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2021年引线键合基本工艺参数对封装质量的影响因素分析.doc


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引线键合工艺参数对封装质量影响因素分析
当前IC器件在各个领域应用越来越广泛,对封装工艺质量及检测技术提出了更高规定,如何实现复杂封装工艺稳定、质量保证和协同控制变得越来越重要。当前国外对引线键合工艺涉及大量参数和精密机构控制问题已有较为进一步研究,并且已经在参数敏感度和重要性排列方面有了共识。国内IC封装研究起步较晚,其中核心技术掌握局限性,缺少工艺数据积累,加之国外技术封锁,有必要进一步研究各种封装工艺,掌握其间核心技术,自主研发高水平封装装备。本文将对引线键合工艺展开研究,分析影响封装质量核心参数,力图为后续质量影响规律和控制奠定基本。 
2. 引线键合工艺 
    WB随着前端工艺发展正朝着超精细键合趋势发展。WB过程中,引线在热量、压力或超声能量共同作用下,与焊盘金属发生原子间扩散达到键合目。依照所使用键合工具如劈刀或楔不同,WB分为球键合和楔键合。依照键合条件不同,球键合可分为热压焊、冷超声键合和热超声键合。依照引线不同,又可分为金线、铜线、铝线键合等。冷超声键合常为铝线楔键合。热超声键合常为金丝球键合,因同步使用热压和超声能量,可以在较低温度下实现较好键合质量,从而得到广泛使用。 
 键合质量鉴定原则 
    键合质量好坏往往通过破坏性实验鉴定。普通使用键合拉力测试(BPT)、键合剪切力测试(BST)。影响BPT成果因素除了工艺参数以外,尚有引线参数(材质、直径、强度和刚度)、吊钩位置、弧线高度等。因而除了确认BPT拉力值外,还需确认引线断裂位置。重要有四个位置:⑴第一键合点界面;⑵第一键合点颈部; ⑶第二键合点处;⑷引线轮廓中间。 
    BST是通过水平推键合点引线,测得引线和焊盘分离最小推力。剪切力测试也许会由于测试环境不同或人为因素浮现偏差,Liang等人 [1]简介了一种简化判断球剪切力办法,提出简化键合参数(RBP)概念,即RBP=powerA ×forceB×timeC ,其中A,B,C为调节参数,, ,。 
    此外,键合原则对于键合点形状,如第一键合点直径、厚度等,也有一定规定,这些将直接影响器件可靠性。
 
 电子打火系统(EFO) 
    EFO用于球键合工艺中引线球形成。第二点楔键合后,尾丝在电弧放电后熔化,受到重力、表面张力和温度梯度作用,形成球体。尾丝长度受第二键合点工艺参数影响,因而第二点键合将影响到下一种第一点键合质量。熔球与引线直径比对第一键合点尺寸影响非常大。在引线材质不变条件下,熔球直径由放电电流、放电时间、放电距离和线尾露出劈刀长度决定。其中,放电电流和放电时间对成球影响最大,当前控制精度己分别达到10 mA和ms级水平。Qin等人[2]发现增长放电电流和减少放电时间可以减少热影响区域(HAZ)长度,Tay等人[3]用有限元办法模仿了引线上瞬间温度分布状况。此外,移动打火杆、紫外光辅助熔球、保护气系统也应用到EFO中,EFO火花是天蓝色,提高熔球质量。
 超声系统  ( US )
    US作为键合设备核心部件,由发生器、换能器和聚能器构成。其中换能器负责电能到机械能转换作用,最为重要。通过调节换能器可以变化键合工具振动轨迹、振动幅度。之后耦合聚能器和键合工具某些负责超声能量放大和传递,共同决定了系统谐振频率。Tsujino等人[4]设计了一种双向垂直超声系统(如图1所示),在双向垂直杆上分别装压电陶瓷A,B,控制两个振动系统频率可以得到不同图案振动轨迹,实验测得圆形和方形振动轨迹焊接升温、变形量和焊接强度高于线性轨迹。
    在几何尺寸固定状况下,键合工具振动幅度重要随超声功率增大而增大,受键合力影响很小。并且超声功率越大,达到最大键合强度时间越短,反映出越快键合速度。但是过大超声功率会导致焊盘产生裂纹或硬化,减少键合强度。良好自动键合机需要对超声振幅和键合时间等参数进行实时监控。Chiu等人 [5]研究了压电换能器里PVDF传感器安装形状对测量成果影响。Chu等人[6]研究了压电换能器里PZT传感器
安装位置,Chu以为放在驱动器后部可以得到最大信号噪声比。Zhong等人 [7]简介了使用激光多普勒振动计(如图2所示)测量劈刀振动传递特性。 
 键合工具 
    键合工具负责固定引线、传递压力和超声能量、拉弧等作用。其形状对质量有重要影响,球键合使用劈刀如图3所示。图中,①为内孔,其直径由引线直径决定,引线直径由焊盘直径决定。内孔直径越小,引线轮廓越接近抱负形状,如果内孔直径过小则会增大引线与劈刀间摩擦导致线弧形状不稳定;②为壁厚,影响超声波传导,过薄壁厚会对振幅产生影响;③为外端面和外圆角,影响第二键合点大小,从而影响第二键合点强

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