金丝球键合工艺

金丝球键合工艺

1、课题背景

1. 随着集成电路的发展，先进封装技术不断改进变化以适应各种半导体新工艺和新材料的要求和挑战。半导体封装内部芯片内部管脚以及芯片之间的连接起着确立芯片和外部的电气连接、确保芯片和外界之间的输入／输出畅通的重要作用，是整个后道封装过程中的关键。引线键合以工艺实现简单、成本低廉、适用多种封装形式而在连接方式中占主导地位，目前所有封装管脚的９０％以上采用引线键合连接。引线键合是以非常细小的金属引线的两端分别与芯片和管脚键合而形成电气连接。引线键合前，先从金属带材上截取引线框架材料（外引线），用热压法将高纯ｓｉ或Ｇｅ的半导体元件压在引线框架上所选好的位置，并用导电树脂如银浆料在引线框架表面涂上一层或在其局部镀上一层金；然后借助特殊的键合工具用金属丝将半导体元件（电路）与引线框架键合起来，键合后的电路进行保护性树脂封装。无论是封装行业多年的事实还是权威的预测都表明，引线键合在可预见的未来（目前到２０２０年）仍将是半导体封装尤其是低端封装内部连接的主流方式。基于引线键合工艺的硅片凸点生成可以完成倒装芯片的关键步骤并且具有相对于常规工艺的诸多优势，是引线键合长久生命力和向新兴连接方式延伸的巨大潜力的有力例证。

2. 引线键合大约始源于1947年。如今已成为复杂，成熟的电子制造工艺。根据引线不同，又可分为金线、铜线、铝线键合等。根据键合条件不同，球键合可分为热压焊、冷超声键合和热超声键合。热压焊（TC）是引线在热压头的压力下，高温加热（>250℃）发生形变焊热压超声焊（TS）焊接工艺包括热压焊与超声焊两种形式的组合。在焊接工具的压力下，加热温度较低（低于TC温度值，大约150℃），与楔焊工具的超声运动，发生形变焊接。热超声键合常为金丝球键合，因同时使用热压和超声能量，能够在较低的温度下实现较好的键合质量，从而得到广泛使用。

3. 键合工具负责固定引线、传递压力和超声能量、拉弧等作用。球形焊线所使用的工具我们称为毛细管劈刀（capillary），它是一种轴形对称的带有垂直方向孔的陶瓷工具。劈刀的尺寸影响引线键合质量和生产的稳定性，因此劈刀的选择是非常重要的。其形状对质量有重要影响，球键合使用的劈刀如图3所示。图中，①为内孔，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，引线轮廓越接近理想形状，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为外端面和外圆角，影响第二键合点的大小，从而影响第二键合点的强度和线弧形状；④为内斜面，影响第一键合点的中心对准、键合强度、键合点尺寸大小，还影响线弧形状。为了增大第一键合点的键合强度，应适当减小内斜面的直径。超

细键合所使用的劈刀无论在制作工艺和形状上都有重大改进。

4. 键合压力超声功率对键合质量和外观影响最大，因为它对键合球的变形起主导作用。过小的功率会导致过窄、未成形的键合或尾丝翘起；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。超声功率和键合力是相互关联的参数。增大超声功率通常需要增大键合力使超声能量通过键合工具更多的传递到键合点处，发现过大的键合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。

2、课题研究内容与方法

1.研究内容

系统的了解和学习金丝球键合工艺的原理和工作流程，并学会使用Marc建模软件研究劈刀压力对焊盘的影响以及劈刀压力对焊接效果的影响。

键合时劈刀压力过大会对焊盘有所损伤，如果压力过小则焊接效果的可靠性会受到影响所以本小组力求用Marc软件模拟出出最适合的压力。

2实施方案

首先查阅一些相关的资料对本课题有一个初步的了解，接着以小组讨论学习的方法系统的了解并学习金丝球键合工艺的工作原理。

学习Marc软件，请教老师及学长，动手制作模拟图形。查找材料数据，施加边界条件，计算模拟金丝球，劈刀，焊盘的受力结果，用直观的图像表达出整个键合时的受力过程，并找出最佳受力点以及最佳压强大小。

3.研究结果

我们通过MSC.marc软件进行仿真模拟. 同时施加超声，温度，以及各种材料参数等，采用工程模拟的方法，对金丝球焊接的劈刀，金丝球，焊盘在超声以及温度的作用下进行受力的有限元模拟分析。将具体模拟数据制图后，分析出了想要达到最佳效果所需施加的应力，并最终得出了应力结果如下。

开始时金丝球，劈刀，以及焊盘在各方向的压强都为0。如图所示

图1

之后施加压力，劈刀与金丝球上端的压力在0.01秒内最大压力点增加到2.003兆帕，而这时金丝球与焊盘的最大压强为 1.113兆帕。

图2

之后是劈刀的整体加压，使金丝球，焊盘之间的压力第一次剧增此时要注意的是不能给予劈刀过大的压力是金丝球与焊盘之间的压力过大进而造成焊盘断裂。经过计算此时劈刀与金丝球之间的压力最大为1.805兆帕作用才能使金丝球与焊盘的连接点压力最大控制在1.003兆帕以内，不使焊盘断裂。如图所示

图3

之后压力反复在短时间内增大减小使其连接牢固0.02004秒时压力变得集中，基本集中在接触点而不是整个焊盘都都受到应力。在0.02004秒与0.02008秒之间又是一个类似的周期。

图4

之后每0.00004秒为一个类似周期，知道最后焊盘与金丝球之间的压力稳定在8.694万帕时结束。在超声，温度都存在的条件下我组得出结论压力在8.694万帕时为最好。

4.创新点

1.小组成员制作了MSC.marc模型，使该模型能表达金丝球键合工艺的整个过程。

2.我们采用模拟的方法同时施加超声，温度，以及各种材料参数。力求做到与实际相符

实现最小偏差。通过MSC. Marc有限元分析软件建立2D模型对金丝球焊接的劈刀，金丝球，焊盘在超声以及温度的作用下进行受力的有限元模拟分析。最终得出最佳应力。

5.结束语

在这一年的科创学习中，我们不仅了解了金丝球键合工艺的工作流程，同时我们也学会使用了marc软件，由于时间比较仓促，我们此次只建立了2D模型，但是科创的结束并不代表我们学习的脚步的结束，我们会继续我们的研究，建立起3D模型，来取得更详细的数据，使我们的研究能有更大的进步。在这次科技创新中，我们学到了很多有关金丝球键合的知识，学会了创造性地解决问题，受益匪浅。

6.参考文献

[1]冯超,孙丹丹,陈红火. 全新Marc实例教程与常见问题解析中国水利水电出版社

[2]李军辉，谭建平，韩雷，钟掘.引线键合的界面特性。中南大学学报

1672-7207（2005）01-0087-05

[3]刘欣，冉建桥，陈光炳，刘其中。金丝球焊的工艺质量统计控制.信息产业部

1004-3365（2002）03-0198-04