引线直径决定楔形劈刀斜孔直径，焊点形状主要由楔形劈刀的前端尺寸决定。

焊点沿长轴方向有长椭圆形、圆形和窄椭圆形，还有单
点双点之分，主要取决于楔焊劈刀外形(如图3.3.4)
(2) 键合工具的安装。

劈刀安装的高度影响劈刀尖部超声波的谐振，进而影响键合质量。

应用适当的力矩来固定键合工具，过大会使换能器的末端变形，过小则造成键合点的位置偏移及超声能的传递效率降低。

图3.3.1 毛细管劈刀示意图
图3.3.2 端面角和外半径的影响
图3.3.3. 斜面和斜面角的影响
图3.3.4 楔形键合典型区分
3.4 键合材料
3.4.1 综述
1键合材料要求:
a机械强度:能承受树脂封装时的应力/具有规定的拉断力和延伸力
b成球性好
c结合强度高:表面无划痕、脏污，丝与芯片之间、丝与引线框架之间有足够的结合强度
d导电性好
2 键合材料可以选择：金丝、铝丝、铜丝。

本设计采用金丝和铝丝，现分别讨论如下。

3.4.2 用金丝做键合材料
金的优点是化学性质稳定、延展性好、抗拉性强，易加工成极细的金丝(如直径10一20μm), 纯度为99．99－99．999％；
缺点是金丝与铝层电极金属化区键合容易产生金属间化合物〔俗称“紫班”)，影响焊点的导电性能和机械强度。

金丝在使用前也要退火处理，退火可在H2或真空气氛中进行，退火条件一般为400－450℃，恒温15—20min，后自然冷却至室温。

退火温度高，金丝柔软性好，但强度差；退火温度低，金丝柔软性差，但能保持一定刚性。

退火后的金丝表面应光亮，不氧化，不发脆、可塑性好，这样便于键合。

3.4.3 用Al做键合材料
用作器件内引线的铝丝的纯度为99．999％；
由于铝的表面容易生成坚硬的高熔点氧化层，所以加工成极细的铝丝比较因难。

纯铝丝在使用前应进行退火处理，退火可在H2或真空气氛中进形，退火温度为400－450℃，如果退火不当会造成铝丝太硬，影响焊接。

纯铝丝的主要缺点是抗拉强度低。

为了改善纯铝丝的抗技强度，目前采用硅铝丝，即在纯铝中掺入
1％的硅，或0.5－1％的Mg制成铝－镁丝，这样既便于拉丝加工，
也有利于焊接，二者用于高可靠集成电路中。

3.5主要工艺参数选择
3.5.1键合温度
键合温度指的是外部提供的温度，键合工艺对温度有较高的控制要求。

工艺中更注意实际温度的变化对键合强度的影响。

过高的温度不仅会产生过多的氧化物影响键合质量，并且由于热应力应变的影响，键合头零部件和器件的可靠性也随之下降。

温度过低将无法去除金属表面氧化膜层等杂质，无法
促进金属原子间的密切接触。

3.5.2 键合时间
通常的键合时间都在几十毫秒，并且键合点不同，键合时间也不一样。

一般来说，键合时间越长，金属球吸收的能量越多，键合点的直径就越大，界面强度增加而颈部强度降低。

但是过长的时间，会使键合点尺寸过大，超出焊盘边界并且导致空洞生成概率增大。

Murali 等人[9]发现温度升高会使颈部区域发生再结晶，导致颈部强度降低，增大了颈部断裂的可能，因此合适的键合时间显得尤为重要。

3.5.3 超声功率与键合压力
超声功率对键合质量和外观影响最大，因为它对金属球的变形起主导作用。

过小的功率会导致焊点过小、未成形或尾丝翘起；过大的功率导致根部断裂、键合塌陷或焊盘破裂。

研究发现超声波的水平振动是导致焊盘破裂的最大原因。

超声功率和键合压力是相互关联的参数。

增大超声功率通常需要增大键合压力使超声能量通过键合工具更多的传递到键合点处，但研究发现过大的键合压力会阻碍键合工具的运动，抑制超声能量的传导，导致污染物和氧化物被推到了键合区域的中心，形成中心未键合区域。

几种键合工艺参数比较如下：
表3-2工艺参数表
4.键合
质量评价
4.1 外观镜检
焊点的外观是评价键合质量最简单的定性方法，通过显微镜观测焊点外形，可初步判断键合质量的优劣。

由于键合完成后，不可能对每颗引线都进行拉推力破坏试验，这就使得镜检工作非常重要，防止不良品进入下一道工序。

4.1.1 球形键合的外观镜检
第一焊点即球形键合(如图4.1)的外观要求：焊球直径一般为金线直径的2.5～5 倍，不超过焊盘尺寸的3/4，厚度适中且焊球与线弧过渡平滑；第二焊点即楔形键合(如图4.2)外观要求:外形对称、厚度为金线直径的3～4 倍，焊接面与线弧过渡平滑；线弧不允许有垂直方向的下垂和水平方向的摇摆；点型及线弧一致性要好。

图4.1 球形键合的第一焊点
键合方法
参数 热压键合 超生键合 热声键合 压力 高
低
低
温度（℃） 300—500
25
100—150
超声能 无
有
有
键合速度
10线/秒
4线/秒
10线/秒
图4.2 球形键合的第二焊点
4.1.2楔形键合的外观镜检
两焊点外观要求（如图4.3）所示，斜线部分表示键合区(金属线上劈刀压痕)，W 表示键合区宽度，L 表示键合区长度。

一般情况下，焊点沿长轴方向为椭圆形或圆形，键合区宽度一般为金属线直径的1.2～3倍；键合区长度一般为金属线直径的1.5～5 倍；键合区厚度一般为金属线直径的1/3 左右；焊接面与线弧过渡平滑；第一焊点线尾一致要好(如图4.4)；线弧不允许有垂直方向的下垂和水平方向的摇摆；点型及线弧一致性要好。

图4.3 楔形键合焊点
图4.4 楔形键合线尾一致性
4.2 拉推力试验
键合质量的好坏往往通过破坏性实验判定。

通常使用键合拉力测试(Bond Pull Test，BPT) (如图4.5)、键合剪切力测试(Ball Shear Test，BST)(如图4.6)。

影响BPT 结果的因素除了工艺参数以外，还有键合材料(材质、直径、强度和刚度)、焊盘材质、吊钩位置、弧线高度等。

除了确认BPT 的拉力值外，还需确认引线断裂的位置。

主要有5 个位置：(1) 第一焊点界面；(2) 第一焊点颈部；(3) 线弧中间；
(4) 第二焊点颈部；(5)第二焊点界面。

其中要求断点不能在(1)和(5)2 个位置。

BST 是通过水平推键合点的引线，测得引线和焊盘分离的最小推力，一般应用在球形键合第一焊点中。

键合剪切力公式为：FBSS = RBSR/(πDBCD2/4)，其中FBSS 为剪切力(Ball Shear Stress)；RBSR为剪切读数(Ball Shear Reading)；DBCD 为截面球直径(Ball Contact Diameter)(如图4.7)。

剪切力测试可能会因为测试环境不同或人为原因出现偏差，有人曾介绍了一种简化判断球剪切力的方法，提出简化键合参数（RBP）的概念，即RBP=powerA×force-B×timeC，其中A，B，C 为调整参数，一般取0.80，0.40，0.20。