基于高速攝像的引線鍵合高爾夫球現(xiàn)象形成規(guī)律實驗研究

向 康 韓 雷 王福亮 李軍輝

中南大學(xué)現(xiàn)代復(fù)雜裝備設(shè)計與極端制造教育部重點實驗室，長沙，410083

0 引言

引線鍵合是當(dāng)前最重要的微電子封裝技術(shù)［1］。目前，90%以上的芯片均采用引線鍵合技術(shù)進(jìn)行封裝。引線鍵合就是用非常細(xì)的線把芯片與引線框架(或基板)連接起來［2］。當(dāng)前，芯片功能不斷增強(qiáng)，引線越來越多，而體積卻變得越來越小，焊盤在整個芯片中所占的面積比不斷上升，實現(xiàn)更小間距的鍵合就是要縮小焊盤的間距，即要求更細(xì)的金線、更小的金屬球(FAB)和鍵合球(bonded ball)，這可能造成鍵合質(zhì)量問題，如第一鍵合點處鍵合強(qiáng)度的下降。焊盤間距縮小，金球偏斜，尤其是出現(xiàn)的高爾夫球(golf_ball)現(xiàn)象，可能導(dǎo)致相鄰鍵合球相接處的電路短路。因此金球的大小和形狀不僅僅影響第一焊點的質(zhì)量，而且影響低弧度線環(huán)形成的可行性［3］。為此有必要設(shè)置合適的參數(shù)以形成大小及形狀一致的金球。

文獻(xiàn)［4］研究了FAB形狀與金線直徑和FAB尺寸的關(guān)系;文獻(xiàn)［5］的研究表明，電子打火(electronic flame－off，EFO)的電流和時間是FAB形成的兩個最重要因素;文獻(xiàn)［6］的研究表明，銅線打火時，打火桿與銅線間的復(fù)雜電場可能是形成高爾夫球現(xiàn)象的原因。但是這都是針對球形成后的研究，卻沒有對球形成的整個過程即打火過程的研究。本實驗用高速攝像系統(tǒng)記錄尾絲熔化成球的全過程，有規(guī)律地改變打火參數(shù)，分析不同參數(shù)條件下，球心與尾絲中心線的偏距，分析得到高爾夫球現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。

1 實驗設(shè)備和方法

1.1 實驗設(shè)備

1.1.1 打火設(shè)備

以Kulicke＆soffa公司的8028S型全自動金絲球焊線機(jī)為打火成球設(shè)備。實驗只對一焊打火成球過程進(jìn)行研究，故只設(shè)置打火參數(shù)，其他參數(shù)與打火過程無關(guān)，球參數(shù)如表1所示。

表1 球參數(shù)設(shè)置

實驗選用2mm×4mm的疊成芯片，金絲直徑為25.4μm(1mil)。實驗中，打火桿位于尾絲左側(cè)，其位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 打火桿與劈刀的位置關(guān)系圖

1.1.2 圖像采集設(shè)備

使用Photron公司的FASTCAM SA1.1型的高速攝像系統(tǒng)記錄打火成球的全過程。在該實驗中拍攝速率為20 000幀/s，圖片大小為512pixel×512pixel，整個記錄過程持續(xù)1s。由于打火時間極短，約為1ms，100張圖像就可覆含尾絲熔化成球的全過程，故只保存大約100張。圖1中，尾絲直徑約為27pixel，為了方便計算，以下計算尺寸、偏距以pixel為單位。

1.2 實驗方法

實驗用自動鍵合機(jī)中的打火電壓信號來觸發(fā)高速攝像采集系統(tǒng)。打火電壓約為－0.4V，小于高速攝像采集系統(tǒng)觸發(fā)電平3.7V。為此使用OP37芯片設(shè)計反向放大10倍的電路，將打火電壓信號接到電路中，用輸出電壓信號觸發(fā)高速攝像機(jī)記錄采集打火過程，從而實現(xiàn)了打火與采集圖像的同步，獲得了打火熔化成球過程的圖像資料。OP37芯片的傳輸延遲時間為納米級，對于約為1ms的打火時間可以忽略不計。

選擇150W的鹵素?zé)簦ㄟ^光纖傳輸，對尾絲打背光，拍攝到清晰的尾絲熔化成球過程的序列圖像。

2 實驗分析

2.1 打火成球初步的圖像處理

通過高速攝像系統(tǒng)在不同預(yù)設(shè)電流和預(yù)設(shè)球直徑條件下，采集到尾絲熔化成球的全部過程。圖2所示為預(yù)設(shè)打火電流為30mA，預(yù)設(shè)球直徑為50.8μm(2.0mil)條件下尾絲熔化成球的過程，其中，預(yù)設(shè)球直徑為預(yù)先在自動鍵合機(jī)上設(shè)置的球直徑。對所得到的圖像進(jìn)行濾波處理、二值化后，提取出尾絲和球的邊界點，其效果如圖3a所示，虛線以上的點稱之為外點;虛線以下的點稱之為內(nèi)點，從邊界點中提取出內(nèi)點，而后運用最小二乘法對內(nèi)點進(jìn)行圓擬合，可以精確得到球的半徑和球心坐標(biāo)，如圖3b所示。

圖2 尾絲熔化成球過程圖

同時也對未熔化前的尾絲進(jìn)行圖像處理，得到尾絲中心線與焊球球心位置，由此算得球心與尾絲中心線的偏距，如圖4所示。從圖4可看出，形成的球明顯偏離尾絲中心線，這時認(rèn)為偏差過大，已形成高爾夫球現(xiàn)象，影響引線鍵合質(zhì)量，經(jīng)計算，二者偏距約為3.2pixel，故定義當(dāng)球心與尾絲中心線的距離超過3pixel時，形成高爾夫球現(xiàn)象。

圖3 焊球邊界點及其擬合圓圖

圖4 偏心距圖

2.2 打火電流對球徑的影響

實驗中保持其他打火參數(shù)不變，預(yù)設(shè)打火電流范圍為10～60mA，預(yù)設(shè)球直徑范圍為40.64～71.12μm(1.6 ～2.8mil)。在相同參數(shù)條件下，實驗重復(fù)20次。利用MATLAB處理圖像，得到最終成球的直徑、圓心坐標(biāo)及其與尾絲中心線的偏差。圖5、圖6所示分別為預(yù)設(shè)直徑為50.8μm(2.0mil)和60.96μm(2.4mil)時，不同的預(yù)設(shè)打火電流條件下，最終得到的球直徑真實值。當(dāng)預(yù)設(shè)打火電流較小(10mA)時，球直徑的真實值比預(yù)設(shè)值小;預(yù)設(shè)打火電流在20～60mA間，球徑真實值與預(yù)設(shè)球直徑較為接近，其偏差可以忽略，具體情況如圖5、圖6所示。

圖5 預(yù)設(shè)球直徑為50.8μm時，球的真實直徑

2.3 打火電流對高爾夫球現(xiàn)象形成的影響

圖6 預(yù)設(shè)球直徑為60.96μm時，球的真實直徑

預(yù)設(shè)球直徑為50.8μm，打火電流為10mA情況下球心與尾絲中心的偏差要比20～50mA預(yù)設(shè)打火電流條件下的大一些，但相差不大，約為0.3pixel。20～50mA預(yù)設(shè)打火電流條件下，球心偏差相差無幾。出現(xiàn)這種的原因可能是，10mA預(yù)設(shè)打火電流條件下形成的球直徑真實值與預(yù)設(shè)值相比偏小。在較大電流條件(60mA)下，形成的球心與尾絲偏距較大，達(dá)2.5pixel左右，且偏心標(biāo)準(zhǔn)差也較大，如圖7所示。由此說明在大打火電流條件下形成的球不平穩(wěn)，易形成高爾夫球現(xiàn)象，嚴(yán)重影響引線鍵合的質(zhì)量，對整個芯片封裝造成破壞。圖7、圖8中，正數(shù)表示球心偏向于尾絲中心線的左側(cè)，負(fù)數(shù)表示球心偏向于尾絲中心線的右側(cè)。如圖7所示，球心基本上都偏向于尾絲左側(cè)，這可能是由打火桿位于尾絲的左側(cè)所造成的。

圖7 預(yù)設(shè)球直徑為50.8μm時，球心與尾絲中心的偏距圖

圖8 預(yù)設(shè)球直徑為60.96μm時，球心與尾絲中心的偏距圖

預(yù)設(shè)球直徑為 50.8μm，預(yù)設(shè)打火電流在10～50mA范圍內(nèi)時，球心與尾絲中心偏距約為1pixel，焊球球心基本偏向于尾絲中心線左側(cè)，偏距標(biāo)準(zhǔn)差也較為穩(wěn)定。但當(dāng)預(yù)設(shè)打火電流改為60mA時，偏左偏右的球都大量存在，且球心與尾絲中心線的偏距的標(biāo)準(zhǔn)差較大，如圖8所示。這說明在大電流(60mA)條件下，形成的球不穩(wěn)定，易產(chǎn)生高爾夫球現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況可能是在預(yù)設(shè)球直徑較大情況下，打火電流越大，球的成長速度越快，導(dǎo)致最終成球的不穩(wěn)定。從圖5～圖8可以明確看出，當(dāng)電流在20～50mA時，形成的球直徑與預(yù)設(shè)球直徑相近，而且球心偏差小，球心偏差標(biāo)準(zhǔn)差也較小，在這段范圍內(nèi)，所形成的球較為穩(wěn)定;在60mA打火電流條件下，形成的球很不穩(wěn)定，極易出現(xiàn)高爾夫球現(xiàn)象。因此高爾夫球現(xiàn)象出現(xiàn)的一個原因是大的打火電流。

2.4 預(yù)設(shè)球直徑對高爾夫球現(xiàn)象形成的影響

當(dāng)預(yù)設(shè)打火電流為30mA時，球直徑的真實值與預(yù)設(shè)值基本一致。有規(guī)律改變預(yù)設(shè)球直徑，得到球心偏差的平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差，如圖9所示。從圖9明顯可以看出，當(dāng)預(yù)設(shè)球直徑較小(40.64μm(1.6mil))時，實驗結(jié)果分析得出球心偏斜較大，大于 2pixel;預(yù)設(shè)球徑在45.72～71.12μm(1.8～2.8mil)范圍內(nèi)時，球徑偏斜較小，約為1pixel。故較小的預(yù)設(shè)球直徑也是產(chǎn)生大的球心偏斜的一個原因，此時也易產(chǎn)生高爾夫球現(xiàn)象，影響引線鍵合質(zhì)量。

圖9 30m A打火電流條件下，不同的預(yù)設(shè)球直徑時球心偏差

3 結(jié)語

(1)焊球的真實直徑值，除與預(yù)設(shè)球直徑參數(shù)相關(guān)外，還與預(yù)設(shè)打火電流有關(guān)。當(dāng)預(yù)設(shè)打火電流較小(10mA)時，球直徑的實際值達(dá)不到球直徑的預(yù)設(shè)值;在20～60mA預(yù)設(shè)打火電流下，實際值與預(yù)設(shè)值相差無幾。

(2)影響球心位置的因素有預(yù)設(shè)球半徑和預(yù)設(shè)打火電流。當(dāng)預(yù)設(shè)球直徑較小40.64μm時，相對于較大的預(yù)設(shè)球直徑(50.8μm、60.96μm)，球心與尾絲中心線的偏距偏大，在該條件下產(chǎn)生高爾夫球現(xiàn)象的幾率要大;當(dāng)預(yù)設(shè)打火電流為20、30、40、50mA時，形成的球直徑值與預(yù)設(shè)球直徑值相近;當(dāng)預(yù)設(shè)打火電流增大至60mA時，球心與尾絲中心線的距離極不穩(wěn)定。預(yù)設(shè)球直徑為50.8μm時，球心基本偏向于尾絲左側(cè);預(yù)設(shè)球直徑為60.96μm時，出現(xiàn)許多左右偏斜的球，所得偏距也較大，這種情況下，易產(chǎn)生高爾夫球。

［1］Wang Fuliang，Li Junhui，Han Lei，et al.Effect of Ultrasonic Power on Wedge Bonding Strength and Interface Microstructure［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China(English Edition)，2007，17(3):606-611.

［2］Chiu SS，Chan H LW，Or SW，et al.Effect of Electrode Pattern on the Outputs of Piezosensors for Wire Bonding Process Control［J］.Materials Science and Engineering，2003，99(2):121-126.

［3］Levine L，Osborne M，Clabber H，et al.Improving Intermetallic Reliability in Ultra－fine Pitch Wire Bonding［C］//Advanced Packaging Technologies Seminar，SEMITechnology Symposium.Singapore，2004:1-5.

［4］Hong Sung － Jae，Cho Jong － Soo，Moon Jeong － Tak，et al.The Behavior of FAB(Free Air Ball)and HAZ(Heat Affected Zone)in Fine Gold Wire［C］//International Symposium on Electronic Materials and Packaging.Jeju Island，Korea，2001:52-55.

［5］Chen Jau － Liang，Lin Yeh － Chao.A New Approach in Free Air Ball Formation Process Parameters Analysis［J］.IEEE Transfer on Electronic Packaging Manufacturing，2000，23(2):116-122.

［6］Uno T.Enhancing Bondability with Coated Copper Bonding Wire［J］.Microelectronics Reliability，2011，51(1):88-96.