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

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

為了實現(xiàn)芯片與外界的通信，需要將芯片與基板進行電氣互連。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，用金屬細絲將半導體芯片焊區(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現(xiàn)互連。

球焊作為引線鍵合的工藝之一，也是目前半導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手動鍵合機為對象，針對工藝過程中第一鍵合點焊球球徑過大的問題，通過工藝實驗對工藝參數(shù)和劈刀進行分析研究，為設備和工藝調(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，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，換能器傳遞超聲能量至劈刀末端，產(chǎn)生振動，使兩金屬面之間產(chǎn)生固態(tài)鍵；

3）線夾打開，劈刀帶著引線移動到第二焊點位置，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，引線在第二焊點的最薄弱位置斷開；

5）劈刀上移至打火高度；

6）線夾向下運動并送出設定長度的引線后，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）應控制在金線直徑+（5~8μm），劈刀斜面直徑（CD）應控制在劈刀孔直徑（H）+（5~10μm）[2]。

3 問題描述及分析

在鍵合過程中，第一鍵合點焊球球徑過大，容易導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)包括尾絲長度、打火參數(shù)、打火桿位置、超聲參數(shù)和鍵合力等設置不合適[3]；

（2）劈刀選型不合適。

4 實驗設計

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

表1 工藝參數(shù)優(yōu)化表

經(jīng)實驗測試，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)設置不合適的因素；

（2）按照劈刀選型要求，重新選擇劈刀型號，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，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，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

對金絲球焊工藝中影響第一鍵合點焊球球徑的多種因素進行分析和實驗驗證，確定了在成焊球球徑過大的原因，并且解決這一問題。

劈刀端部內(nèi)部斜面角度越大，焊接的焊球直徑越大。因此，對于需要小焊球鍵合的細間距應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。