中文焊線技術講義ppt课件.ppt
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1、Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,目錄 銲線的種類 結球銲線(BALL BONDING) 的操作 結球銲線的實際操作 Bonding用線材 Bonding用瓷嘴 銲線技術(製程技術) 附錄拉力測試時Pull位置的影響 附錄關於CRATERING 附錄關於電鍍,銲線機操作的基礎,Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,2,銲線的種類,Ball Bonder,Wedge Bonder,將半導體IC晶片上的接續電極與Package外部引出用端子之間,利用打線予以連接。將相連的金屬加熱,以熱或超音波振動、或熱+超音波振動,使其接合。 (源自於: SEAJ
2、半導體製造機台用語辭典),此方式是以降低打線溫度為目的所開發而成。 為彌補因溫度低造成熱能減少,因此附加上超音波能量,熱壓著TPC方式,使用線來銲線的技術,最早是在年代,由美國貝爾研究所的研究小組所確立,之後美國機台製造廠商開發手動式機台,將結球銲線的操作被實際應用,且普及的被採用至今。,Wedge Bonding 鋁Al、金Au線,BALL BONDING 金Au、銅Cu線,WIRE BONDING,超音波熱壓著方式,Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,3,熱壓著法與超音波熱壓著法的比較,接合要素之比較,接合時所需的物理性効果比較,参考資料,Ver.1,WIRE BO
3、NDING PROCESS的基礎,4,銲線操作, 搜尋動作 在瓷嘴前端突出的線頂端形成金球,瓷嘴朝向銲點位置(PAD 表面)以低速()下降。 銲點 瓷嘴碰觸到銲墊表面後,依静荷重、超音波振動及溫度,使金球被 壓著在銲墊表面上。 打線弧 銲點完成後,瓷嘴朝銲點移動的過程中,瓷嘴上升約 ,釋出線弧形成時所需的金線長度。, 線弧形成 接著在瓷嘴從最高點朝銲點移動的過 程中,金線被瓷嘴吸入,連帶著多餘的線到 達銲點。 銲點 到達銲點後,依静荷重、超音波振動 及溫度,使金線被壓著在LEAD表面。 FEED UP線尾產生 點銲線完成後,為了下次的打線時形 成所需的金球,既定的金線被釋出,上升 到SPARK
4、的高度。 金球形成 瓷嘴上升至SPARK高度後,因放電而使金線 前端形成金球。,Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,5,結球銲線的實際操作手段,Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,6,主要特徴,等上述極佳的化學、機械特性,本項資料、圖表等,自田中電子工業及日鉄MICRO METAL技術資料轉載,Bonding用金線 金線的主要特徴,在現今半導體組裝過程中超音波熱壓著打線方式為Ball Bonding的主流,而金線是最適合且不可或缺的半導體DEVICE封裝材料。,在大氣中或水中,化學性安定,不會氧化 在金屬中,延展性最佳、於打線時可使用加工至直徑
5、(MICOR METER:)的超細線 不易吸收氣體 對於熱壓著打線,硬度最合適 其機械性的強度可承受樹脂封膠壓力 僅次於銀、銅的高導電性 電阻比率()的比較 銀(.)銅(.)金(.)鋁(.),Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,7,電氣傳導性(電流傳導容易) 影響金屬導電程度,也就是決定電子移動量的重要因素,包含金屬結晶中的自由電子數、金屬 結晶兩端的電位差、妨礙自由電子移動的阻抗等因素。 自由電子數,一般以價的金屬最多、導電性高。 結晶中兩端電位差越大,自由電子數越多,導電性也越高。 電氣阻抗越小,則移動電子數越増加、導電性也越高。,自由電子 相對於不能與原子或分子相
6、離太遠的束縛電子,自由電子可在真空或物質中自由移動。 金屬中的傳導電子在傳導帶時就是自由電子,因與格子振動的相互作用,有說明導電、 熱傳導、比熱、磁性等特徴。,電氣阻抗 施與在物體一定電壓時,所通過的穩定電流為、則為該物體之電氣阻抗。 截面積也一樣,在A中長度的線狀物體,A中的被稱做電氣阻抗率(電氣 阻抗比),是為單位的物理定數。 電氣阻抗中電流流通,則產生每單位時間發生*2的焦耳熱()。,用語解説,Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,8,在高純度(:)純金中添加特定的不純物質,以及在加工過程中的均勻擴散處理(熱處理:Anneal退火),可製造出具有各種特性之線種。,B
7、onding用金線 金線的製造過程範例 (引用自田中電子工業綜合目錄),Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,9,用語解説,壓延加工 壓延加工是指形成平板狀、某固定形狀、棒狀、管狀等的多功能加工法。依加工材料的溫度可分 為熱壓延與冷壓延。熱壓延是處理較大材料的壓延。 冷壓延,因是在常溫下,當然絕對應力阻抗高,加工困難度也變高,但尺寸精準度較佳,可達到 成品表面完美的目的。 固定形狀材料的壓延,是在滾筒內沿著溝道成形,隨溝道形狀的依序變化,而逐漸接近成品的多 段式滾筒壓延。,應力阻抗 從應力應變曲線,取得塑性應變的絶對値,及應力的絶對値,來表示關係時,是 在塑性變形時的材料
8、特有數値。這數值就稱為應力阻抗。 應力阻抗之測定 材料應力阻抗之測定,有拉力測試、壓縮測試及硬度測試等等。 其中最常做的測試是拉力測試,降伏應力、或是耐力、拉力強度等特性外,伸展、壓縮 、加工硬化指數、r值等特性,都可由塑性變形求得。 壓縮測試方面,雖然不像拉力測試時易發生中間細的狀況,但若不注意減少工具與材料間摩擦之 問題,會有Barreling的狀況發生。硬度測驗,其優點是可在細微部分測定,但需要誤差處理。,Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,10,除純度以外,金線要求以下機能,尺寸精準度高(能控制在0.1um) 表面圓滑、有金屬光澤 表面無髒物、污垢 拉力強度、伸
9、展率能達指定程度 捲線狀況少 在金線前端形成的球,其形狀一定且非常圓,Bonding用金線 對金線之要求,Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,11,各Type的高溫特性與Loop高度的關係,各Type線之強度,一般線 :Y, C, FA, M3, G 低Loop用線 :GL-2, GLD 高強度線 :GMG, GMH 合金線 :GPG,Bonding用金線 Bonding用金線列表 (田中電子工業製金線範例 有關其他公司的線,請參照目錄),Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,12,與高純度線做比較,在常温及高温時的機械性強度較高 耐模流極優 在大
10、氣中、可形成完整的圓球 Initial Ball本體的再結晶粒小 與高純度線比較、接合力高 Ball Neck強度較強 接合度提高 與高純度線比較,電阻略高(.倍左右),合金線之特徴,一般的機械性強度,在強度測試中可同時測定出斷裂強度()與伸展率(),為因應近年來各種半導體封裝的應用,已投入開發純度() (.)合金(Alloy)線的市場。,Bonding用金線 合金線(),Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,13,合金、高純度金線範例,針對近年來急速以Pitch展開的Fine Pad Pitch化,提出下列要求,各金線之詳細特點,請參照各公司之目錄,在微小銲墊上打線 接
11、合信賴性的提升 隨著線徑的細小化 耐模流性的改良 隨著線徑的細小化 改良金線強度,要求開發新線種,擁有舊有高純度線所無法擁有的特性,開發合金線() 與 KEEP的高強度線,Bonding用金線 合金線(),Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,14,常溫()與高溫()的合金線與高純度線 機械特性比較,Bonding用金線 合金線() (以下引用田中電子工業合金線資料),Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,15,在Molding下的線徑與模流的關係,Bonding用金線 合金線(),Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,16,高
12、純度線 總粒子數:28 粒子尺寸(m):10.2,合金線 總粒子数:73 粒子尺寸(m):6.3,Initial Ball的再結晶狀況 (引用日鉄MICRO METAL合金線資料),Initial Ball的再結晶狀況對壓著後的球形、接合強度有很大的影響。,熱影響部分(: )SEM照片,Bonding用金線 合金線(),Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,17,超音波、金球壓著徑、推球強度的關係,onding用金線 合金線(), 合金線因添加鈀(Palladium),金球結晶組織變得微細,金球硬度也略為變高,故打線時因金球的變形,破壞鋁氧化膜,的新生面形成後,此新生面(
13、)與相互擴散,因而形成接合。 Power時,能量為使硬球變形而被消耗掉,使得接合時所需的新生面可能無法完整形成。金球變形一定程度後,微細結晶粒能有効率地將超音波能量傳達至金球與鋁墊界面,獲得良好的接合效果。, 另一方面,高純度線的柔軟金球,會隨著US Power的増大而變形,而超音波能量則是同時進行金球變形與接合的能量消耗,來做接合。US Power時,從瓷嘴露出的部分開始變形,雖然金球尺寸變大,L氧化膜的破壞、相互核酸並無法消耗能量,造成推球強度幾乎毫無變化,單位面積的推球強度降低的結果。,上述解說內容,是由WIRE MAKER技術部門經理陳述,Ver.1,WIRE BONDING PROC
14、ESS的基礎,18,【計測條件】 量測器 : Tensilon (Orientec UTM-) 樣本長度 : 10mm 拉力速度 : 1mm/min,線徑、球頸部分的拉力強度関係,Bonding用金線 合金線(),合金,高純度,Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,19,使用系列時,雖會有奇怪的變形出現,但使用合金系列時,要提昇圓球完整性是很容易的。,壓著金球有花瓣狀(打線品質不良的一種),是與Initial Ball的再結晶粒大小、硬度有關。,壓著後金球的剖面SEM照片(引用自日鉄MICRO METAL合金WIRE資料),Bonding用金線 合金線(),Ver.1,W
15、IRE BONDING PROCESS的基礎,20,Bonding用金線 合金線(),使用該合金線時,產生有溶解物,使得與的活性化能量提昇,抑制金球與鋁墊間的相互擴散。此結果抑制的発生,抑制被Mold樹脂腐蝕的和金屬間化合物產生、提昇接合度。,提昇金Au與鋁Al間的接合信賴性,Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,21,Bonding用金線 金線廠商分佈(總公司所在地),Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,22,WD : Wire Diameter (線徑) H : Hole Diameter (孔徑) CD : Diameter (溝槽徑) CA
16、 : Chamfer Angle (溝槽角度) OR : Outer Radius FA : Face Angle (仰角) T : Tip (前端徑),Bonding用瓷嘴 瓷嘴基本尺寸 (本項目之圖片、資料等,引用自SPT及PECO的技術資料),FA,瓷嘴是以下列尺寸所設計製作的,這些尺寸影響壓著到銲墊的金球尺寸,也影響壓着至LEAD的STITCH尺寸,故需仔細研究。,Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,23,H,WD,Bonding用瓷嘴 直接影響打線的瓷嘴尺寸規格(),孔徑(Hole Diameter) 孔徑是依既定線徑()所決定的。 標準為線徑的.倍,WD :
17、 Wire Diameter (線徑) H : Hole Diameter (孔徑),為控制縮小用於Fine Pad Pitch時的金球尺寸,希望能有相對於線徑更小的孔徑,線徑.倍以下的孔徑將成為主流。,Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,24,對於要求的金球壓著徑來講, 溝槽直徑過大。,Bonding用瓷嘴 直接影響打線的瓷嘴尺寸規格(),溝槽直徑(=Chamfer Diameter) 銲墊開口部金球尺寸溝槽直徑 直徑若過大,則打線強度會有變弱的傾向,Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,25,Bonding用瓷嘴 直接影響打線的瓷嘴尺寸規格()
18、,溝槽俯角 以傾向來說,以所定的 俯角:小金球尺寸:小 俯角:大金球尺寸:大,Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,26,Bonding用瓷嘴 被Bond Pitch限制之瓷嘴尺寸規格,尺寸、圓椎角 由既定的Bond Pitch、Loop高度所決定,Min B.P.P.=Tip/2+Tan(CA/2)(L.H.-B.T.)+W.D/2+A B.P.P : Bond Pad Pitch (打線銲墊距離) L.H. : Loop Height (線弧高度) B.T. : Bond Thickness (球壓著厚) W.D. : Wire Diameter (線徑) A : B
19、onder Accuracy + Operator Accuracy (打線機精準度操作精準度),Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,27,Bonding用瓷嘴 Fine Pad Pitch用瓷嘴 線徑與孔徑之關係,能使相對於線徑的孔徑變小,其重要因素為,瓷嘴的材質變更、加工技術的進歩。,為了使孔徑與線径的比率低於.,Initial Ball直徑也就小於線徑的.倍,造成脫線,因而便得沒有意義。,再加上,的線徑比必須在Initial Ball原始金球直徑的.以上,金球形狀的變更,磁嘴内部形狀的變更,Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,28,【對應F
20、ine Pitch的瓷嘴特性比較】,Bonding用瓷嘴 瓷嘴材質變更,大部分瓷嘴廠商為改良瓷嘴特性,將3(氧化鋯)添加在原来的23(Ceramic陶)中。3的添加量依製造廠商而不同。公司因3(氧化鋯)添加量較多,故Vickers硬度較低。參考欄中,使用多結晶紅寶石(232)的瓷嘴,顯示出物理定數給您參考。,Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,29,Bonding用瓷嘴 磁嘴廠商之分布(總公司所在地),Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,30,Ball Bonding Process 超音波熱壓著之操作 (無線弧控制之情形),超音波 荷重 熱,V
21、er.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,31,Ball Bonding Process 超音波熱壓著之概念 此概念十分重要,磁嘴焊接處,銲墊的乾浄面露出,隨著滑走變形產生轉化,轉化周圍的空孔密度増大,Al/Au原子的擴散定數増大,轉化、空孔密度増大,原子的濃淡差距増大,金球的初期塑性,銲墊材質軟化使塑性變形増大,熱,金球塑性變形之進行,超音波振動印加,荷重,Al原子與Au原子相互擴散而產生接合,Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,32,Ball Bonding Process 球形打線操作與接合過程 (),因衝撃荷重造成金球銲墊的 塑性変形(滑走變形)
22、,滑走變形造成轉化 使得轉化周邊的原子移動(擴散)有助於空孔密度增高的傾向,因滑走變形增大,能使轉化增多,空孔密度變高的話,原子的移動(擴散)也變得容易。,轉化密度高的狀態 可說是提高空孔密度良好之條件,塑性變形(滑走變形)增大 初期變形量的増大 衝撃荷重的増大 (軸慣性増加、搜尋速度増快),滑走變形因發生滑走線(帶),使銲墊表面氧化皮膜(氧化鋁)產生破壊,並出現新生面。,Ver.1,WIRE BONDING PROCESS的基礎,33,Ball Bonding Process 4 球形打線操作與接合過程 (),因超音波振動、荷重、熱造成 金球變形擴散接合,因超音波振動、荷重、熱造成 金球變形
23、擴散接合,進行金球的塑性變形,促進新生面的出現,塑性變形產生, 則轉化增多、 空孔密度變高,原子越容易移動(擴散)。,Arrhenius公式指出 原子的擴散定數與温度息息相關,可能是因為最近的低溫傾向,使得人們對要靠溫度來增加擴散定數的期望降低,為使超音波能量能充分印加上去,必須預留金球的變形量,Hooke彈性定律指出 原子的濃淡差異越大,則 原子的擴散數量愈多,要讓原子的濃淡差異變大,則需要足夠的超音波,金球的 初期變形量減低,被印加的超音波能量大多都在金球變形後消耗殆盡,剩餘的能量可有助於擴散接合之需要,使傳達往接合面附近之超音波振動効率良好高周波化,Ver.1,WIRE BONDING
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