半导体wb基础解析.ppt

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1、目目录录Wire Bonding種類種類Ball Bonding実現手段実現手段Bonding用用 WireBonding用用 CapillaryBall Bonding Process的的概要概要超超声声波波FAB（Free Air Ball）形成形成Wire Pull TestWire Bonding稳稳定化定化Wire Bonding 的的基礎基礎1Wire Bonding種類種類Ball Bonder半導体Chip上的接続電極和Package外部提取用端子間用Bonding Wire来连接要连接的金属之间进行加熱，通过受熱或者超声波振動或者受两方的影响结合。这种方式是为降低Bondin

2、g温度为目的所開発的。为补充为补充因因温度温度降低降低导导致致 熱熱Energy減減少少的部分而附加的部分而附加超超声声波波EnergyBonding温度：前後Bonding温度：前後低温化熱压缩方式Wedge Bonding、WireBall Bonding、WireWire Bonding超超声声波熱圧波熱圧缩缩并并用方式用方式2影响影响Ball Bonding的的要因要因Die BondingDie BonderLead Frame基板基板接着剤接着剤半導体半導体 ChipCureBall BondingWireCapillaryBonding技術技術（Process技術）技術）Ball

3、 Bonder（装置技術）装置技術）3主主要特征有要特征有等、具有良好的化学性、機械性的性質BondingBonding用用 WireWire WireWire主主要特征要特征u在大気中或在水中化学性稳定及非氧化的性質。u金属中、展延性较好、可加工Bonding用Wire使用的直径为程度的極細線。u吸収Gas极其少u具有对熱压缩Bonding最适合的硬度u具有耐樹脂Mold的Stress的機械性強度u具有銀、銅其次的高電気传导性电阻率（）的比較Ag（）Cu（）Au（）Al（）WireWire的的特性特性高純度（：）生金上添加特定的不純物、再经过加工行程調質処理（熱処理：Anneal）、作成具备

4、各种特性的Wire。4高温破断強度与自然Loop高度自然Loop高度（m）高温破断強度（N）線径：25mBonder：CUB-10（Reverse無）高温条件：250X20sec：高Loop：中Loop：低Loop：超低Loop根据Mitsubishi Materials的資料転載 熱影響領域大、Loop高度高。使用在需要高Loop的Tr或Sensor上。还使用在用大線形流大電流的Power Tr上。用在Loop長4mm的Memory等用在少Pin Package上。用在Loop長7mm的Logic等用在多 Pin QFP Package上。高強度Type的N Wire、用在最新狭 Pich

5、Pakage(QFP,BGA,CSP)用途上。可利用高強度、原有的 Wire同等強度得到細線径、可实现Cost Down。热影响领域小、可形成Loop高度低的 Loop可使用在TSOP等薄型 Package或S-MCP。具有高強度和高信頼性、是第2世代使用的2N純度金合金 Wire。尤其是要求60m Pich以下狭 Pich Bonding的用户、为保证充分的信頼性、推荐使用合金 Wire的熱影響領域（再結晶領域）5对 Wire的要求、除純度以外等機能的要求寸法的精度要高（用0.1um制御可能）u表面要圆滑、金属要有光泽u表面不能有灰尘、污染u具有拉伸强度、要有一定的弹性uCurl（卷曲性）要

6、小u Wire前端形成的 Ball的形状要有一定的真圆性 对对 Wire的的要求要求6WD:Wire Diameter(Wire径)H:Hole Diameter(Hole径)CD:Diameter(Chamfer径)CA:Chamfer Angle(Chamfer角)OR:Outer RadiusFA:Face Angle(Face角)T:Tip(前端径)BondingBonding用用 CapillaryCapillaryCapillaryCapillary的的基本基本FAHCDTCAWDORCapillary（Bonding Tool）按下記寸法,被設計製作的各寸法会压到Pad的 Bal

7、l Size及压到Lead的 Stitch Size,所以需要十分谨慎。7HWD对对BallBondBallBond直接影響直接影響的的CapillaryCapillary寸法仕様（）寸法仕様（）HoleHole径（）径（）Hole径是由规定的Wire径（）来決定標準是Wire径的倍WD:Wire Diameter(Wire径)H:Hole Diameter(Hole径)Fine Pad Pitch用上,为Control成小的Ball Size、Wire径最好是小Hole径,Wire径的大部分是倍以下8与所要求的Ball圧缩径相比、Chamfer径过于大对对BallBondBallBond直接

8、影響直接影響的的CapillaryCapillary寸法仕様（）寸法仕様（）ChamferChamfer径（）径（）Pad開口部BallSizeChamfer径Chamfer径过于大的话、Bonding強度有弱的傾向CDCD9CDCA:70(Degree)MBDSmaller CD Smaller MBDCDCA:120(Degree)MBDBigger CD Bigger MBDFAB Centering接合時的左右荷重超音波振動伝達对对BallBondBallBond直接影響直接影響的的CapillaryCapillary寸法仕様（）寸法仕様（）ChamferChamfer角角作为傾向性所

9、定的Chamfer角：小BallSize：小Chamfer角：大BallSize：大10根据根据BondPitchBondPitch所限制的所限制的CapillaryCapillary的的寸法仕様（参考）寸法仕様（参考）B.P.PLHB.TTipCAW.D.寸法、寸法、Corn角角所定的Bond Pitch、是由Loop高度決定Min B.P.P.=Tip/2+Tan(CA/2)(L.H.-B.T.)+W.D/2+AB.P.P:Bond Pad Pitch（Bond Pad Pitch）L.H.:Loop Height（Loop高度）B.T.:Bond Thickness（Ball圧缩厚度）W

10、.D.:Wire Diameter（Wire径）A:Bonder Accuracy+Operator Accuracy（Bond精度Teaching精度）11 的的現状現状1stBallLift対策Ball厚度 SPEC：175m実測：約30mBall径 SPEC：11020m実測：約90m如左図所示、Ball形状 Spec：Ball厚度=175m、Ball径=11020m現状Chamfer角强压US Power在Spec外。还有、Ball径的宽度也小，与Pad的接触面積也小。将Chamfer角90120变更可使Ball形状变大随之Ball的宽度变宽、与Pad接合面積也能变宽。12Chamfe

11、r角Chamfer角90（現状品）Chamfer角120（変更品）USPower条件30803080Ball厚度（m）AVG29261411MIN26231310MAX33301512Ball径（m）AVG8997111111MIN8392105104MAX98105117117Chamfer角与Ball形状（依据KKC評価結果）CA（Chamfer Angle）从90120変更来确保宽度，可使接触面積增大。Chamfer Angle：90Chamfer Angle：120132ndNeckOpen対策2nd Neck部 Crack発生荷重过度附加接触面导致破损Hill Crack発生对Hil

12、l Crack、Capillary的OR（Outer Radius）及FA（Face Angle）形状是重要Point。14FA（Face Angle）変更08変更来抑制与接触面過度强加荷重。OR（Outer Radius）：0.0035inch 同一用FA変更的Wire Pull強度面确认不到有意差，但如下記图片，2nd Neck部的状態比较稳定。FA=0、MIN条件FA=0、MAX条件FA=8、MIN条件FA=8、MAX条件FA=0、TYP条件FA=8、TYP条件15BallBallBondingBonding的的ProcessProcess概要概要超超声声波熱圧波熱圧缩缩的的Proces

13、sProcess概要概要（没有没有LoopControlLoopControl的情况的情况）Lead半導体ChipSearch動作動作Search動作動作 SearchSearch動作動作从Capillary前端突出的Wire前端形成Ball状態、Capillary对着Bond位置（Pad表面）的速度会下降（）。超声波荷重熱Bonding BondingBondBondCapillaryCapillaryTouch到Pad表面后、随着静荷重、超声波振動的温度、Ball压着到Pad表面。16Wire陆续挤出吸入WireLoopingloopingLoopingLoopingBond完了後、Cap

14、illary向Bond点移動的過程中、Capillary上升左右、会陆续挤出形成Loop必要長度以上的Wire。LoopingLooping之后Capillary从最高点落到Bond点的過程、Wire被吸到Capillary、過剰Wire到达Bond点。17滑走路的形成随放形成BallFeedupBondingFABFAB形成形成2nd BondingFAB（Ball）形成形成BondBond到达Bond点後、根据静荷重、超声波振動的温度Wire压接Lead表面。FeedUpFeedUp Bond完了後、形成Bonding必要的Ball,但为了形成必要的、所定的Wire挤出、上升到Spark为

15、止。BallBall形成形成Capillary上升到Spark高度後、通过放電,Wire前端形成Ball18超超声声波熱圧波熱圧接接概念概念重要重要概念概念Work TouchPad表面清浄面露出伴随滑动変形転位発生転位周辺空孔密度増大Al/Au原子拡散定数的増大転位、空孔密度的増大原子濃度勾配的増大Ball的初期塑性由于Pad材質軟化塑性変形増大熱Ball塑性変形進行超超声声波振動印加波振動印加荷重荷重根据根据AlAl原子原子与与AuAu原子原子的的相互拡散相互拡散而而接合接合19BondingProcessBondingProcess与与接合過程（）接合過程（）根据衝撃荷重BallPad的

16、塑性塑性塑性塑性変形（滑変形（滑変形（滑変形（滑动动动动変形）変形）変形）変形）由于滑动変形,発生発生転位転位転位周辺有予原子移動（拡散）的空孔密度空孔密度高的傾向由于滑由于滑动动変形変形变变大大,使使転位増殖、空孔密度高的话、原子容易移動（拡散）高高転位密度状態転位密度状態空孔密度高状態空孔密度高状態可以可以说说是是良好良好的的条件条件塑性変形（滑动変形）变大初期変形量増大初期変形量増大衝撃荷重増大衝撃荷重増大（軸inasha増加、Search Speed増加）滑动変形因滑动線（帯）的発生、致Pad表面氧化皮膜（Alumina）的破壊和新生面的露出204 4 BondingProcessBo

17、ndingProcess与与接合過程（）接合過程（）受超声波振動、荷重、熱影响引起引起BallBall変形変形変形変形拡散接合受超音波振動、荷重、熱影响引起Ball変形拡散接合拡散接合拡散接合拡散接合Ball的塑性変形塑性変形促促进进新生面露出新生面露出塑性変形的话、転位増殖、空孔密度高空孔密度高，原子容易移動（拡散）从Arenius式看原子拡散定数原子拡散定数对对温度依存性強温度依存性強同時並行的同時並行的進行進行最近低温化傾向或温度拡散定数増加制御期待薄要印加充分的超声波Energy、需要Ball変形量Margin从Hooke法則来看原子原子的的濃度濃度差越大差越大拡散拡散的的原子数原子数

18、越越多多要原子濃度差变大，需要充分的充分的超超声声波波Ball的初期変形量低減初期変形量低減初期変形量低減初期変形量低減被印加的超声波Energy大部分耗费在Ball変形上，只有剩余的Energy拡散接合向接合面近傍较好的伝達超音波振動効率高高高高频频频频化化化化21o o:共振周波数,:Horn内音速,:波長 例）o:100kHz,v:4,920m/sec,:49.2mm 超超声声波波HornHorn将振動子的出力振動振幅机械性的増幅代表性的材質：StainlessSteel，Titan合金，Aluminum合金形状：ExponentialType，LinearType其他振動子振動子将圧電

19、素子用金属板Sandwich圧電素子的一般的材質：（Titan酸Zircon酸鉛）金属部分的一般的材質：Stainless Steel，Titan合金，Aluminum合金超超声声波波的的概要概要超超声声波（）波（）Transducer的構造与特性（振動子及Horn的振動分布）振幅:B=A(1/2)振幅比（拡大比）1/21/2/2振幅:A/2Node0(-)(+)AA2超声波HornBLT振動子圧電素子22超超声声波（）波（）SystemBlockCapillary振動分布*重要：超重要：超声声波振動波振動的的安定化安定化TorqueWrenchTorqueWrench装配Capillary时

20、拧紧Screw,管理TorqueTool冶具冶具管理安装Capillary的長度超声波発振器TransducerCapillaryTransducer-0+超声波振動Capillary劣端部的振幅最大Capillary23Ball通常称为（Initial Ball）、（Free Air Ball）、初期BallFABFAB（FreeAirBallFreeAirBall）形成形成 FABFAB形成（形成（1 1）BallBall形成手段形成手段的种的种类类与与变变迁迁(+)(-)正極性式負極性式大概負極性较有Initial Ball形成能力大概電気Torch较有安全性、経済性Ball形成手段水素

21、Torch電位Torch正極性式負極性式可動式固定式大概固定式较有高速対応性或Maintanance性24正極性正極性与与負極性負極性根据放電電極取方法的放電形体不同正極性正極性的情况的情况放電電極是正極时的特征是Arc移动到 Wire上方。从物理角度来看、放出熱電子时容易往稳定的,即函数小的表面领域、扩散到负极、Arc会移动到 Wire上方 電流電子从 Wire放出、移动到放電電極产生电流、但丛 Wire放出的電子时、因为容易放出电子（函数小）、Arc扩散到 Wire上方。負極性負極性的情况的情况負極时Arc不会移动到Wire。从物理角度来看、電子会集中最短距離的 Wire前端、形成陽極、确

22、保安定的溶融Mode。電子从負极放電電極放出、移动到 Wire产生電流，从放電電極产生的电子集中到更近的地方 Wire前端、形成稳定的Ball。还有、带負極性时、放電電極表面产生Arc的特征。因为从放電電极放出的电子容易扩散到比较稳定的，即函数小的陰極領域。(+)正極性式(-)負極性式25WirePullTestWirePullTestWirePullTestWirePullTest的的目的目的Wire Pull Test的目的 BondingBonding側側的的評価評価Ball Bonding的強度Ball Neck部的強度再結晶領域的強度Reverse動作的影響 BondingBondi

23、ng側側的的評価評価Stitch Bonding的強度Hill部的強度26Pull Strength 可根据 Pull Position确认出是否变大。下图表示的是根据Pull Position怎样变化的事例。Pull Position Top 時的Pull Strength比Center 時的大1mm2.2mm3mmWire長Pull 強度(gf)Pull Position:Top:CenterWire Dia.:25uBonding Temp.:180Deg.Loop Height:180umPullPositionPullPosition影響（）影響（）2712F FF2F1F F1 1

24、=SinSin1 1+coscos 1 1 tantan2 2F F F F2 2=SinSin2 2+coscos 2 2 tantan1 1F F Pull Position在Top付近时得到的Pull Strength:、与1无关，因为接近与90deg.FF1、作为Breaking Mode C（在Wire部）Pull Position接近Center时F1=F2 可得到角度12。在Pull Position上进行Pull Test时、Break的位置是Ball Neck部或者Stitch Bond部的弱的部位Pull Strength:、假设1st Bond側的力:F1、側的力:F2时

25、、就可以容易理解PullPositionPullPosition的的影響（）影響（）28一般的Pull Position有、LoopTop、Wire Span Lead前端附近等3个。在Top附近的Pull Test是、评价Ball Neck部的Wire強度时采用。在Lead前端附近的Pull Test是评价在2nd Bond的Stitch Bond部的Strength时采用。这是因为根据前式、F2=、Pull Position在Lead前端附近时、得到的Pull Strength:F是与2无关因为接近90deg Stitch Bond部強度F2、Breaking Mode得到D（Stitch

26、 Bond部Break）或者E（Stitch部剥）。为得到精度更高的Pull Strength、在Wire Span 有必要进行Pull Test。这时的Pull Position、有必要考虑进去Wire長、1st Bond和2nd Bond間的段差。PullPullPositinoPositino的的影響（）影響（）29WireBondingWireBonding的的安定化安定化材料（材料（ChipChip電極、電極、LeadLead表面状態）表面状態）Chip電極、Lead表面不能污染。不能長期間外露在外気（工程在庫的削減）。N2 Gas中保管 将D/Bonding Ag Paste Cu

27、re Oven保持清潔（因Gas汚染）要穿戴作業者的Mask、Finger Court（防止人為的汚染）2 2 AuWireAuWire、CapillaryCapillary适用DEVICE的 Au Wire及Capillary的最优化Loop Hight有Au Wire特性决定。低Loop必要的DEVICE适用低 Loop Wire。Capillary前端形状最优化 Chamfer角、Chamfer径、1st Ball Size受直接影響。Face Angle、Outer Radius 对2nd Hill Crack有影響。Capillary Life的最优化管理Capillary的装置Torque及長度。（超声波振幅的稳定）30WireBonderWireBonderBonding条件的最適化根据US Power、Time、荷重、Stage温度的Matrix評価 要因分析的傾向把握Clamp的适当化适合各Lead Frame，適用Clamp的Lead固定稳定化 Lead固定上发生分散时、由于超声波的传达性弱，影响到Bonding強度或Ball Size。Maintenance要根据Bonding荷重的実測、Stage温度実測、Wire Clamp清掃、Wire通路清掃等各Bonder安装説明書进行Maintenance、平常将設備保持Best状態消耗部品定期要更换31