金絲球焊球徑控制工藝分析

張永聰，霍灼琴，張良辰，靳宇婷，郝艷鵬，馬生生，趙喜清

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

為了實(shí)現(xiàn)芯片與外界的通信，需要將芯片與基板進(jìn)行電氣互連。熱超聲引線鍵合借助于超聲能量、壓力以及加熱的相互作用，用金屬細(xì)絲將半導(dǎo)體芯片焊區(qū)與微電子封裝的輸入/輸出(I/O)引線或基板上的金屬布線焊區(qū)連接起來，實(shí)現(xiàn)電氣互連。熱超聲引線鍵合是芯片封裝的關(guān)鍵步驟，也是目前應(yīng)用最為廣泛的內(nèi)芯片互連工藝，絕大多數(shù)集成電路使用引線鍵合實(shí)現(xiàn)互連。

球焊作為引線鍵合的工藝之一，也是目前半導(dǎo)體器件芯片封裝工藝中最具代表性的焊接技術(shù)[1]。

本文以RSH-101B手動(dòng)鍵合機(jī)為對(duì)象，針對(duì)工藝過程中第一鍵合點(diǎn)焊球球徑過大的問題，通過工藝實(shí)驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)和劈刀進(jìn)行分析研究，為設(shè)備和工藝調(diào)試提供理論支撐。

1 球焊工藝過程

球焊工藝的基本步驟如圖1所示。

圖1 球焊工藝過程示意圖

具體包括：

1)電子打火（EFO）在打火桿和劈刀末端的引線之間施加高電勢(shì)，產(chǎn)生高能的放電使引線末端熔化變形為球狀；

2）劈刀下降并擠壓焊球，施加鍵合壓力的同時(shí)，換能器傳遞超聲能量至劈刀末端，產(chǎn)生振動(dòng)，使兩金屬面之間產(chǎn)生固態(tài)鍵；

3）線夾打開，劈刀帶著引線移動(dòng)到第二焊點(diǎn)位置，形成線弧；

4）線夾關(guān)閉，劈刀下移，彎曲的引線與基板的焊盤接觸，施加壓力和超聲能量，引線在第二焊點(diǎn)的最薄弱位置斷開；

5）劈刀上移至打火高度；

6）線夾向下運(yùn)動(dòng)并送出設(shè)定長(zhǎng)度的引線后，電子打火（EFO）再次打火，劈刀末端形成新的焊球；然后依次重復(fù)這一流程，直到所有連接完成為止。

2 球焊劈刀選型

金絲球焊一般選用的是毛細(xì)管陶瓷劈刀。劈刀端部的尺寸直接影響焊接工藝質(zhì)量，劈刀端部如圖2所示。

圖2中參數(shù)OR為外部半徑；H為劈刀孔直徑；ICR為內(nèi)部斜面；CD為斜面直徑。

圖2 劈刀端部結(jié)構(gòu)圖

為獲得較好的焊接質(zhì)量，劈刀的頂部直徑（T）通常比鍵合焊盤大25%~50%[1]，劈刀孔直徑（H）應(yīng)控制在金線直徑+（5~8μm），劈刀斜面直徑（CD）應(yīng)控制在劈刀孔直徑（H）+（5~10μm）[2]。

3 問題描述及分析

在鍵合過程中，第一鍵合點(diǎn)焊球球徑過大，容易導(dǎo)致焊球彼此互連短路，如圖3所示。分析可能是由以下幾種原因造成：

圖3 焊球短路圖

（1）鍵合工藝參數(shù)包括尾絲長(zhǎng)度、打火參數(shù)、打火桿位置、超聲參數(shù)和鍵合力等設(shè)置不合適[3]；

（2）劈刀選型不合適。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）按照表1優(yōu)化工藝參數(shù)（其他參數(shù)不變）并測(cè)試；

表1 工藝參數(shù)優(yōu)化表

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，無法滿足工藝要求，排除鍵合工藝參數(shù)設(shè)置不合適的因素；

（2）按照劈刀選型要求，重新選擇劈刀型號(hào)，劈刀關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 劈刀關(guān)鍵參數(shù)表

初始采用GAISER劈刀（1572-13S-625GM）鍵合時(shí)，工藝參數(shù)優(yōu)化后，鍵合球徑最小約為73μm，如圖4所示。

圖4 GAISER劈刀鍵合球

改用IUUSU劈刀（TY-PB-3XL-33TY-20B）鍵合時(shí)，工藝參數(shù)優(yōu)化后，鍵合球徑最小約為50μm，如圖5所示，滿足工藝要求。

圖5 IUUSU劈刀鍵合球（基板鍍金方塊尺寸50μm×50μm）

5 結(jié) 論

對(duì)金絲球焊工藝中影響第一鍵合點(diǎn)焊球球徑的多種因素進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定了在成焊球球徑過大的原因，并且解決這一問題。

劈刀端部?jī)?nèi)部斜面角度越大，焊接的焊球直徑越大。因此，對(duì)于需要小焊球鍵合的細(xì)間距應(yīng)首先選擇斜面角度小的劈刀（90°）。而且90°斜面角度形成的拱絲和線尾都優(yōu)于120°斜面角度。