复杂的引线键合互连工艺PDF电子书下载

第1章 概论 1

1.1 引线键合工艺 3

1.1.1 热超声球键合 3

1.1.2 超声楔形键合 5

1.2 球－楔键合的优点 5

1.2.1 热超声球－楔键合的缺点 6

1.3 铝楔形键合的优点 7

1.3.1 铝楔形键合的缺点 7

1.4 热压键合 7

1.5 三种键合工艺的比较 7

1.6 超细间距引线键合 8

1.6.1 超细间距键合中的挑战 9

第2章 引线键合的材料 11

2.1 键合引线材料的要求和性质 11

2.1.1 键合引线的要求 11

2.1.2 高电导率 12

2.1.3 高电流负载能力 15

2.1.4 高抗张强度和可控的延伸率 17

2.1.5 应力应变曲线 18

2.1.6 断裂负载 19

2.1.7 可控的延伸率 19

2.1.8 掺杂元素及其在机械性质上的影响 22

2.1.9 引线的晶粒尺寸 24

2.1.10 热膨胀系数的兼容性 25

2.1.11 引线键合加工的生产率 26

2.1.12 气密性封装的键合引线 26

2.1.13 抗腐蚀性 26

2.1.14 器件键合焊盘的尺寸 26

2.2 引线材料的选择 27

2.2.1 键合引线材料的选择 27

2.2.2 金合金对机械性能的改善 27

2.2.3 适用于细小间距应用的金引线 30

2.2.4 低拱丝高度应用的引线选择 31

2.2.5 作为键合引线材料的铝和铝合金 35

2.2.6 添加1％硅的铝 35

2.2.7 铝－镁引线 36

2.2.8 金引线的替代品 36

2.2.9 铜引线 37

2.3 引线制造 39

2.3.1 金和铝键合引线的制造 39

2.3.2 金属精炼 39

2.3.3 熔化和铸造 39

2.3.4 拉制 40

2.3.5 静液力挤压 41

2.3.6 退火 42

2.3.7 缠绕和制轴 42

2.3.8 高速自动引线键合机的绕轴 43

2.3.9 键合引线的质量保证 45

2.3.10 引线的存储 48

2.3.11 保存期限 49

2.4 键合引线的质量 51

2.4.1 拉制引线的化学分析和表面清洁 51

2.4.2 铝合金中硅分布的控制 52

2.5 测试方法和规范 53

2.5.1 机械性能测试 53

2.5.2 SEM作为断裂模式分析的一个诊断工具 54

2.5.3 目检 56

2.5.4 线径测量法 56

第3章 键合设备 58

3.1 设备性能要求 58

3.1.1 键合放置精度和可重复性 59

3.1.2 焊球的控制 66

3.1.3 拱丝的控制 68

3.1.4 供料系统 71

3.1.5 程序的传递或可移植性 72

3.1.6 成品率 73

3.1.7 键合的产量 73

3.1.8 换能器技术 74

3.1.9 离线编程（OLP） 78

3.2 设备的选择和采购 80

3.2.1 定义需求 80

3.2.2 市场调研 81

3.2.3 编写采购说明 81

3.2.4 运行性能测试 82

3.2.5 撰写采购键合机的评估 82

3.2.6 怎样撰写设备要求说明书？ 82

3.2.7 设备选择的优先顺序矩阵分析法 85

3.2.8 怎样使用优先顺序矩阵分析法？ 85

3.3 物主成本 86

3.3.1 引线键合设备成本效益选择的标准 86

3.3.2 什么是物主成本？ 87

3.3.3 CoO计算的参数 87

3.3.4 物主成本软件 89

3.3.5 物主成本分析的实用性 89

3.4 设备性能 89

3.4.1 键合机的性能评价 89

3.4.2 键合机评价队伍 90

3.4.3 键合机评价计划 90

3.4.4 引线键合机的性能评定 91

3.4.5 现存封装的加工能力 92

3.4.6 未来封装的加工能力 92

3.4.7 机器能力 93

3.4.8 机器功能 94

3.4.9 供应商的潜力和服务 96

3.4.10 来自工厂各级职员的评价 96

3.4.11 得分调查表 97

3.4.12 决策 97

3.5 设备维护 98

3.5.1 建立一个维护计划 98

3.5.2 待机时间 99

3.5.3 不定期停机时间 99

3.5.4 定期停机时间 100

3.6 预防性维修计划 100

第4章 加工工艺 101

4.1 工艺参数 101

4.1.1 键合参数 102

4.1.2 键合力 103

4.1.3 键合期间的超声能量 104

4.1.4 键合温度 113

4.1.5 键合时间 114

4.1.6 拱丝参数 115

4.1.7 键合焊盘的金属层 119

4.1.8 铝和铝合金 121

4.1.9 下层金属层 125

4.1.10 键合焊盘金属层的微结构 126

4.1.11 合金元素及其对键合能力的影响 127

4.1.12 键合焊盘金属层的新型铝合金 128

4.1.13 焊盘金属层的替换 129

4.1.14 金属层淀积技术 130

4.1.15 钝化刻蚀 131

4.1.16 键合焊盘污染 133

4.1.17 芯片金属层表面可键合性特征评价的方法 133

4.1.18 铝键合焊盘的硬度测量 134

4.1.19 引线框架和基板的金属层 136

4.1.20 基板金属层的加工 140

4.1.21 镀膜的形态 143

4.1.22 基板金属层的替换 144

4.1.23 基板金属层质量的特征 147

4.1.24 膜层性质对键合的影响 147

4.1.25 膜层缺陷的目检 152

4.1.26 作为工艺参数的键合引线 155

4.1.27 引线类型 156

4.1.28 引线尺寸 156

4.1.29 引线直径对结球的影响 156

4.1.30 引线直径对剪切力的影响 159

4.1.31 引线直径对断裂负载的影响 159

4.1.32 引线直径对颈部强度的影响 159

4.1.33 引线的一致性 161

4.1.34 引线线轴的影响 161

4.1.35 引线的表面状况 162

4.1.36 第二货源及其影响 162

4.1.37 焊球接触直径 162

4.1.38 键合工具 162

4.1.39 键合工具的选择 163

4.1.40 劈刀尺寸 163

4.1.41 劈刀顶部直径 164

4.1.42 劈刀孔及其作用 166

4.1.43 斜面直径和斜面角度 167

4.1.44 表面角度 170

4.1.45 劈刀的外部半径 172

4.1.46 劈刀的形状 172

4.1.47 细长劈刀 174

4.1.48 劈刀材料 174

4.1.49 采用CNC加工的劈刀制造 176

4.1.50 陶瓷注模（CIM）加工 177

4.1.51 陶瓷注模加工的优点 178

4.1.52 劈刀材料选择的标准 178

4.1.53 劈刀的表面加工 179

4.1.54 劈刀损伤 180

4.1.55 超声键合的楔入工具 180

4.1.56 后缘半径 181

4.1.57 楔形面 183

4.1.58 深腔键合 184

4.1.59 反向键合 185

4.1.60 引线喂料及其在键合位置上的影响 186

4.1.61 楔形工具用材料 187

4.1.62 最终表面 187

4.1.63 其他楔形工具 190

4.1.64 其他影响键合的因素 191

4.1.65 键合设备和工作台 191

4.1.66 图形识别系统 191

4.1.67 EFO一致性 192

4.1.68 引线喂料的一致性 194

4.1.69 精确的接触探测和挤压控制 195

4.1.70 同步 195

4.1.71 设置的稳定性 195

4.1.72 软件相关的程序缺陷 196

4.1.73 键合缺失检测器 196

4.1.74 加热部件 196

4.1.75 引线框架夹具 196

4.1.76 工具谐振 197

4.1.77 专用键合工具的特点 200

4.1.78 热压键合 200

4.1.79 影响COB封装的加工参数 200

4.1.80 操作人员技能 202

4.2 工艺优化 203

4.2.1 工艺优化的目的 203

4.2.2 金球键合的最优化 205

4.2.3 结球的最优化 206

4.2.4 试验的设计 206

4.2.5 铝楔形键合的最优化 211

4.2.6 最优化第二键合 212

4.3 工艺控制 219

4.3.1 键合拉力 219

4.3.2 控制图表的使用 220

4.3.3 作为可测量特征的键合拉力 221

4.3.4 创建控制图表 223

4.3.5 计算X图表和R图表参数的步骤 225

4.3.6 控制图表的说明 225

4.3.7 用键合剪切强度控制工艺 226

4.3.8 目检 226

4.3.9 金属间化合面积的测量 227

4.3.10 键合刻蚀 227

4.3.11 加工能力（Cpk）分析 228

4.4 工艺监测 228

4.4.1 监测键合响应 228

4.4.2 超声频率控制和监测 230

4.4.3 键合工具振动强度测量 230

4.4.4 电容扩音技术 230

4.4.5 阻抗测量系统 231

4.4.6 使用激光干涉法的超声波测试 231

4.4.7 使用光学传感器的楔形工具振动强度测量 232

4.4.8 负载对工具振动模式的影响 233

4.4.9 键合力监测 235

4.4.10 键合时间监测 235

4.4.11 其他键合监测技术 235

4.4.12 西门子过程监测法 236

4.4.13 温度监测 238

4.5 加工机理 241

4.5.1 超声波键合 241

4.5.2 工具对焊接强度的影响 244

4.5.3 热压的机理 246

4.6 对可键合能力的设计 251

4.6.1 芯片设计规则 252

4.6.2 焊盘设计规则 253

4.6.3 通过引线的最大容许电流 260

4.6.4 封装和组装设计指南 264

4.6.5 拱丝高度的设计 267

4.6.6 交错焊盘的布局设计 270

4.6.7 引线交叉 272

4.6.8 由于芯片位移的引线交叉 272

4.6.9 引线长度规则 275

4.6.10 键合设计和封装兼容性 277

4.6.11 键合直径偏离焊盘的百分比 277

4.6.12 为键合考虑的引线框架设计 277

4.6.13 包括键合能力的封装设计软件 280

4.7 加工问题和解决方法 280

4.7.1 焊球在键合焊盘上不粘连（键合脱离） 281

4.7.2 在引脚上焊接的不粘连（焊接脱离） 281

4.7.3 焊球在焊盘上的位置 283

4.7.4 楔形焊在引脚上的位置 283

4.7.5 引线塌陷 284

4.7.6 引线残尾 285

4.7.7 键合期间的引线断裂 285

4.7.8 拱丝紧绷 286

4.7.9 焊球畸形 286

4.7.10 球心偏离（高尔夫球杆） 287

4.7.11 露底 287

4.7.12 金属挤出 287

4.7.13 引线歪扭 288

4.7.14 线夹问题 288

4.7.15 低频运动和键合形成 289

4.7.16 劈刀堵塞 289

4.7.17 劈刀去堵 289

4.7.18 键合工具清洗的化学方法 290

4.7.19 键合焊盘和引脚框架的污染物 291

4.7.20 有机污染物 292

4.7.21 等离子清洗 292

4.7.22 等离子机理 294

4.7.23 等离子设备 295

4.7.24 等离子工艺参数 296

4.7.25 DC氢等离子 297

4.7.26 化学和物理清洗的分析比较 298

4.7.27 等离子清洗的应用 301

4.7.28 等离子清洗的负面影响 302

4.7.29 紫外／臭氧清洗 302

4.7.30 紫外／臭氧的机理 303

4.7.31 紫外／臭氧设备 304

4.7.32 紫外／臭氧工艺参数 304

4.7.33 紫外／臭氧的影响 305

4.7.34 紫外／臭氧的负面影响 306

第5章 质量 307

5.1 键合拉力技术 307

5.1.1 键合拉力测试 307

5.1.2 吊钩位置对失效模式的影响 314

5.1.3 吊钩直径的影响 316

5.1.4 引线延伸率对键合拉力强度的影响 318

5.1.5 引线长度对键合拉力强度的影响 319

5.1.6 拱丝高度对键合拉力强度的影响 320

5.1.7 拱丝参数的影响 320

5.1.8 键合拉力数据分布的分析 321

5.1.9 拉力角度和失效模式 322

5.1.10 推荐的拉力测试方法 324

5.1.11 非破坏拉力测试 325

5.1.12 利用键合拉力测试焊接强度 327

5.1.13 键合拉力设备 327

5.1.14 自动键合拉力测试 328

5.1.15 键合拉力测试规范 330

5.1.16 引线键合拉力测试的局限性 331

5.2 焊球键合剪切测试 332

5.2.1 测试的描述 332

5.2.2 焊球剪切设备 335

5.2.3 焊球剪切测试过程 337

5.2.4 剪切测试的变量 339

5.2.5 剪切测试干扰和测量误差 340

5.2.6 不同金属层上的剪切强度 341

5.2.7 未被污染焊盘上键合的剪切测试 343

5.2.8 厚膜上的剪切测试 343

5.2.9 剪切力和剪切强度 344

5.2.10 剪切测试规范 346

5.2.11 非破坏剪切测试 349

5.3 键合质量的目检 349

5.3.1 键合前检验 350

5.3.2 键合后检验 350

5.3.3 目检标准 350

5.3.4 自动化视觉检验 352

5.3.5 目检设备性能 353

5.3.6 拱丝高度测量 354

5.3.7 用于引线缺陷分析的电子扫描显微镜 355

5.3.8 三维视觉检验规范 355

5.4 特殊质量测试 356

5.4.1 键合刻蚀 357

5.4.2 电测试 357

5.4.3 烘焙测试 357

5.4.4 表面分析 357

5.4.5 声波散射 357

第6章 可靠性 359

6.1 紫斑 359

6.1.1 紫斑或金属间化合物 359

6.1.2 金属间化合物的形成 360

6.1.3 导致高电阻或电路开路的柯肯达尔空洞 361

6.1.4 导致脆性断裂的金属间化合物 362

6.1.5 Arrhenius（阿伦尼乌斯）方程 364

6.1.6 金属间化合物形成的分析方法 367

6.1.7 电阻率测量 368

6.2 尖刺 370

6.2.1 铝－硅合金 370

6.3 露底 371

6.3.1 键合焊盘露底 371

6.3.2 键合力的影响 372

6.3.3 超声波能量的影响 372

6.3.4 硅节瘤诱发的露底 374

6.3.5 引线硬度的影响 375

6.3.6 金属层厚度的影响 376

6.3.7 在塑料封装中湿气吸收 376

6.3.8 金属间化合物的影响 377

6.4 引线倾倒 378

6.4.1 引线倾倒的不同原因 379

6.4.2 键合引线的影响 380

6.4.3 IC封装设计 382

6.4.4 注模化合物的影响 385

6.4.5 对于注模朝向引线方位的影响 386

6.4.6 引线倾倒的FEM 387

6.5 腐蚀 388

6.5.1 铝－铜键合焊盘金属层的腐蚀 389

6.5.2 氯引发的腐蚀 390

6.6 踵裂 391

6.6.1 热和功率循环诱发踵失效 391

6.6.2 功率循环和它的影响 391

6.6.3 踵裂的原因 393

6.6.4 键合引线疲劳性质的特征 395

6.6.5 我们能通过目检剔除踵裂吗？ 396

6.7 其他可靠性问题 396

6.7.1 芯片粘接焊盘漂移失效 399

6.7.2 过电流失效 400

6.7.3 晶粒生长失效 400

6.7.4 在镀银引脚框架上的铝键合失效 401

6.7.5 银铝腐蚀 403

6.7.6 离心试验时的键合失效 403

6.8 由于引线倾倒引起的电性能退化 404

6.8.1 引线跨距对电感值的影响 405

第7章 引线键合的新工艺和新应用 407

7.1 光电子应用中的引线键合 407

7.1.1 设计挑战 408

7.1.2 材料挑战 408

7.1.3 加工问题 408

7.1.4 光学封装引线键合的加工问题 409

7.1.5 光学封装引线键合的键合工具 409

7.1.6 设备要求 409

7.2 叠层芯片封装中的引线键合 410

7.2.1 零拱丝楔形键合 413

7.2.2 低拱丝高度 413

7.3 采用新的超声换能器的低温键合 414

7.4 铜键合工艺 415

7.4.1 铜键合引线材料技术 416

7.4.2 设备问题和挑战 416

7.4.3 劈刀的选择 418

7.5 微BGA引腿键合加工 420

7.5.1 引腿和引线键合之间的不同 420

7.5.2 引腿键合加工综观 420

7.6 结论 421

参考文献 422