50μm UFP超声球焊工艺评测

• 试验条件
  

• 50μm焊盘间距超声丝焊试验结果
  

• 成型及可靠性分析
  

• 结论
  

作者:Souad Arsalane博士

超声丝焊机开发部细间距项目经理

ESEC公司

目前芯片上引线触点间距越来越小,随之也产生了很多新的技术难题,包括:

1. 对影响工艺过程的所有参数进行判断归纳；

2. 对这些参数进行优化。

由于超细间距(UFP)超声丝焊将各参数都推向其物理极限值,所以只有将这些参数适当地组合起来才能得到一种可行的方案,此外还需要有更进一步的优化过程以寻求最合适的细管、线材、基板、焊接参数以及成型工艺等。

我们在几个客户那里使用ESEC 3008丝焊机进行50μm UFP超声丝焊,采用由材料供应商提供的几种不同线材和细管,试验封装类型为220℃下的PQFP和175℃下的PBGA。下面是记录到的结果:

?剪切力100～120mN/mm²

?球细管直径36～37μm

?拉力3.5～5cN(取决于所选线材的抗张强度)

?成品率97.5%～98.5%(根据产品和工艺的优化情况在焊接完成之后得到的结果)

?电性测试焊点合格率97.4%

成型工艺结果表明,通过选择合适的树脂并对成型曲线进行优化可以使翘曲减少到4%～5%。考虑到要作短路检测,可以先选择两种线材。

对于50um UFP超声丝焊来说,需要对所有影响工艺过程的环境因素进行控制,主要通过下面两个步骤完成:

?第一步 根据超声丝焊设备、细管设计形式、线材、芯片和基板等分析工艺的可行性。

对上面这些影响工艺的各参数进行判断甄别,并定出其极限条件,然后交给设备和材料供应商。这些参数合在一起决定了下一步该如何优化。

?第二步 根据成型性和可靠性对工艺进行评定,这里每个相关参数的限制条件都由第一步确定。

与传统的100μm焊盘间距超声球焊相比,为了选择到一个最佳的细管、线材、基板、焊接及成型工艺,需要作多次优化,因此要重复进行上面两个步骤。

完全合格的应用方案应该满足以下条件:

?能可靠地进行由前面两个步骤所确定的第一点和第二点焊接

?焊点位置准确(100%位于焊盘内)

?线材直线度得到加强,符合前面两个步骤的要求(线的摆动和弯曲)

?工艺过程便捷,完全自动化

本文先介绍第一个步骤,对使用不同焊接材料得到的超声丝焊结果作一小结,然后再介绍第二个步骤并简要总结50μm细间距焊接的成型工艺。

试验条件

我们的超声丝焊试验是在配有细间距选件的ESEC 3008超声丝焊机上进行的,客户的测试芯片采用铝1%硅0.5%镀铜金属焊盘,另外还使用PQFP和PBGA基板和两种细管以及不同生产商提供的四种焊线。

50μm焊盘间距超声丝焊试验结果

要想使50μm UFP超声压焊牢固可靠,那么作为质量(产量)的决定因素,包括规定的几何尺寸(焊盘间距和大小)、机器性能以及工具公差等等之间的关系必须先确定下来。试验第一步,首先用理论仿真和试运行验证50μm超细间距超声丝焊工艺的可行性,并用成熟的分析方法和工具,对设备和焊接材料的关键参数进行判别分析；然后再和用户及材料供应商一起做实验并进行测试,以增进包括工艺轻便性在内的超声丝焊性能。第二步进行工艺优化。

图1到图3是在电子显微镜下观察到的50μm UFP焊点情况。

成型及可靠性分析

第二步我们研究工艺的可靠性和成型特性。

采用不同类型产品,焊接完成后的成品率也不同,分别在97.5%到98.5%之间,该数值与超声丝焊机有关。从设备方面看,大家都知道机器存在着一个极限并且制造商们一直在努力提高超声丝焊机的性能。从材料上看,第一,细管也存在一些问题目前还在进行新产品开发；第二,已研制出新的合金线材；第三,芯片设计规则经过重新考虑,已开始实施新的芯片设计方式,根据芯片封装类型,拐角处的焊盘间距最少应有60μm。

所以说还可以继续提高超声丝焊的成品率。使用新开发的合金线材可改进线材的直线度,因此还用到导电测试来检验第一点和第二点的焊接情况。电性测试证明,有97.4%的焊点都是合格的。欲了解详细情况可见参考文献2。

关于成型技术我们采用的是移动成型工艺。为了实现无缺陷封装成型,要对一些参数进行优化以便在黏度最合适的时候完成树脂移动。我们重点研究“移动曲线”参数,该参数描述移动的位置和速度,因此可用“位置”和“移动速度”工艺参数作为变量,对成型移动工艺曲线进行优化。我们一共试验了3种类型树脂。

成型工艺优化分3步完成:

1.用参考焊线选择最佳树脂

2.由所选树脂优化成型曲线并确定最佳曲线

3.根据第二步选出的最佳曲线,对用不同线材焊接的样品进行成型,再根据线的弯曲和短路情况选择线材

使用经优化的成型曲线后,翘曲可以达到4%到5%,采用精细过滤复合材料还能减少翘曲。从中可再选出3种线材进行下一步优化。

结论

完全生产环境下的超声丝焊研究表明,50μm超细间距大规模生产具有很大潜力。

但对整个工艺方案而言,仍需继续用增强型超声丝焊平台和特殊材料细管以及改进的成型工艺作进一步研究。由于关键参数的限定条件已经确定,因此目前正在开展一些新的开发项目,例如成型复合物和新型环状迹线(looping trajectory),以及新的二次焊接处理和细管及芯片的新设计方案等等。

为了加快对50μm超细间距工艺的评定,目前设备供应商ESEC、材料供应商和最终用户正在进行密切的合作,根据几家客户对超细间距工艺的要求,必须要在今年年底前完成对50μm UFP工艺的审评。

由于整个合作项目已取得了很大进展,而且在实验室里已能做到40μm UFP,因此我们确信UFP项目最终可以按计划完成。

参考文献:

1. S. Arsalane and V. P. Jaecklin,"The Fine-Pitch Roadmap - Challenges from 80 to 50-μm Pad Pitch," Proceedings of Semicon/Packaging Seminar, Taipei, November 5, 1998, p. 107.
   
   

2. S. Arsalane, "Preparing 50-μm Ultra Fine-Pitch for a Full Manufacturing Environ-ment," submitted to SEMICON West '99.
   
   

3. G.K. Soon, W. Bautista and J. Castaneda,"The 50-μm Bond Pad Pitch AZ Capillary," Proceedings of Semicon/Packaging Seminar, Taipei, November 5, 1998, p. 123.
   
   

4. L.C. Min and S. Shirakawa,"Au-Al Bond Reliability of Au Alloy Wire in Ball Bonding," Proceedings of Semicon Technical Symposium, Singapore, May 4-7, 1998, p. 345.