金丝球焊球径控制工艺分析_张永聪.pdf

（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022收稿日期：2022-12-12金丝球焊球径控制工艺分析张永聪，霍灼琴，张良辰，靳宇婷，郝艳鹏，马生生，赵喜清(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原030024)摘要：针对键合过程中焊球球径过大进行原因分析，即键合工艺参数不当和劈刀型号不对等。经过实验验证，劈刀端内部斜面角度过大造成上述问题，解决该问题的方法是选择劈刀端内部斜面角度为90的劈刀。这种劈刀可以满足小焊球及细间距的键合需求。关键词：斜面角度；劈刀；焊球中图分类号：TN405.96文献标志码：B文章编号：1004-4507(2022)06-0041-03Analysis of Ball Diameter Control Technologyfor Gold Wire Ball WeldingZHANG Yongcong，HUO Zhuoqin，ZHANG Liangchen，JIN Yuting，HAO Yanpeng，MA Shengshen，ZHAO Xiqing(The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China)Abstract:The reasons for the large diameter of the welding ball in the bonding process are analyzed，that is，the improper bonding process parameters and the type of the splitting tool are not equal.Through experiments，it is proved that the internal bevel Angle of the split end is too large to cause theabove problems.The method to solve this problem is to choose the splits whose internal bevel Angle is90.This type of splitting tool can meet the bonding requirements of small welding ball and finespacing.Key words:Bevel Angle；Splitting tool；Welding ball为了实现芯片与外界的通信，需要将芯片与基板进行电气互连。热超声引线键合借助于超声能量、压力以及加热的相互作用，用金属细丝将半导体芯片焊区与微电子封装的输入/输出(I/O)引线或基板上的金属布线焊区连接起来，实现电气互连。热超声引线键合是芯片封装的关键步骤，也是目前应用最为广泛的内芯片互连工艺，绝大多数集成电路使用引线键合实现互连。球焊作为引线键合的工艺之一，也是目前半导体器件芯片封装工艺中最具代表性的焊接技术1。本文以 RSH-101B 手动键合机为对象，针对工艺过程中第一键合点焊球球径过大的问题，通先进封装技术与设备41（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022过工艺实验对工艺参数和劈刀进行分析研究，为设备和工艺调试提供理论支撑。1球焊工艺过程球焊工艺的基本步骤如图 1 所示。具体包括：1)电子打火（EFO）在打火杆和劈刀末端的引线之间施加高电势，产生高能的放电使引线末端熔化变形为球状；2）劈刀下降并挤压焊球，施加键合压力的同时，换能器传递超声能量至劈刀末端，产生振动，使两金属面之间产生固态键；3）线夹打开，劈刀带着引线移动到第二焊点位置，形成线弧；4）线夹关闭，劈刀下移，弯曲的引线与基板的焊盘接触，施加压力和超声能量，引线在第二焊点的最薄弱位置断开；5）劈刀上移至打火高度；6）线夹向下运动并送出设定长度的引线后，电子打火（EFO）再次打火，劈刀末端形成新的焊球；然后依次重复这一流程，直到所有连接完成为止。图1球焊工艺过程示意图2球焊劈刀选型金丝球焊一般选用的是毛细管陶瓷劈刀。劈刀端部的尺寸直接影响焊接工艺质量，劈刀端部如图 2 所示。图 2 中参数 OR为外部半径；H 为劈刀孔直径；ICR为内部斜面；CD为斜面直径。为获得较好的焊接质量，劈刀的顶部直径（T）通常比键合焊盘大 25%50%1，劈刀孔直径（H）应控制在金线直径+（58 m），劈刀斜面直径（CD）应控制在劈刀孔直径（H）+（510 m）2。3问题描述及分析在键合过程中，第一键合点焊球球径过大，容易导致焊球彼此互连短路，如图 3 所示。分析可能是由以下几种原因造成：（1）键合工艺参数包括尾丝长度、打火参数、打火杆位置、超声参数和键合力等设置不合适3；（2）劈刀选型不合适。图2劈刀端部结构图线夹劈刀端部电子打火加热超声+垂直力形成线弧线夹线夹尾丝超声+垂直力加热123654BNRICRTBRORCDTICA2ICAMATFABNHBNAH先进封装技术与设备42（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022图3焊球短路图4实验设计（1）按照表 1 优化工艺参数（其他参数不变）并测试；经实验测试，通过优化工艺参数，无法满足工艺要求，排除键合工艺参数设置不合适的因素；（2）按照劈刀选型要求，重新选择劈刀型号，劈刀关键参数如表 2 所示。初始采用 GAISER 劈刀（1572-13S-625GM）键合时，工艺参数优化后，键合球径最小约为 73 m，如图 4 所示。改用 IUUSU 劈刀（TY-PB-3XL-33TY-20B）键合时，工艺参数优化后，键合球径最小约为 50 m，如图 5 所示，满足工艺要求。5结论对金丝球焊工艺中影响第一键合点焊球球径的多种因素进行分析和实验验证，确定了在成焊球球径过大的原因，并且解决这一问题。劈刀端部内部斜面角度越大，焊接的焊球直径越大。因此，对于需要小焊球键合的细间距应首先选择斜面角度小的劈刀（90）。而且 90斜面角度形成的拱丝和线尾都优于 120斜面角度。参考文献：1沙帕拉.K.普拉萨德.复杂的引线键合互联工艺M.北京：中国宇航出版社，2015.2林海青.金丝球焊工艺及影响因素分析J.中国新技术新产品，2016(2)：48-49.3王姜伙，金家富.自动金丝球焊工艺中第一键合点成球缺陷分析J.电子与封装，2014，14(2)：13-15.作者简介：张永聪（1984），男，山西繁峙人，大学本科，高级工程师，主要从事半导体专用设备键合机的研发设计工作。表1工艺参数优化表工艺参数尾丝长度打火电流和时间打火杆位置超声功率和时间键合力结论球径增大或金丝距离打火杆距离过近，EFO 报警劈刀孔易堵塞球径不变烧球不均匀金丝距离打火杆距离过远，EFO 报警金丝距离打火杆距离过近，EFO 报警球径不变或增大无法与焊盘键合球径增大无法与焊盘键合表2劈刀关键参数表劈刀型号1572-13S-625GMTY-PB-3XL-33TY-20B品牌GAISERIUUSU关键参数顶部直径（T）/m：140外部半径（OR）/m：20劈刀孔直径（H）/m：33内部斜面（ICR）/（）：120斜面直径（CD）/m：53顶部直径（T）/m：100外部半径（OR）/m：20劈刀孔直径（H）/m：33内部斜面（ICR）/（）：90斜面直径（CD）/m：50图5 IUUSU劈刀键合球（基板镀金方块尺寸50 m50 m）图4 GAISER劈刀键合球先进封装技术与设备43