摘要：

相對于傳統(tǒng)金線鍵合，銅線鍵合設(shè)備焊接過程工藝窗口更小，對焊接的一致性要求更高。通過對銅線鍵合工藝窗口的影響因素進(jìn)行分析，探索了設(shè)備焊接過程的影響和提升辦法，為銅線鍵合技術(shù)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

隨著電子信息技術(shù)飛速發(fā)展，集成電路封裝高密度、高強(qiáng)度、低成本等要求越來越高。傳統(tǒng)的引線鍵合工藝主要采用金線鍵合，但隨著金價的上漲及其本身特性限制，越來越難以滿足日益增長的市場需要。近年來，銅線因其成本較低、自身優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及穩(wěn)定性等特點(diǎn)受到越來越多的關(guān)注，并有逐步取代主流的金線鍵合。銅線本身在高溫下易氧化和高硬度的特性給鍵合工藝帶來很多不穩(wěn)定因素，容易造成打線不粘、彈坑等失效模式，這對銅線鍵合設(shè)備焊接一致性提出了較高的要求。

1 設(shè)備焊接一致性

設(shè)備焊接一致性（Bonding Consistency）一般是指某一給定的工藝，只需設(shè)定一套工藝參數(shù)，便可在多臺設(shè)備上進(jìn)行生產(chǎn)，取得相同的結(jié)果。對于半導(dǎo)體封裝的鍵合來講，常用于鍵合一致性測定的典型要素有：焊球大小（Bonded Ball Size）、焊球高度（Bonded Ball Height）、焊絲破斷強(qiáng)度（Wire Pull Strength）和剝離強(qiáng)度（Ball Shear Strength）。

由圖 1 可以看出，對于金線鍵合，球徑和單位面積剝離強(qiáng)度在較高的超聲信號發(fā)生器（USG）電流時有可能失效。而對于銅線鍵合，僅使用球徑或者單位面積剝離強(qiáng)度不能完全界定最高的 USG 電流。在給定 USG 設(shè)定下，更強(qiáng)的剝離強(qiáng)度可能附加擠鋁（Al Splash）現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致焊盤破損。

銅線比金線硬度高出 40%～60%，所以銅線鍵合時會有金線鍵合時未曾出現(xiàn)的問題發(fā)生，如：額外的擠鋁導(dǎo)致短路、焊盤破損、焊盤開裂或剝落、烘烤過后或拉力測試中焊球脫落或焊墊剝落。對于銅線鍵合來說，設(shè)備焊接的一致性非常關(guān)鍵，因?yàn)樵诤盖蛎撀洌ㄝ^低 USG）到焊墊剝落或破損（較高 USG）之間的 USG 工藝范圍很小。

2 銅線鍵合的工藝窗口

為取得某一個工藝而設(shè)定的參數(shù)范圍被稱之為工藝窗口。銅線鍵合后的產(chǎn)品通過破壞性試驗(yàn)后的 IMC、Al Splash、Crack、Pull Test 來判定結(jié)合面的焊接質(zhì)量，由圖 2 分析可知，銅線鍵合受多因素綜合影響后的工藝窗口相對較小。金線鍵合和銅線鍵合的工藝窗口對比如表 1、表 2所示。

將相同的焊接程序裝載到三臺同類型的設(shè)備上，往往會出現(xiàn)圖 3 左側(cè)的結(jié)果，能滿足三臺設(shè)備使用相同參數(shù)生產(chǎn)的工藝窗口很小。需要考慮的是如何將工藝窗口統(tǒng)一到圖 3 右側(cè)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備焊接一致性基礎(chǔ)上的工藝窗口最大化。

假設(shè)三臺設(shè)備的硬件和設(shè)置都沒有問題，那我們應(yīng)該怎么做：重新收集數(shù)據(jù)？重新優(yōu)化焊接程序以獲得更寬的工藝窗口？重新校準(zhǔn)設(shè)備 USG CF（USG Current Factor）?如果使用到更多設(shè)備上將有什么結(jié)果？如何改進(jìn)到量產(chǎn)中？

3 影響一致性的關(guān)鍵因素

根據(jù)上面的工藝窗口現(xiàn)狀，有必要分析影響設(shè)備一致性的因素。

（1）在使用同一設(shè)備、劈刀和焊線的情況下，對 6 種不同的框架芯片材料進(jìn)行打線試驗(yàn)，USG CF 從小到大變化時可以發(fā)現(xiàn)存在對材料差異性的不同敏感度。焊盤剝落（Pad Peel） 在較大的USG CF 時發(fā)生增多，但不同材料間差異相對較小，而焊球脫落（Ball Lift）現(xiàn)象在不同材料的差異性及較低USG CF 設(shè)置時尤其明顯，如圖 4所示。

2）使用同一的設(shè)備、操作人員、材料、焊線的情況下，使用 6 種不同的劈刀進(jìn)行打線確認(rèn)對劈刀差異性的敏感度不同。相比于材料的差異性，不同的 USGCF 值，不同劈刀的差異性低很多。只有CF 設(shè)定在最高和最低點(diǎn)時才能表現(xiàn)出來，如圖 5所示。

（3）在其他條件都不變的情況下，考慮不同焊線直徑和設(shè)備燒球 Electronic Flame Off（EFO）電流大小對焊球直徑的差異性影響，焊球直徑差異性將體現(xiàn)在焊絲破斷強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度上。由圖 6可見，在使用 260 μs EFO 時間對線徑 20 μm±1 μm 以內(nèi)規(guī)格的焊線進(jìn)行打火，焊接結(jié)果（球高、球徑）差異較大。線徑越大，焊球尺寸和厚度就越小。而由于 EFO 燒球時間不充分，較粗的線徑時不能形成正常的焊球，同時由于焊球的接觸面積較小，單位面積的剝離強(qiáng)度增加明顯，如圖 6 所示。

4 設(shè)備焊接一致性改善

通過對設(shè)備焊接一致性影響的關(guān)鍵因素分析發(fā)現(xiàn)，為了在規(guī)模生產(chǎn)中取得穩(wěn)定的表現(xiàn)，必須對USG 進(jìn)行設(shè)置和校準(zhǔn)。“校準(zhǔn)”就是要讓相同類型的設(shè)備在同一 USG 電流輸入時取得同樣的焊接結(jié)果。對于設(shè)備而言我們稱之為“USG Current Factor”或 USG CF。

CurrentFactor 的設(shè)置以往主要有 GAP 感應(yīng)器法、工藝敏感性測試 PST 法和拉線 ICF 法三種方法，每種方法都試圖在給定的 USG 設(shè)定范圍內(nèi)提高一致性，但也都存在易受外界干擾和耗時較長等不足。

采用新的在線校正方法 OBPF （On Bonder Personality Factor）進(jìn)行 USG CF 校準(zhǔn)，其最大優(yōu)勢完全在焊線機(jī)上實(shí)現(xiàn)，無需增加另外的設(shè)備或測試儀器，在實(shí)際焊接中使用一種運(yùn)算法則進(jìn)行采集數(shù)據(jù)、表現(xiàn)分析和建議 Current Factor。這種方法消除了以往 CF 校準(zhǔn)方法的不足，并進(jìn)一步提高CF 校準(zhǔn)的一致性。

如圖 7 所示，按照菜單提示執(zhí)行 USG CF 校準(zhǔn)，設(shè)備自動載入標(biāo)準(zhǔn)打線程序，在標(biāo)準(zhǔn)材料上運(yùn)行打線 800 根絲后焊線機(jī)會根據(jù)設(shè)備狀況自動進(jìn)行計算 USG CF 結(jié)果。

在實(shí)際使用過程中，通過 OBPF 校準(zhǔn)功能利用焊接反應(yīng)來校準(zhǔn)設(shè)備 USG CF，將影響 Current Factor 準(zhǔn)確度的因素最小化，同時大大縮短校準(zhǔn)所花費(fèi)的時間。

5 結(jié)束語

成功的銅線焊接要從工藝研發(fā)走向規(guī)模生產(chǎn)，必須對焊墊開裂檢查、鋁擠出測量、IMC 測量和截面檢查等應(yīng)用難點(diǎn)進(jìn)行研究，找出限制工藝窗口的影響因素。鋁墊越薄越容易開裂或剝落，鋁墊越厚，越容易產(chǎn)生鋁擠出。規(guī)模生產(chǎn)中需要較大的工藝窗口適應(yīng)各種差異性，這是焊接工藝成功的關(guān)鍵。在驗(yàn)證設(shè)備焊接一致性的基礎(chǔ)上取得可接受的工藝窗口，通過 OBPF 校準(zhǔn)設(shè)備 USG CF，改善了影響設(shè)備焊接一致性的關(guān)鍵因素，在多臺設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)微調(diào)，批量生產(chǎn)工藝更穩(wěn)定。

審核編輯：湯梓紅