引线键合铜球加热装置及实验研究

摘要

目前所应用的电子封装技术，超过90％的集成电路的封装是采用引线键合技术，而现在引线键合主要采用的是纯金线，生产成本高。随着电子封装技术的发展，封装引脚数越来越多，引线间距越来越小，封装体在基板上所占的面积也会更小。很多的学者研究发现，金线越来越不适合多引脚的集成电路封装。近年来，铜丝引线键合技术在近些年才开始用于集成电路的封装，目前很多国内外的学校、科研机构、企业从事这方面的研究，铜线有良好的导电导热性，机械特性好，低介电常数等优良性能，非常符合现在多引脚的芯片键合的发展趋势。
　　 目前铜线键合的存在两个主要问题:一是铜的化学稳定性差，表面容易被氧化，形成氧化膜，引起焊接处的强度低，少量会出现虚焊的现象;二是铜的硬度高，焊接时更的高压力和超声功率，这样就会造成衬底铝层的溅积、芯片的局部破裂和弹坑失效的现象。针对铜线易氧化的问题，一般利用隋性保护气体，现在常用是95％N2/5％H2混合气体，这种混合气体可以有效的保护铜线少氧化或不氧化。而对于硬度高的问题，国内外的研究者发现了一些新的工艺和方法，比如退火再结晶处理、二次烧球、较大的烧球电流和较短的时间，可使铜球的硬度有所降低的方法。
　　 本文主要针对铜线的硬度的问题展开相关的研究，提出用电流加热方法来软化铜球，以降低铜球在键合过程中的硬度，避免芯片破裂和弹坑失效的现象。采用的主要方法是在原来金丝球焊机的基础上做设计改进，并设计一个相应的金属劈刀，通过金丝球焊机和电阻焊电源的协调工作，在触发超声振动的同时电阻焊电源放电，通过劈刀尖端与铜球的接触电阻放电加热铜球。
　　 利用ABAQUS有限元进行仿真，主要考虑有压力、超声功率对键合过程的影响。利用有限元进行仿真的结果来指导实验，优化实验参数，减少实验的数量。
　　 在实验研究中，主要参数有压力和超声功率，通过单因素实验对比金丝和铜丝的键合性能。

目录

摘要

CONTENTS

第一章 绪论

1．1 本课题研究背景

1．2 铜丝引线键合的研究现状

1．2．1 铜线键合技术

1．2．2 键合铜线的特性

1．2．3 铜线键合技术还存在的问题

1．2．4 铜线键合的新的工艺方法和进展

1．2．5 键合铜丝材料的研究进展

1．2．6 铜丝烧球工艺

1．3 铜丝的键合机理

1．3．1 超声热效应

1．3．2 塑性变形

1．3．3 微滑移磨损

1．4 本课题研究的目的和意义

1．5 本课题主要研究内容

第二章 铜丝球键合过程的数值模拟

2．1 键合铜丝的材料性能

2．2 铜丝球键合过程的数值模拟

2．2．1 非线性大变形、接触分析

2．2．2 几何模型的建立、有限元网格的划分

2．2．3 铜丝球键合过程的有限元模拟

2．3 本章小结

第三章 铜、金丝球键合对比实验研究

3．1 实验设备的介绍

3．1．1 金丝球焊机

3．1．2 气体流量计

3．1．3 氮气柜

3．1．4 劈刀

3．2 实验材料

3．2．1 铜丝、金丝

3．2．2 芯片

3．2．2 引线框架

3．2．4 氮氢混合气体

3．3 检测仪器

3．3．1 微机控制电子万能试验拉力机

3．3．2 超景深三维显微系统

3．4 超声功率对键合质量的影响

3．4．1 烧球参数的选取

3．4．2 超声功率对铜丝和金丝键合质量的影响

3．5 键合压力对键合质量的影响

3．5．1 键合压力对铜丝和金丝键合质量的影响

3．6 铜丝球键合的正交优化实验

3．6．1 正交实验设计

3．6．2 实验结果与分析

3．7 结论

3．8 本章小结

第四章 铜丝球加热装置和劈刀的设计及制作

4．1 加热装置设计的总体要求

4．1．1 现有加热方法介绍

4．1．2 加热装置的总体要求

4．1．3 可行性分析

4．2 加热方案的选择

4．2．1 电流加热的原理

4．2．2 加热方案的初步设计

4．3 新式劈刀的设计

4．3．1 劈刀材料的选择

4．3．2 劈刀外形尺寸的设计

4．4 试验与分析

4．5 新式劈刀的改进设计

4．6 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表论文

声明

致谢