基于高速攝像的引線鍵合高爾夫球現象形成規律實驗研究

向 康 韓 雷 王福亮 李軍輝

中南大學現代復雜裝備設計與極端制造教育部重點實驗室，長沙，410083

0 引言

引線鍵合是當前最重要的微電子封裝技術［1］。目前，90%以上的芯片均采用引線鍵合技術進行封裝。引線鍵合就是用非常細的線把芯片與引線框架(或基板)連接起來［2］。當前，芯片功能不斷增強，引線越來越多，而體積卻變得越來越小，焊盤在整個芯片中所占的面積比不斷上升，實現更小間距的鍵合就是要縮小焊盤的間距，即要求更細的金線、更小的金屬球(FAB)和鍵合球(bonded ball)，這可能造成鍵合質量問題，如第一鍵合點處鍵合強度的下降。焊盤間距縮小，金球偏斜，尤其是出現的高爾夫球(golf_ball)現象，可能導致相鄰鍵合球相接處的電路短路。因此金球的大小和形狀不僅僅影響第一焊點的質量，而且影響低弧度線環形成的可行性［3］。為此有必要設置合適的參數以形成大小及形狀一致的金球。

文獻［4］研究了FAB形狀與金線直徑和FAB尺寸的關系;文獻［5］的研究表明，電子打火(electronic flame－off，EFO)的電流和時間是FAB形成的兩個最重要因素;文獻［6］的研究表明，銅線打火時，打火桿與銅線間的復雜電場可能是形成高爾夫球現象的原因。但是這都是針對球形成后的研究，卻沒有對球形成的整個過程即打火過程的研究。本實驗用高速攝像系統記錄尾絲熔化成球的全過程，有規律地改變打火參數，分析不同參數條件下，球心與尾絲中心線的偏距，分析得到高爾夫球現象出現的原因。

1 實驗設備和方法

1.1 實驗設備

1.1.1 打火設備

以Kulicke＆soffa公司的8028S型全自動金絲球焊線機為打火成球設備。實驗只對一焊打火成球過程進行研究，故只設置打火參數，其他參數與打火過程無關，球參數如表1所示。

表1 球參數設置

實驗選用2mm×4mm的疊成芯片，金絲直徑為25.4μm(1mil)。實驗中，打火桿位于尾絲左側，其位置關系如圖1所示。

圖1 打火桿與劈刀的位置關系圖

1.1.2 圖像采集設備

使用Photron公司的FASTCAM SA1.1型的高速攝像系統記錄打火成球的全過程。在該實驗中拍攝速率為20 000幀/s，圖片大小為512pixel×512pixel，整個記錄過程持續1s。由于打火時間極短，約為1ms，100張圖像就可覆含尾絲熔化成球的全過程，故只保存大約100張。圖1中，尾絲直徑約為27pixel，為了方便計算，以下計算尺寸、偏距以pixel為單位。

1.2 實驗方法

實驗用自動鍵合機中的打火電壓信號來觸發高速攝像采集系統。打火電壓約為－0.4V，小于高速攝像采集系統觸發電平3.7V。為此使用OP37芯片設計反向放大10倍的電路，將打火電壓信號接到電路中，用輸出電壓信號觸發高速攝像機記錄采集打火過程，從而實現了打火與采集圖像的同步，獲得了打火熔化成球過程的圖像資料。OP37芯片的傳輸延遲時間為納米級，對于約為1ms的打火時間可以忽略不計。

選擇150W的鹵素燈，通過光纖傳輸，對尾絲打背光，拍攝到清晰的尾絲熔化成球過程的序列圖像。

2 實驗分析

2.1 打火成球初步的圖像處理

通過高速攝像系統在不同預設電流和預設球直徑條件下，采集到尾絲熔化成球的全部過程。圖2所示為預設打火電流為30mA，預設球直徑為50.8μm(2.0mil)條件下尾絲熔化成球的過程，其中，預設球直徑為預先在自動鍵合機上設置的球直徑。對所得到的圖像進行濾波處理、二值化后，提取出尾絲和球的邊界點，其效果如圖3a所示，虛線以上的點稱之為外點;虛線以下的點稱之為內點，從邊界點中提取出內點，而后運用最小二乘法對內點進行圓擬合，可以精確得到球的半徑和球心坐標，如圖3b所示。

圖2 尾絲熔化成球過程圖

同時也對未熔化前的尾絲進行圖像處理，得到尾絲中心線與焊球球心位置，由此算得球心與尾絲中心線的偏距，如圖4所示。從圖4可看出，形成的球明顯偏離尾絲中心線，這時認為偏差過大，已形成高爾夫球現象，影響引線鍵合質量，經計算，二者偏距約為3.2pixel，故定義當球心與尾絲中心線的距離超過3pixel時，形成高爾夫球現象。

圖3 焊球邊界點及其擬合圓圖

圖4 偏心距圖

2.2 打火電流對球徑的影響

實驗中保持其他打火參數不變，預設打火電流范圍為10～60mA，預設球直徑范圍為40.64～71.12μm(1.6 ～2.8mil)。在相同參數條件下，實驗重復20次。利用MATLAB處理圖像，得到最終成球的直徑、圓心坐標及其與尾絲中心線的偏差。圖5、圖6所示分別為預設直徑為50.8μm(2.0mil)和60.96μm(2.4mil)時，不同的預設打火電流條件下，最終得到的球直徑真實值。當預設打火電流較小(10mA)時，球直徑的真實值比預設值小;預設打火電流在20～60mA間，球徑真實值與預設球直徑較為接近，其偏差可以忽略，具體情況如圖5、圖6所示。

圖5 預設球直徑為50.8μm時，球的真實直徑

2.3 打火電流對高爾夫球現象形成的影響

圖6 預設球直徑為60.96μm時，球的真實直徑

預設球直徑為50.8μm，打火電流為10mA情況下球心與尾絲中心的偏差要比20～50mA預設打火電流條件下的大一些，但相差不大，約為0.3pixel。20～50mA預設打火電流條件下，球心偏差相差無幾。出現這種的原因可能是，10mA預設打火電流條件下形成的球直徑真實值與預設值相比偏小。在較大電流條件(60mA)下，形成的球心與尾絲偏距較大，達2.5pixel左右，且偏心標準差也較大，如圖7所示。由此說明在大打火電流條件下形成的球不平穩，易形成高爾夫球現象，嚴重影響引線鍵合的質量，對整個芯片封裝造成破壞。圖7、圖8中，正數表示球心偏向于尾絲中心線的左側，負數表示球心偏向于尾絲中心線的右側。如圖7所示，球心基本上都偏向于尾絲左側，這可能是由打火桿位于尾絲的左側所造成的。

圖7 預設球直徑為50.8μm時，球心與尾絲中心的偏距圖

圖8 預設球直徑為60.96μm時，球心與尾絲中心的偏距圖

預設球直徑為 50.8μm，預設打火電流在10～50mA范圍內時，球心與尾絲中心偏距約為1pixel，焊球球心基本偏向于尾絲中心線左側，偏距標準差也較為穩定。但當預設打火電流改為60mA時，偏左偏右的球都大量存在，且球心與尾絲中心線的偏距的標準差較大，如圖8所示。這說明在大電流(60mA)條件下，形成的球不穩定，易產生高爾夫球現象。出現這種情況可能是在預設球直徑較大情況下，打火電流越大，球的成長速度越快，導致最終成球的不穩定。從圖5～圖8可以明確看出，當電流在20～50mA時，形成的球直徑與預設球直徑相近，而且球心偏差小，球心偏差標準差也較小，在這段范圍內，所形成的球較為穩定;在60mA打火電流條件下，形成的球很不穩定，極易出現高爾夫球現象。因此高爾夫球現象出現的一個原因是大的打火電流。

2.4 預設球直徑對高爾夫球現象形成的影響

當預設打火電流為30mA時，球直徑的真實值與預設值基本一致。有規律改變預設球直徑，得到球心偏差的平均值及其標準差，如圖9所示。從圖9明顯可以看出，當預設球直徑較小(40.64μm(1.6mil))時，實驗結果分析得出球心偏斜較大，大于 2pixel;預設球徑在45.72～71.12μm(1.8～2.8mil)范圍內時，球徑偏斜較小，約為1pixel。故較小的預設球直徑也是產生大的球心偏斜的一個原因，此時也易產生高爾夫球現象，影響引線鍵合質量。

圖9 30m A打火電流條件下，不同的預設球直徑時球心偏差

3 結語

(1)焊球的真實直徑值，除與預設球直徑參數相關外，還與預設打火電流有關。當預設打火電流較小(10mA)時，球直徑的實際值達不到球直徑的預設值;在20～60mA預設打火電流下，實際值與預設值相差無幾。

(2)影響球心位置的因素有預設球半徑和預設打火電流。當預設球直徑較小40.64μm時，相對于較大的預設球直徑(50.8μm、60.96μm)，球心與尾絲中心線的偏距偏大，在該條件下產生高爾夫球現象的幾率要大;當預設打火電流為20、30、40、50mA時，形成的球直徑值與預設球直徑值相近;當預設打火電流增大至60mA時，球心與尾絲中心線的距離極不穩定。預設球直徑為50.8μm時，球心基本偏向于尾絲左側;預設球直徑為60.96μm時，出現許多左右偏斜的球，所得偏距也較大，這種情況下，易產生高爾夫球。

［1］Wang Fuliang，Li Junhui，Han Lei，et al.Effect of Ultrasonic Power on Wedge Bonding Strength and Interface Microstructure［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China(English Edition)，2007，17(3):606-611.

［2］Chiu SS，Chan H LW，Or SW，et al.Effect of Electrode Pattern on the Outputs of Piezosensors for Wire Bonding Process Control［J］.Materials Science and Engineering，2003，99(2):121-126.

［3］Levine L，Osborne M，Clabber H，et al.Improving Intermetallic Reliability in Ultra－fine Pitch Wire Bonding［C］//Advanced Packaging Technologies Seminar，SEMITechnology Symposium.Singapore，2004:1-5.

［4］Hong Sung － Jae，Cho Jong － Soo，Moon Jeong － Tak，et al.The Behavior of FAB(Free Air Ball)and HAZ(Heat Affected Zone)in Fine Gold Wire［C］//International Symposium on Electronic Materials and Packaging.Jeju Island，Korea，2001:52-55.

［5］Chen Jau － Liang，Lin Yeh － Chao.A New Approach in Free Air Ball Formation Process Parameters Analysis［J］.IEEE Transfer on Electronic Packaging Manufacturing，2000，23(2):116-122.

［6］Uno T.Enhancing Bondability with Coated Copper Bonding Wire［J］.Microelectronics Reliability，2011，51(1):88-96.