超声参数对引线键合性能的影响

 

周光平¹  梁召峰¹   张杨²   卢义刚²                                 

1.深圳职业技术学院；2.华南理工大学物理科学与技术学院

 

摘  要：介绍了超声引线键合技术的基本技术路线和基本原理，分析了超声波的功率、频率、振动轨迹及压力等参数对超声引线键合性能的影响。相比其它影响参数，采用高频或频复杂振动系统最有利于提高键合性能。

 

关键词：超声，引线键合，超声焊接

 

Zhou Guangping¹  Liang Zhaofeng¹  Zhang Yang²  Lu Yigang²

(1. Shenzhen Polytechnic; 2. College of Physics and Technology, South China University of Technology)

ABSTRACT: In this paper, the basic technical rout and the principle of the ultrasonic wire bonding technology were introduced. The parameters, such as ultrasonic power, frequency, the vibration locus, force, etc, which influence the performance of ultrasonic wire bonding, were analyzed. Compared with other influence parameters, the using of high-frequency system or high-frequency complex system is most in favor of increasing bonding performance.

KETWORDS: ultrasonic; wire bonding; ultrasonic welding

 

在超大规模集成电路中，引线键合是封装工艺中半导体芯片和外界连接的关键性工艺，也是最通用最简单而有效的一种连接方式^[1-2]。当今，引线键合仍然是第一级连接的主要形式^[3]。引线键合(WB)技术是用金属丝将集成电路(IC)芯片上的电极引线与集成电路底座外引线连接在一起的工艺过程，通常采用热压、热超声和超声方法进行，现在常用的键合方法主要是热超声和超声方法，热超声键合已逐步取代了热压键合^[4]。

引线键合机的工艺技术涉及光、机、电及软件的设计控制等许多方面^[5]。因国外的技术限制，我们国家在这种设备上主要依赖于进口，特别是全自动键合机。在超声焊接系统与工艺方面，主要研究外部条件，如超声波的功率、频率、振动轨迹、振幅、焊接压力的大小、键合时的温度等工艺参数，对键合性能的影响。对于超声工作者，主要研究超声振动系统对于键合性能的影响。本文主要探讨键合机中超声参数对键合性能的影响。

 

一般的引线键合机的超声系统由电信号发生器、换能器（包括压电换能器和聚能器）以及键合工具组成，如图1所示。

电信号发生器是向超声换能器提供超声频电能的一种装置，换能器由压电换能器和聚能器（又称变幅杆）两部分组成，压电换能器将电能转变为机械能，聚能器在传递压电换能器所转换成的振动能量的同时，实现放大输出振幅的功能，键合工具的作用是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与焊盘的键合。

超声键合方法是利用超声波的能量，使金属丝与电极在常温下直接键合，其键合工具头呈楔形，故又称楔键合（楔压焊）。热超声键合方法是先用高压电火花使金属丝端部形成球形，然后在IC芯片上球焊，再在管壳基板上楔焊，故又称为球键合。目前大约有93%的半导体封装采用球键合工艺，5%采用楔键合工艺，其中最为广泛采用的是热超声Ａu丝球键合，主要原因是其键合速度快于超声波Ａl丝楔键合^[4,6]。

目前，大多数引线键合机的超声频率为60kHz。选择60kHz的作为工作频率已有几十年的历史，那是基于当时用于生产的合适的换能器尺寸和焊接时的稳定性^[3]。随着科技的不断进步和生产、使用要求的不断提高，铜丝键合新工艺的出现，晶片铝金属化布线向铜金属化布线的转变，推动了低成本、细间距、高引出端数器件封装的发展，也在制造工艺上对键合机提出了挑战。超细间距引线键合需要超声换能器所发生的超声振动具有更高的稳定度及更大的强度，此外，新的键合材料(例如铜)要求超声换能器有最合适的振动频率^[7]。在BGA^[8]封装中，常需要在低温下进行键合，而在低温下进行键合时，对键合强度和可靠性会产生不良影响，要解决这一问题就必须要求键合机具有较高的（100kHz以上）超声频率。近年来，引线键合机的生产者已经把他们的换能器的振动频率从60kHz提高到了100kHz以上，设计出了高频超声振动系统^[7]。还有的研究者还根据不同的焊头振动轨迹，设计出高频复杂振动系统^[9-10]。

 

影响引线键合质量的因素有多方面，例如超声功率、焊接压力、焊接时间、温度、引线材料、键合工具等。超声引线键合的键合质量是由各参数相互匹配来决定的，不能单一强调某个参数的作用。近年来，人们研究了超声功率、频率、振动轨迹、振幅等参数对超声引线键合性能的影响，得到了许多有助于提高焊接性能的结果。

目前，在工业上人们多数认同扩散是引线键合中焊点形成的机制这一理论^[11]。在超声焊接过程中，焊接依靠超声功率带动焊接工具振动，从而使引线产生塑性形变，并能去除界面的污物和氧化层，为原子扩散提供原始的接触区域，使焊点实现真正的冶金键合。

如果超声功率设得非常高，将使引线立即产生塑性形变，结果，在键合压力作用下，引线马上坍塌下来，不能有效去除键合表面的污物和氧化物，限制了原子的扩散，原子扩散由外向里向起始焊接环扩张，导致一个大区域未获得焊接^[11]。过大的超声功率会导致键合工具以过大的振幅振动，导致变形太大，会使焊点抗拉强度减弱^[12-13]。功率过大还会损坏金属化层，破坏芯片表面^[13]。而且，使用高功率可能会在金属化合结构间产生气泡，这会导致非常大的失效^[11]。

另一方面，如果超声功率设得相对较低，引线的塑性形变较为平缓，能有效去除键合表面的污物和氧化物，为最新的活性原子扩散提供原始的接触区域，原子扩散是从起始焊接环由里向外扩张，这种情况的焊接是比较充分的，而且还使得金属化合结构间的变化降到最小，但是所需的键合时间长，这不利于提高生产速度；倘若减少焊接时间，又可能因键合的能量不够，起不到焊接作用，造成虚焊^{[ 11－14 ]}。

在压力和时间一定的条件下，超声功率较小时，键合强度随超声功率的增加而升高；当超声功率继续增加，键合强度先维持一恒定值，之后若再增加功率，键合强度会随之下降^[14]。Shze.J.Hu采用不同的超声功率和焊接压力研究了温度参数对热声金丝引线键合的影响，其实验结果表明，在其他焊接条件一定的情况下，一定超声功率范围内的平均球剪切强度随着超声功率的减小而减小^[15]。

不同直径的引线所需的功率不同，直径粗的引线，要求的功率大些。只有选择合适的超声功率，才能获得良好的键合效果^[11-15]。

Bill Gonzalez等采用60kHz和120kHz的换能器，对直径为25µm的铝丝和两层PGA板间的焊接特性进行了研究，结果表明，提高超声频率对于减少焊接时间有显著的效果。对比推荐的焊接时间，每个焊点能减少10ms，每根引线能减少20ms，采用120kHz换能器焊接，产生的引线焊点剥落失效比采用60kHz产生的少，还能减少对焊点根部的损伤^[16]。Jiromaru Tsujino等人采用高频系统，对直径为0.1mm的铝线（拉伸强度为60gf）和厚度为1.0mm的铜片进行了焊接，测量了铝线的焊接强度（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）。结果表明，相比一般频率系统，高频系统有更显著的效果，能在更短的焊接时间内获得更好的焊接，所需振幅更小、有更宽的良好键合区域^[17]。Jiromaru Tsujino等人认为，高频系统的优点是由于振动应力循环很快，它加速了焊接试件和焊接表面间的形变，因此能够在更短的时间内焊接成功。对于成功的焊接，振幅必须足够大到克服焊接表面的不光滑和去除焊接表面的污物来增加接触面积。由于引线键合的焊接试件很细和表面很光滑，因此，位移振幅也不能太大^[17－19]。H.K.Charles等采用金丝球键合方法，对60kHz焊接系统和100kHz焊接系统的焊接特性作了研究，实验结果表明，相比60kHz焊接系统，100kHz焊接系统的一个明显的优势就是，可以在缩短30－60%的焊接时间情况下获得强焊点^[3]。

正如前面提到的，过大的超声功率会导致键合工具以过大的振幅振动，导致变形太大，会使焊点抗拉强度减弱。而采用高频超声振动系统能避免这种情况，在功率一定的情况下，增加频率f可以看作一种降低振幅的方法，而且能在减小振幅的情况下获得同样质量的焊点。同时，振幅减小，有利于减小焊点宽度，也就相应的可以在相同面积的芯片内获得更多的焊点。我们知道，完成一次焊接需要一定的时间。在其他焊接条件不变的情况下，随着焊接时间的增加，焊接强度会增大到一个最大值，之后继续增加焊接时间的话焊接强度会逐渐下降^[20]。为了提高生产速度，我们希望在获得同样的焊接质量的情况下能尽量缩短焊接时间，高频系统明显的优势之一就是能减少焊接时间。研究者还发现^[18]，采用复杂振动的高频系统，能进一步减少焊接时间。

在高频复杂振动系统的超声波的振动轨迹有直线、椭圆或圆形、矩形或正方形三种。当振动轨迹为椭圆（圆形）或矩形（正方形）时，称为复杂振动，获得复杂振动轨迹的超声系统不同于一般的超声系统，它是由两个纵振动系统相交成直角来驱动焊头振动的，如图2所示。

实验表明^[18]，高频复杂振动系统在更短的时间和更小的振幅也能键合成功，焊点的质量也更好。Jiromaru Tsujino等在研究高频振动系统的同时，还研究了高频复杂振动系统，结果发现^[18]，当焊头振动频率为190kHz，但振动轨迹分别为直线和圆形时（焊接压力和振幅都相同），达到最大焊接强度所需的最小焊接时间分别约为40ms和20ms；当振动轨迹为圆形，但所用的频率分别为120kHz和190kHz时（焊接压力和振动速度都相同，振幅分别为0.60µm和0.38µm），120kHz复杂振动焊头所需的最小焊接时间大约是190kHz的一倍（分别约为40ms和20ms）。

在引线键合过程中，基板的温度控制是很重要的，人们希望能尽量减小焊接时的温度，最理想的就是希望能在室温下进行焊接，减小键合温度对于像PBGA这种封装也是必要的，PBGA的特点是采用聚合物作为基版，它存在170⁰C～215⁰C的玻璃化过渡（glass transition）温度，这成为此类引线键合的温度上限。研究表明^[21－23]，使用更高的超声频率焊接能减小键合温度，也即是说，在更高的频率，可以在更低的温度下获得同样的键合效果。Y.M.Cheung等人^[21]采用金丝引线键合方法，对COB（chip on board）引线键合做了实验，结果发现在100⁰C或更低的温度下，使用普通的64kHz换能器，并且使在芯片上的键合引线形变为引线直径的1.2倍，此时不能获得可靠的焊点，但使用138kHz换能器，只要在60⁰C以上，就可以获得可靠的焊点，经优化选择后，对于这种引线键合的PCB基板温度是100⁰C。其结果证实了使用138kHz高超声频率换能器的楔键合机，在100⁰C或更低的温度下，用于COB的金丝引线键合也是可行的^[21]。Teo Kiat Choon等人研究了120kHz高频的PBGA引线键合，结果发现，在120kHz高频引线键合中，温度起的作用较小，使用高频超声引线键合机，金丝引线键合在低温下（80－120⁰C）也是可行的。其结果表明，把换能器的工作频率从60kHz提高到120kHz，可以补偿在PBGA引线键合中受到温度限制的能量，而无需增加焊头的振幅和焊接时间^[22]。T. H. Ramsey等人采用超声频率为240kHz的引线键合系统，也在实验中证实了使用高频换能器的低温引线键合能提高键合点的剪切强度^[23]。

焊接过程中，还有一个非常重要的影响因素，就是键合压力（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，会导致引线焊不牢，同时会造成引线与键合工具端面粘连现象。而压力过大，会使引线的变形增大，甚至切断引线，破坏金属层。在其他焊接条件不变的情况下，不同规格的引线在焊接时需施加的静压力也不同，粗的引线所需的压力要大些^[13]。Shze.J .Hu采用不同的超声功率和焊接压力研究了温度参数对热声金丝引线键合的影响，其实验结果表明，在其他焊接条件一定的情况下，一定焊接压力范围内的平均球剪切强度随着焊接压力的增大而增大^[15]。从能量因素来看，可以认为压力也是提供原子扩散所需的能量的一方面，增大压力可以补偿低温键合时的温度限制，但是，压力过大会导致不利于焊接质量的结果。这说明压力的调节是有限制的。研究者发现^[16]，采用高频超声振动系统，允许在非常低的初始焊接压力下焊接，而不影响焊接质量。

 

超声振动系统是超声键合机的关键部分，为适应封装业发展的需求，工业生产者和研究者已逐步开始采用高频超声焊接系统，在实践中人们已经证实了相对一般60kHz的超声焊接系统，高频（100kHz以上）系统能获得更好的引线键合质量，但同时相应的问题也出现在人们面前，就是高频超声振动系统的工作性能问题。提高引线键合机的超声频率，也就是提高换能器的工作频率，换能器的工作性能会出现可靠性问题。原因是，超细间距引线键合需要超声换能器所发生的超声振动具有更高的稳定度及更大的强度，而换能器存在的工作谐振模式很容易和其它更高的谐振模式耦合，例如半径、厚壁模式和以及出现在压电PZT环的它们的谐波，这样就难以控制换能器^[24]。换能器是用一个法兰盘安装在引线键合机上的，用螺钉把常用的法兰盘拧紧组装时，法兰盘受到约束，法兰盘及换能器的超声场受到干扰，超声换能器与焊接部件存在超声耦合问题，而采用新的材料－钛，使用有限元法（FEM）及激光干涉测量法等新的方法，就能解决换能器的稳定性、强度和超声耦合等问题，设计出适合引线键合的先进的高频超声换能器^[7]。

 

       本文介绍了超声引线键合技术的基本技术路线和基本原理，主要从超声波的功率、频率、振动轨迹及压力等方面，综合分析了它们对超声引线键合性能的影响。引线键合质量是靠各参数相互匹配来决定的。从多人的研究工作中可以看出，采用高频（或高频复杂）超声振动系统最有助于提高引线键合性能。采用新的钛材料，使用FEM和激光干涉测量法来计算法兰盘的几何结构，能获得工作性能优良的高频超声换能器。

 

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周光平：深圳职业技术学院

梁召峰：深圳职业技术学院

张  杨：华南理工大学物理科学与技术学院

卢义刚：华南理工大学物理科学与技术学院