半导体封装过程wire bond 中 wire loop 的研究及其优化.doc

南京师范大学
电气与自动化科学学院
毕业设计（论文）

半导体封装过程wire bond中wire loop的研究及其优化

专 业 机电一体化
班级学号 22010439
学生姓名 刘晶炎
单位指导教师 储焱
学校指导教师 张朝晖
评阅教师

2005年5月30日

摘要

在半导体封装过程中，IC芯片与外部电路的连接一段使用金线（金线的直径非常小0.8--2.0 mils）来完成，金线wire bond过程中可以通过控制不同的参数来形成不同的loop形状，除了金线自身的物理强度特性外，不同的loop形状对外力的抵抗能力有差异，而对于wire bond来说，我们希望有一种或几种loop形状的抵抗外力性能出色，这样，不仅在半导体封装的前道，在半导体封装的后道也能提高mold过后的良品率，即有效地抑制wire sweeping, wire open.以及由wire sweeping引起的bond short.因此，我们提出对wire loop的形状进行研究，以期得到一个能够提高wire抗外力能力的途径。
对于wire loop形状的研究，可以解决：
（1） 金线neck broken的改善。
（2） BPT数值的升高。
（3） 抗mold过程中EMC的冲击力加强。
（4） 搬运过程中抗冲击力的加强。

关键词：半导体封装，金线，引线焊接,线型。

Abstract

During the process of the semiconductor assembly, we use the Au wire to connect the peripheral circuit from the IC. (The diameter of the Au wire is very small .Usually, it’s about 0.8mil~2mil.) And during the Au wire bonding, we can get different loop types from control the different parameters. Besides the physics characteristic of the Au wire, the loop types can also affect the repellence under the outside force. For the process of the wire bond, we hope there are some good loop types so that improve the repellence under the outside force. According to this, it can improve the good device ratio after molding. It not only reduces the wire sweeping and the wire open of Au wires but also avoid the bond short cause by the wire sweeping.
Therefore, we do the disquisition about the loop type for getting the way to improve the repellence under outside forces.
This disquisition can solve the problem about:
(1) Improve the neck broken of Au wire.
(2) Heighten the BST data.
(3) Enhance the resist force to EMC during the molding process.
(4) Decrease the possibility of device broken when it be moved.

Keyword: the semiconductor assembly, Au wire, wire bond, wire loop.

目录

摘要 ………………………………………………………………………
Abstract …………………………………………………………………

1 绪论 ……………………………………………………………………
1.1 本课题研究的意义 ………………………………………………
1.2环境及实验设备简介 ……………………………………………
1.3主要的研究工作 …………………………………………………

2 基础知识介绍 ………………………………………………………
2.1 wire bond的介绍及基本原理 ………………………………
2.2 wire loop 的基本参数 ………………………………………
2.2.1 loop type（弧型） ……………………………………
2.2.2 LH（弧高）……………………………………………
2.2.3 reverse distance(反向线弧长度) ……………………
2.2.4 RDA(反向线弧角度) ………………………………
2.2.5 2nd kink(第二弯曲点) ………………………………
2.2.6 2nd kink HT factor(第二弯曲点高度因素) …………
2.6.7 span length (水平长度) ……………………………
2.3 mold 的基本概念 …………………………………………
2.4 BPT 测试的简单介绍

3 实验设备及环境条件 …………………………………………
3.1实验材料 …………………………………………………
3.2实验设备介绍 ……………………………………………
3.2.1 wire bond设备 ………………………………………
3.2.2 BPT测试仪 …………………………………………
3.2.3 mold设备及wire sweeping 测试设备 ……………
3.3环境条件 …………………………………………………

4 实验设计及数据处理 …………………………………………
4.1实验设计及研究方法 ……………………………………
4.2实验过程及数据采集 ……………………………………
4.2.1 loop type: Q-LOOP (1) …………………………………
4.2.1.1 参数 ………………………………………………
4.2.1.2 BPT数据…
4.2.1.3 wire sweeping测试数据 …………………………
4.2.2 loop type: Q-LOOP(2) …………………………………
4.2.2.1 参数 ………………………………………………
4.2.2.2 BPT数据 …………………………………………
4.2.2.3 wire sweeping测试数据 …………………………
4.2.3 loop type: SQUARE-LOOP(1) ………………………
4.2.3.1 参数 ………………………………………………
4.2.3.2 BPT数据 …………………………………………
4.2.3.3 wire sweeping测试数据 …………………………
4.2.4 loop type: SQUARE-LOOP(2) …………………………
4.2.4.1 参数 ………………………………………………
4.2.4.2 BPT数据 …………………………………………
4.2.4.3 wire sweeping测试数据 …………………………
4.3数据处理分析及其结果 …………………………………
4.3.1实验数据处理 ………………………………………
4.3.2数据分析及分析结果 ………………………………
4.3.2.1 BPT数据分析及结果 ……………………………
4.3.2.2 wire sweeping测试数据分析及结果 ……………
4.3.2.3综合分析及结果 …………………………………

5理论计算
5.1关于理论计算的说明
5.2转动惯量的概念
5.2.1转动惯量的定义
5.2.2移轴定理
5.3转动惯量条件下S弧与Q弧的比较
5.3.1 S弧的转动惯量
5.3.2 Q弧的转动惯量
5.3.3 一定条件下两弧的比较计算
5.4转动惯量对S弧模型的影响
5.4.1 S弧模型1
5.4.2 S弧模型2
5.5转动惯量对Q弧模型的影响
5.5.1 Q弧模型1
5.5.2 Q弧模型2

6结论

绪论

1.1 本课题研究的意义

在现在的半导体封装中，大多在对金线的机械强度的提高在做努力，即提高原材料的机械强度，而对wire loop形状的研究还鲜有报道，即使有这方面的研究也并未正式公开的发表相关论文。所以，在这方面的深入研究还是很有意义的。

1.2环境及实验设备简介

固定一种金线（2.0mil）作为实验原材料，固定实验机器为ASM*Eagle 60 wire bonder进行实验。(注：1mil=25.4um)

1.3主要的研究工作

本设计主要的研究工作是对芯片进行引线焊接所行成的各种不同线型的研究分析。我们通过设计实验的方法将其进行优化，以提高金线承受外力的能力，并最终指导实际生产工具。

2 基础知识介绍

2.1wire bond的基本原理
Wire bonding是一种使用了热能、压力以及超声能量的芯片内互连技术，本质上是一种固相焊接工艺。
用金线或铝线把芯片上的焊盘与引线框架上的相应引脚连接起来，以实现芯片与外部电路连接的功能，如图2.1.1。

图2.1.1
本设计中金线的wire bond采用热超声法，其将焊件加热到200~250oC,使用劈刀。图2.1.2是wire bond-ball bonding的大致过程。

图2.1.2 W/B过程
Bond过程是一个极其复杂的过程，它汇集了计算机控制技术、高精度图像识别处理技术（PRS）、高精度机械配合、自动控制反馈等高科技。
Wire bond技术的发展是围绕封装技术的发展进行的。目前还是最成熟的芯片内互连技术。在任何开发出的新封装类型中都可以应用WB技术。随着技术的发展，提出了超细间距BOND技术、铜线BOND技术、带BOND技术等新技术，也给我们带来了新的研究课题。同时我们也应该看到，毕竟作为一种“老”技术也有不可避免的缺点如：线长带来阻抗增加和电感增大，从而限制了对高频器件封装的选择，另外散热性能也没有裸倒装芯片来得好。不过掌握wire bond技术从而保证生产的稳定，对公司的发展来说有重要的意义。

2.2 wire loop的基本参数

2.2.1 loop type（弧型）:

图2.2.1.1 Q-LOOP 图2.1.1.2 SQUARE-LOOP

2.2.2 LH（弧高）

图2.2.2 LH = loop height（弧高）

2.2.3 reverse distance(反向线弧长度)

图2.2.3 reverse distance（反向线弧长度）

2.2.4 RDA(反向线弧角度)

图2.2.4 RDA=reverse distance angle（反向线弧角度）

2.2.5 2nd kink(第二弯曲点)

图2.2.5 2nd Kink(第二弯曲点)

2.2.6 2nd kink HT factor(第二弯曲点高度因素)

图2.2.6 2nd kink HT factor

2.2.7 span length (水平长度)

图2.2.7 span length (水平长度)

2.3 mold的基本概念
Mold就是把已经Wire-bond完成后的材料用EMC包装起来，从而达到保护Chip,使其免受外界的因素，包括热辐射、机械冲击、化学腐蚀等因素的影响、维持其本身所具有的电子性能，因而Mold工程对PKG技术的发展具有很重要的意义。
其中的封装材料EMC是Epoxy Molding Compound的缩写，其性质为一热固性树脂。EMC在高温作用下，其中的一部分颗粒受热后逐步融化，但当温度继续上升时，这部分物质反而又逐渐反应成为固体，而且其过程不逆转，如此循环，直至全部颗粒反应结束。由于反应是不可逆的，因此保证了PKG在使用过程中产生的热量不会对其外形产生太大的影响。

2.4 BPT测试的简单介绍

BOND PULL TEST简称BPT是测量PAD和 LEAD的BOND质量的一种方法。利用测力的小钩，在LOOP的规定的位置测量WIRE BROKEN力的大小，并观察是否有LEAD OPEN、PAD OPEN和METAL OPEN等不良。

图2.4 Bond pull test

3 实验设备及环境条件

3.1实验材料

实验材料采用金线直径=2mil,纯度>99.9999%，如图3.1。芯片采用LVIC,尺寸为95*93(mil)。Lead Frame（引线框架）采用TO-220 D-PAK的。

图 3.1 金线
3.2 实验设备介绍

3.2.1 wire bond设备
Wire bond 我们使用ASM*Eagle 60 wire bonder来完成。如图3.2.1:

图3.2.1 ASM*Eagle 60 wire bonder

3.2.2 BPT测试仪
Bond pull test即通常我们所说的BPT测试，我们使用dage*SERIES 4000测试仪来得到所求数据。如图3.2.2:

图3.2.2 dage*SERIES 4000

3.2.3 mold设备及wire sweeping 测试设备
在半导体封装的后道，Mold是将前道bond好的芯片通过模具注入环氧树脂EMC，将芯片封装起来的一道工序。在 MOLDING工程中，生产设备主要设备有：UPS 120－N系列（N/NC/NEX/S）自动设备，如图3.2.3.1。Mold 过后的wire sweeping我们使用dage*XL 6500 x光测试仪测得。如图3.2.3.2:

图3.2.3.1 UPS120－N 系列mold设备 图3.2.3.2 dage*XL 6500(X-RAY)

3.3 环境条件

环境温度控制范围：3摄氏度（+ - 5度），湿度控制范围：50%（+ - 30%）。
wire bond条件：正常工作条件。Molding条件：压力45kg,EMC流动时间24s。

4 实验设计

4.1实验步骤及研究方法

一种线的形状涉及到以下参数：loop type（弧型）, loop height（弧高）, reverse distance（反向线弧长度）， reverse angle（反向线弧角度）, 2nd kink HT factor, pull ratio（拉力比率）, span length（水平长度）。
首先，我们通过在Q，S两种弧型中分别改变loop height（弧高），span length（水平长度）来得到12种不同的loop形状，其他则参数不变。
第二步，我们对每种弧型进行拉力测试和封装mold测试，分别得到BPT和wire sweeping的数据。BPT数据我们是通过专用的测试仪来测定的，属于破坏性的试验，,共12组，每组测12个数据。Wire sweeping则是将芯片封装mold完成之后，通过X-RAY透过其表层的环氧树脂量取的。同样12组，每组测12个数据。
第三步，在得到BPT和wire sweeping这两项数据后，我们将其输入电脑，使用专业软件JMP.5对这些数据进行综合处理。然后对其处理结果进行综合分析。得到实验的优化结果。
第四步，我们将过简单的理论计算来证明实验所得到的优化结果。
最后，我们可以得出结论，即得到最优化的bonding loop。

如图4.1.1—图4.1.3为本实验中芯片需要经历的三道工序：
图4.1.1 wire bond 前 图4.1.2 wire bond后mold 前 图4.1.3 mold 后

4.2实验过程及数据采集

4.2.1 loop type: Q-LOOP（1）
4.2.1.1参数

Q-LOOP（1）
弧型1参数
弧型2参数
弧型3参数
loop height
10mil
10mil
10mil
Reverse distance
30%
60%
90%
LHT correction
15
15
15
Pull ratio
0%
0%
0%
Reverse distance Angle
0
0
0

4.2.1.2 BPT数据

弧型 (Q型)
Bond Pull Test (BPT) 数据
弧型1
40.509
36.080
24.831
22.532
36.973
43.999
42.602
39.217
39.706
38.435
37.841
37.667
弧型2
38.029
39.720
36.772
27.509
26.431
23.736
19.854
22.123
24.112
23.429
26.272
24.648
弧型3
22.754
23.863
26.964
26.502
28.897
29.813
33.036
33.992
33.952
36.499
33.247
34.988

4.2.1.3 wire sweeping测试数据

弧型 (Q型)
Wire sweeping 测试数据
弧型1
2.86
1.42
2.39
2.65
2.02
2.84
2.29
2.09
2.58
2.69
2.30
1.19
弧型2
3.01
3.46
3.15
3.81
3.76
2.34
2.68
2.57
2.62
2.59
3.75
2.81
弧型3
4.72
3.09
2.94
3.42
2.62
2.92
3.65
2.95
2.93
3.65
1.89
2.85

4.2.2 loop type : Q-LOOP(2)

4.2.2.1参数

Q-LOOP
弧型4参数
弧型5参数
弧型6参数
loop height
15mil
20mil
28mil
Reverse distance
60%
60%
60%
LHT correction
15
15
15
Pull ratio
0%
0%
0%
Reverse distance Angle
0
0
0

4.2.2.2 BPT数据

弧型 (Q型)
Bond Pull Test (BPT) 数据
弧型4
14.297
15.834
16.505
20.530
16.928
22.638
21.503
24.412
26.084
29.381
18.728
23.710
弧型5
22.076
25.260
27.179
28.372
25.014
27.287
27.239
25.823
27.297
28.311
26.006
29.286
弧型6
15.254
19.250
18.614
22.617
21.442
23.370
37.956
41.933
18.897
28.801
23.346
24.055

4.2.2.3 wire sweeping测试数据

弧型 (Q型)
Wire sweeping 测试数据
弧型4
2.37
2.72
2.56
2.65
3.04
2.46
1.98
1.74
1.35
2.64
2.57
2.01
弧型5
2.64
4.98
3.03
4.62
2.67
5.52
2.33
2.98
3.10
4.74
4.86
3.81
弧型6
2.20
4.22
2.37
2.21
2.19
2.25
3.05
2.80
2.22
2.96
3.14
3.42

4.2.3 loop type: SQUARE-LOOP (1)

4.2.3.1参数

SQUARE-LOOP
弧型7参数
弧型8参数
弧型9参数
Loop height
10mil
10mil
10mil
Reverse distance
60%
60%
60%
Span length
80%
40%
15%
2nd kind HT factor (%)
50
50
50
Pull ratio
0%
0%
0%
Reverse height
18
18
18
Reverse distance angle
0
0
0
Wire length factor (%)
500
500
500
LHT correction
5
5
5

4.2.3.2 BPT数据

弧型 (S)
Bond Pull Test (BPT) 数据
弧型7
23.183
24.864
28.761
31.849
35.773
38.620
36.349
42.354
34.367
32.795
35.351
34.964
弧型8
14.052
26.102
17.476
22.025
19.988
18.737
18.102
20.014
20.335
25.420
19.393
27.228
弧型9
19.590
20.772
18.249
21.877
23.646
25.541
25.414
26.985
28.587
30.660
25.346
25.755

4.2.3.3 wire sweeping测试数据

弧型 (S型)
Wire sweeping 测试数据
弧型7
2.13
2.01
2.84
3.23
3.04
3.52
2.58
1.98
2.23
2.51
1.95
2.20
弧型8
2.42
3.27
3.18
1.99
3.38
2.99
3.09
2.53
2.80
3.57
3.89
3.46
弧型9
5.02
3.51
1.67
3.52
4.04
3.70
2.90
2.43
4.99
3.02
2.98
4.30

4.2.4 loop type : SQUARE-LOOP(2)

4.2.4.1参数

SQUARE-LOOP
弧型10参数
弧型11参数
弧型12参数
Loop height
8mil
15mil
19mil
Reverse distance
60%
60%
60%
Span length
40%
40%
40%
2nd kind HT factor (%)
50
50
50
Pull ratio
0%
0%
0%
Reverse height
18
18
18
Reverse distance angle
30
30
30
Wire length factor (%)
500
500
500
LHT correction
5
5
5

4.2.4.2 BPT数据

线型（S）
Bond Pull Test（BPT）数据
线型10
22.017
25.306
21.592
27.328
23.055
24.680
22.736
28.540
19.571
24.784
29.450
31.207
线型11
22.759
23.466
24.659
24.700
19.068
21.219
27.337
33.062
27.185
29.374
29.189
32.994
线型12
22.311
26.530
25.954
30.085
26.062
31.484
37.588
31.375
34.201
36.280
31.975
37.470

4.2.4.3 wire sweeping测试数据

线型 (S型)
Wire sweeping 测试数据
线型10
2.61
2.29
2.87
3.03
2.53
2.48
2.91
3.12
3.87
3.99
4.02
3.86
线型11
3.11
3.05
2.24
3.04
2.62
2.81
1.92
2.99
2.65
2.08
2.06
2.54
线型12
3.04
2.75
3.30
3.48
2.24
2.99
2.88
2.55
2.87
2.79
2.00
2.68

4.3数据处理分析

4.3.1实验数据处理
我们使用JMP 5 统计分析软件进行数据分析。首先我们需要把实验测得的12组BPT数据（每组12个数据）和12组Wire sweep数据（每组12个数据）输入JMP 5 软件里，通过软件分别计算出每组数据各自的平均值。然后，再将这些参数同我们设计的各线型的各项参数一起重新输入软件。最后我们得到如图4.3.1.1所示的表格：

图4.3.1.1 JMP.5专业统计分析软件

在上图表格中，我们以实验测得数据的2组平均数据组为Y轴，而另外4组弧型参数loop type, loop height, reverse distance, span length则作为Model Effects加入进去。如图4.3.1.2所示：

图4.3.1.2 建立模型
然后，我们Run Model 后软件即开始进行分析计算。

4.3.2数据分析及分析结果

4.3.2.1 BPT数据分析及分析结果
Response BPT(g)
Whole Model
Actual by Predicted Plot

Parameter Estimates
Term

Estimate
Std Error
t Ratio
Prob>|t|
Intercept

32.94626
8.386538
3.93
0.0057
loop type[Q]

3.8881853
2.702655
1.44
0.1934
loop height(mil)

-0.173835
0.26446
-0.66
0.5320
reverse distance(%)

-0.105396
0.117129
-0.90
0.3981
span length(%)

0.1439344
0.106311
1.35
0.2179
Effect Tests
Source
Nparm
DF
Sum of Squares
F Ratio
Prob > F
loop type
1
1
51.111034
2.0697
0.1934
loop height(mil)
1
1
10.669871
0.4321
0.5320
reverse distance(%)
1
1
19.994907
0.8097
0.3981
span length(%)
1
1
45.265942
1.8330
0.2179
Residual by Predicted Plot

loop type
Leverage Plot

Least Squares Means Table
Level
Least Sq Mean

Std Error
Mean
Q
31.179068

3.0597759
27.8162
S
23.402697

3.0597759
26.7655

loop height(mil)
Leverage Plot

reverse distance(%)
Leverage Plot

span length(%)
Leverage Plot

4.3.2.2 wire sweeping测试数据分析及结果
Response wire sweeping(%)
Whole Model
Actual by Predicted Plot

Parameter Estimates
Term

Estimate
Std Error
t Ratio
Prob>|t|
Intercept

2.3657382
0.755001
3.13
0.0165
loop type[Q]

-0.323189
0.243307
-1.33
0.2257
loop height(mil)

-0.000532
0.023808
-0.02
0.9828
reverse distance(%)

0.0141805
0.010545
1.34
0.2206
span length(%)

-0.014142
0.009571
-1.48
0.1830
Effect Tests
Source
Nparm
DF
Sum of Squares
F Ratio
Prob > F
loop type
1
1
0.35313018
1.7644
0.2257
loop height(mil)
1
1
0.00009986
0.0005
0.9828
reverse distance(%)
1
1
0.36195840
1.8085
0.2206
span length(%)
1
1
0.43695705
2.1833
0.1830
Residual by Predicted Plot

loop type
Leverage Plot

Least Squares Means Table
Level
Least Sq Mean

Std Error
Mean
Q
2.5855606

0.27545723
2.88514
S
3.2319393

0.27545723
2.93236

loop height(mil)
Leverage Plot

reverse distance(%)
Leverage Plot

span length(%)
Leverage Plot

4.3.2.3综合分析及结果
根据wire bond 的要求，同时也是我们实验的最初要求，为了得到金线更大的抗外力能力，我们需要wire sweeping的值越小越好，BPT的值越大越好。所以我们得到如下图所示的结果：
Prediction Profiler

由图表我们可以清楚的看到，由我们实验分析所得出S，Q两种弧型中最优的弧型应当是Q弧，且当它最优时其参数为loop height = 17.8mil , reverse distance = 30.4% 。而在S弧型中最优的弧型它的loop height = 17.8mil, span length = 79.5%。当其最优化时的wire sweeping = 1.339915%,BPT = 41.97893g。
由最优化的参数，我们可以知道，在我们进行实验的12组弧型中，Q弧中较优化的是弧型1和弧型5。S弧中较优化的是弧型7和弧型12。而在所有弧型中较优化的是弧型1和弧型5。

5 理论计算

5.1关于理论计算的说明

大家都知道能够影响到金线LOOP抗冲击能力的因素很多，包括它的转动惯量，金线的合金成份，两焊点的焊接强度，绕度等，都会影响到其LOOP的抗外力能力。在进行理论计算时，若要将实际中诸多复杂因素都考虑进去，难度将非常之大，而且在短时间内也不可能完成。因此，我们提出，只从考虑转动惯量的角度出发，来对S，Q弧各模型进行分析计算。在实际优化和解决问题的过程中，它也将是我们的一个重要的参考标准。

5.2转动惯量的概念

5.2.1转动惯量的定义
刚体的转动惯量是刚体转动时惯性的度量，它等于刚体内各质点的质量与质点到轴的垂直距离平方的乘积之和，即:
Jz =
并且我们知道，当物体由几个几何形状简单的物体组成时，计算整体（物体系）的转动惯量可先分别计算每一部分的转动惯量，然后再合起来。

5.2.2移轴定理
刚体对于任一轴的转动惯量，等于刚体对于通过质心，并与该轴平行的轴的转动惯量，加上刚体的质量与两轴间平方的乘积。即：
Jz = Jzc + md²

5.3 转动惯量条件下S弧与Q弧的比较

因为金线的直径为2 mil = 50 μm ,在我们看来非常小，因此我们可以把金线看成是细直杆，忽略其本身的转动惯量来达到简化计算的目的。

5.3.1 S弧的转动惯量

根据转动惯量的定义Jz = 和移轴定理Jz = Jzc + md²我们可以得到图5.3.1的S弧型的转动惯量：
Js