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键合金丝表面亮点分析

日期:2013年7月4日 10:13

刘希云1 马晓霞2 曲鲁滨2 朱永强1 祁爱英2 王文娟2

(1.烟台招金励福贵金属股份有限公司;2.烟台职业学院)

摘要:针对频繁断丝的键合金丝,在体视显微镜下观察发现金丝表面存在数量较多的亮点,在金相显微镜下观察发现亮点位置为“凹坑”。利用扫描电子显微镜对“凹坑”进行观察时,发现“凹坑”位置存在有机物残留。这些有机物质造成了金丝“凹坑”位置不同程度的反光,同时,有机物的残留增加了键合金丝发生粘丝的几率,导致在键合过程中金丝受外力拉扯时断丝现象的发生。

关键字:键合金丝;粘丝;表面残留;分析     

中图分类号:TG 115.21+3 文献标志码:A 文章编号:1001-1277(2012)增刊1-0036-03

0 引 言

键合丝是半导体器件和集成电路组装时为使芯片内电路的输入/输出连接点(键合点)与引线框架的内接触点之间实现电气连接的细微金属丝内引线。这种内引线具有较高的电导率,与导体材料的结合力强,化学性能稳定,可塑性好等特点。键合丝在品种上有金丝,铝硅丝,纯铝丝,铜丝和合金丝等[1],其中金丝因其性能优异而被广泛用于IC内引线,而铝硅丝和纯铝丝由于在性能上的差异,以及后期氧化问题的存在,目前仍用在较低端的产品上。随着目前金价的不断攀升,许多半导体封装企业开始寻求低成本键合丝,如金合金丝[2],铜丝,镀金/钯铜丝等[3-6]。这样虽然可以降低成本,但是铜丝键合存在的硬度较高,氧化问题,成品率较低等问题仍无法彻底解决,目前还处于不成熟的阶段[7, 8]。因此,目前许多高端的IC内引线仍然还是采用键合金丝或者合金金丝。键合金丝/合金金丝不论从生产制造还是封装技术方面已相当成熟,影响封装效率的主要问题是在快速键合中的断丝问题[9]。关于断丝问题,主要有三方面的原因,一为键合金丝型号选择错误,本身性能达不到产品的要求,其二为键合机参数设置不合理,其三为键合金丝本身问题,存在夹杂,污染等异物[10],堵塞劈刀或烧球不良最终导致断丝或飞丝。作为键合金丝生产企业,更关注于后者问题,本文主要对由于键合金丝表面亮点(凹坑)问题导致的断丝问题进行进一步的分析和研究。

1 材料与方法

所用键合金丝的名义成分为4N,高频真空连铸炉熔炼后经拉丝机拉细到直径为20mm的产品。将客户退回的该产品开封后整轴在Motic K-700L体式显微镜下进行表面观察,从线轴上取其中几段在Zeiss Scope 1 金相显微镜下进一步放大观察,将有问题的部分,在带有俄歇电子能谱仪的Zeiss EVO-18扫描电镜下进行表面观察和成分分析。线轴上剩余的部分进行放线测试。

2 结果与讨论

采用体视显微镜观察整轴金丝的表面形貌像,如图1所示,发现键合金丝表面存在密集分布的亮点。取其中几段放在金相显微镜下观察,发现键合金丝表面存在很多不连续的“凹坑”,如图2所示。将该段在高倍扫描电镜下进一步放大观察。结果表明,“凹坑”位置有其它物质存在,如图3(a)所示。采用俄歇电子能谱仪对这些物质进行成分分析,发现该物质主要含有C、O等,如图3(b)所示。结合键合金丝的制造过程可以判定此物质为有机物残留。这表明,在普通体式显微镜下观察时发现的密集分布的亮点,实际为有机物质反光所致。

图1 体视显微镜下整轴键合金丝表面形貌像    图2 金相显微镜下键合金丝表面形貌暗场像

键合金丝的表面在制造过程中受到轻微的损伤(这种轻微损伤的程度要低于划伤,且只有这些轻微损伤连在一起时,才称之为划伤),即如图2所示不连续的“凹坑”。这些“凹坑”的形成为键合金丝制备过程中的润滑液以及退火时的滴定液提供了残留位置。而当这些有机物质达到一定数量以及在一定时间、温度、湿度条件作用后则会变成键合金丝键合过程中的阻碍因素,导致粘线的发生,并造成断线。同时,线轴上剩余部分金丝进行放线测试时,发现粘线,停顿点已远远超出1个/100米,且越接近线轴的部分,停顿越多。

a)扫描电镜下键合金丝表面形貌像         b) 扫描电镜形貌像中A点对应区域能谱

图3 高倍扫描电镜和俄歇电子能谱仪分析

虽然键合金丝本身的制备方法决定了这些轻微损伤是难以避免的,但是可以从生产细节方面尽量减少。在键合金丝制备过程中,模具和导向轮与金丝直接接触,也最容易造成金丝的损伤。然而,如果模具发生问题,造成的损伤通常是比较大的划伤,因此可以确定,这些轻微的损伤大多是在后序退火、绕线过程中受导向轮的破坏造成的损伤。

其造成损伤的原因为:

1)导向轮由于轴承问题,在放线或收线过程中不转动,导致键合金丝在某点/线位置摩擦,造成轻微损伤。

2)导向轮在使用过程中有异物夹杂,多是金屑残留,导致键合金丝部分损伤。

3)国产导向轮的材质及制作工艺问题:材质问题通常表现在耐磨性差,使用几次后基本不能再回收使用,进口导向轮的成本稍贵于国产的成本,但使用后绝大部分还可再进行清洗,回收再用;以及在使用过程中发现贴轮边行进等问题均是由于导向轮制作工艺过于粗糙所致。

为了减少生产过程中导向轮对键合金丝的损伤,提出以下改进措施:

1)导向轮的材质要选择稍硬一些的POM材质,加工工艺要严格、精确;

2)导向轮的更换要及时。模具更换虽然成本较大,但由于其对键合金丝表面起关键作用,所以有损坏时必须及时更换。而导向轮的作用往往被忽视,虽然键合金丝表面不会造成较大的损伤,但是轻微损伤之和的作用也不亚于较大损伤。

3)导向轮清洗时应在显微镜下进行,要采用较软无尘的洁净布,避免对导向轮造成新的损伤。

3 结论

键合金丝表面产生的亮点是由于其表面被轻微损伤,拉丝润滑液以及退火滴定液的残留不同程度的反光所致。而键合金丝表面的轻微损伤是由于导向轮的质量问题所致。

致谢:本研究得到了山东省高等学校科技计划项目J09LD59的资助,同时感谢太原理工大学梁伟教授以及山东航天电子技术研究所孙磊主任的支持与帮助。

[参考文献] 

[1]中国电子材料行业协会经济技术管理部.半导体封装用键合丝行业调研报告[R]. 北京:中国电子材料行业协会经济技术管理部,2008.

[2]朱建国. 键合金丝的合金化研究动向[J]. 贵金属, 2002, 23(3), 57-61.

[3]吴泽伟, 杨燮斌. 半导体封装中铜引线球焊工艺技术[J]. 电子元器件应用,2007,9(6): 71-72.

[4]丁雨田, 曹军, 胡勇,等. 单晶Cu键合丝制备过程中的影响因素研究[J]. 铸造技术2007,28(12), 1648-1651.

[5]袁毅. 一种通过镀金键合铜丝连接的半导体发光二极管封装件: 中国, 201120099797[P].2011-10-26.

[6]袁毅. 一种通过镀钯键合铜丝连接的半导体发光二极管封装件: 中国, 201120099949[P].2011-10-26.

[7]杭春进, 王春青, 洪守玉. 铜丝球焊技术研究进展[J]. 材料科学与工艺. 2007,5(5):, 673-677

[8] N. Srikanth, S. Murali, Y. M. Wong, et al. Critical Study of Thermosonic Copper Ball Bonding[J]. Thin Solid Films,2004, 462-463, 339-345.

[9] 朱建国. 键合金丝的最新进展[J]. 新材料产业. 2001(7):33-34.

[10]张昆. 半导体器件集成电路用键合金丝产业化技术的研究[D]. 北京:北京工业大学,2003.

Research on lightspots on surface of gold bonding wire

Liu Xiyun1,Ma Xiaoxia2,Qu Lubin2,Zhu Yongqiang1,Qi Aiying2,Wang Wenjuan1

(1.Yantai Zhaojin Lifu Precious Metals Co.,Ltd.;2.Yantai Professional College)

Abstract: The problem wire, which often broken during bonding, is investigated by the stereomicroscope, showing that many lightspots existing on the surface. Observation by metallurgical microscope indicated that lightspots existed on the sites of the ”indents”. These “indents” are observed by the SEM and the EDS, and some organic residuals were found existing on them, which make the indents reflecting and increase the possibility for bonding wire to stick wires. When bonding, the sticker wire would break with the reception of an external force.

Keywords: gold bonding wire; sticker wire; surface residual; analysis

作者简介:刘希云 (1972-) 男, 汉族,山东招远人,工程师, 长期从事贵金属深加工产品的研究;山东省招远市经济开发区黄金工业园,烟台招金励福贵金属股份有限公司,265400

文章摘自:《黄金》期刊 2012年11月 第344期

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