引线键合强度BPT试验分析

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【关键词] 键台强度BPT引线断裂 中围分类号:TP2 文献 标识码:A 文章编 号;16 71- - 7597( 2008) 09 20037- - 02
一、 引盲 引 线键 合工 艺具 有高 可靠 性, 高品 质 ,工 艺成 熟, 操作 简单 ,成 本低 廉等优点,目前广泛应用于微电子封装领域。在世界半导体元器件行业 中,90%采用引线键合技术。引线键合的质量、可靠性直接决定了微器 件、组件的性能和寿命。引线键合工艺可分为:热压焊、超声波焊和热声 焊等 3种 工艺 .其中 热卢 焊集 中了 前两 种焊 接的特 点因 而在 现代 引线 连接 中 占主流。 引 线键 合实 质卜 还是 金属 链合 。两 种 金属 在摩 擦力 作用 下发 牛了 强烈 的 塑性 流动 ,为 纯 净金 属表 面之 间的 接 触创 造了 条件 。 而加 热台 和劈 刀的 温 升以 及高 频振 动 ,则 又进 一步 造成 了 金届 晶格 上原 子 的受 激活 状态 。因 此,当有共价健性质的金属原子互相接近到以纳米计的距离时。就有可能 通过 公共电 子形成 了原子 问的电 子桥 ,金属 “键合 ”完成 . =、撩声焊接工艺 热声焊接原理:用负高压电火花( EF0) 使金属丝端部熔成球形,在芯 片焊 盘上 加热 加压 加超声 ,使 接触 面产生 塑性 变形 并破 坏界面 的氧 化膜 . 使其 活性化 。通 过接触 面两金 属之间 的扩 散结合 而完成 球焊一 第一 焊点: 然 后焊头通过复杂的i 维移动到达集成电路底座的外引线的内引出脚,再加 热加压加超 声完成楔焊一第二 焊点。 热声焊接由于机械左膜更为充分,金 属的扩散在整个界面上进行,首先在广泛的接触面上分散地形成了扩散地 核心.然后首先在超声振动方向上形成合金层。并逐渐生长,最终合金层 扩及整个接触面。 引 线键 合的 稳定 性将 决定 封装 成品 的 好坏 ,所 以获 得优 良的 焊线 品质 就变 得非 常的重 要, 而引线 键合 除了焊 丝成球 外. 焊线路 径稳 定性与 焊线 完 之后 的张 力也是 非常 重要的 。直 接影响 到后续 的可 靠性问 题。 本文通 过试 验 分析引 线键合拇 力及断裂方 式的各种 影响因素 。以提高引 线键合强 度。 三、 试验数 据和圈 裹
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引 线 键 合 强 度 BPT试 验 分 析
王美荣 ( 深 圳深 爱半 导体 有限 公司 广东 深圳 518029)
[ 摘要 】通过 试验的方 式从键 合引线断 裂模式 的角度讨 论增加 引线键合 强度所 需注意的 主要问 题。四种 键合引 线断裂模 式:焊 点脱落. 球颈断 裂.焊线 断裂和 二焊点 断裂。详 诉r 引起这些 断裂的各 种原因,得 出提高引 线拉力所需 要注意的各 方面因素 ,及如何调 整这些参 数或者选择 工具得到最 好的工程 参数匹配。
图1 引线BPT值采样
圈2 ( 两图) 引线断裂模式分布图
本试验采用DBT一300 拉力计。引线为直径38u mCu 丝,随机采样2 00根 引线拉力测试,测量了cu线的焊接强度( 在垂直于焊接表面方向上拉断引 线或破坏焊接表面所需的最大拉力) ,数据分布见图l 图2 。
四、 试验分 析

( 一) 焊点脱落影响因素 引线质量、键合上艺参数、成球状态、焊盘质量均直接影响键合点 质量. 1. 引线 质量 和成 球质 量。微 电子 领域 中使 用的 金属 焊丝 对其 成分 , 延伸率,破断强度,电导率和热导率,热膨胀系数要求均较高。而铜丝相 比Au鳇具有许多优点,现在大部分电子封装中c u丝已经取代Au丝成为使用 面最广的键合丝。 铜丝 的易 氧化和 较高 的硬度 系数 却又给 键合 造成很 大的 麻烦。 其一 , 成球要求严格的工艺环境要求.必须有纯净的惰性气体或N}I 混合气体氛围 ( 如果气管位置设置不当,cu丝仍然有氧化现象) .氧化的Cu球( CuO比 cu 硬度系数更高) 是焊点低拉力。脱落的主要原因之一;其二,硬度大的球 势必要求更大的焊接参数,但大的焊接参数会引起焊点脱落,焊盘质量的 损坏及焊盘下基板的损伤;其三,与硬度大相应而来的柔韧性差在拉弧参 数设置方面增加很人难度。铜丝生产厂家通常在工艺中通过再结晶的方 式, 使铜线的 晶粒细 化,从而 降低其 硬度系数 。 2. 键合 工艺 参 数。 键合 工艺 参数 包括 超声 功 率、 压力 、超 声时 间, 加热温度。超声功率体现在焊头的宏观动作即焊头振动振幅。超声功率过 小,氧 化物去除不干 净。会焊接 /f ;牢固:超 声功率过人 ,焊点变形过 大, 焊接同样不牢固。键合压力( 焊接压力) ,它指的是焊点处的垂直压力。 焊接压力的大小直接影响到焊点的键合质量。如果压力太小,劈刀不能牢 固地压住金丝.超声功率不能传递到金丝与镀金层或芯片金属层的交界面 上,不能产生相对摩擦去除氧化层,以至焊接不牢固,同时会造成引线与 键合工具端面枯连现象:而压力过大,会使引线的变形增大,甚至切断引 线,破坏芯片焊盘。超声时间也是热声焊的重要条件,在~定的超声功率 与压力的情况下.超声时间太短.焊点处的金丝与镀金层或芯片焊盘表面 的吸附层和氧化层还没有被清除。或者还没有形成原子间的键合振动就停 止了,这样会造成焊接不牢固的现象;超声时间太长,焊点变形大.焊接 同样不牢周[ 1儿2] 。 对 被焊 接件 、劈 刀 进行 加热 ,对 焊接 具 有双 面影 响。 如 果加 热温 度过 高, 会损 坏对温 度敏 感的管 芯, 塑性形 变使焊 点变 形过大 ,而 且金属 丝的 晶 粒会 长大 ,对 可靠性 有影 响: 温度过 低, 不利于 焊接 表面 的相互 扩散 .可 能 出现焊接不上的现象。cu 丝压焊对温度的要求比较明显,生产试验证明在 23 0- 25 0度之间焊线质量最好,低于此温度键合过程中断丝。NSo P等报警频 率增 加近5倍. 而高于此 温度则引 线氧化程 度直线上 升.抗拉 性能骤降 。 焊 球脱 落还 有一 种特 殊的 情况 ,即 焊 盘被 撕开 或弹 坑, 这也 是键 合工 艺参数设置不当的后果,如果基板面积较大,可以用预键合压力的方法避 免铝下基板的损伤.即在压焊功率施加之前先施加压力使引线球先产生塑 性形变.在较大的接触面积基础上进行摩擦焊接。如果基板面积较小,则 熔球必须控制在一定范围。不能使用以上方法,而用顶超声能量的方式可 以 解决 这一 问题 , 即在 两界 面接 触时 以 一较 小功 率使 得 铝焊 盘表 面氧 化层 破裂 ,后再 加大超声 功率达 到焊接 目的[ 3 ] 。 3.焊盘质量。虽然半导体封装的洁净度要求较高,但是焊盘质量的 污染仍然很难避免。焊盘形成工艺质量因素,工艺环境因素,焊盘形成后
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