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第1章 概论1

1.1 引线键合工艺3

1.1.1 热超声球键合3

1.1.2 超声楔形键合5

1.2 球－楔键合的优点5

1.2.1 热超声球－楔键合的缺点6

1.3 铝楔形键合的优点7

1.3.1 铝楔形键合的缺点7

1.4 热压键合7

1.5 三种键合工艺的比较7

1.6 超细间距引线键合8

1.6.1 超细间距键合中的挑战9

第2章 引线键合的材料11

2.1 键合引线材料的要求和性质11

2.1.1 键合引线的要求11

2.1.2 高电导率12

2.1.3 高电流负载能力15

2.1.4 高抗张强度和可控的延伸率17

2.1.5 应力应变曲线18

2.1.6 断裂负载19

2.1.7 可控的延伸率19

2.1.8 掺杂元素及其在机械性质上的影响22

2.1.9 引线的晶粒尺寸24

2.1.10 热膨胀系数的兼容性25

2.1.11 引线键合加工的生产率26

2.1.12 气密性封装的键合引线26

2.1.13 抗腐蚀性26

2.1.14 器件键合焊盘的尺寸26

2.2 引线材料的选择27

2.2.1 键合引线材料的选择27

2.2.2 金合金对机械性能的改善27

2.2.3 适用于细小间距应用的金引线30

2.2.4 低拱丝高度应用的引线选择31

2.2.5 作为键合引线材料的铝和铝合金35

2.2.6 添加1％硅的铝35

2.2.7 铝－镁引线36

2.2.8 金引线的替代品36

2.2.9 铜引线37

2.3 引线制造39

2.3.1 金和铝键合引线的制造39

2.3.2 金属精炼39

2.3.3 熔化和铸造39

2.3.4 拉制40

2.3.5 静液力挤压41

2.3.6 退火42

2.3.7 缠绕和制轴42

2.3.8 高速自动引线键合机的绕轴43

2.3.9 键合引线的质量保证45

2.3.10 引线的存储48

2.3.11 保存期限49

2.4 键合引线的质量51

2.4.1 拉制引线的化学分析和表面清洁51

2.4.2 铝合金中硅分布的控制52

2.5 测试方法和规范53

2.5.1 机械性能测试53

2.5.2 SEM作为断裂模式分析的一个诊断工具54

2.5.3 目检56

2.5.4 线径测量法56

第3章 键合设备58

3.1 设备性能要求58

3.1.1 键合放置精度和可重复性59

3.1.2 焊球的控制66

3.1.3 拱丝的控制68

3.1.4 供料系统71

3.1.5 程序的传递或可移植性72

3.1.6 成品率73

3.1.7 键合的产量73

3.1.8 换能器技术74

3.1.9 离线编程（OLP）78

3.2 设备的选择和采购80

3.2.1 定义需求80

3.2.2 市场调研81

3.2.3 编写采购说明81

3.2.4 运行性能测试82

3.2.5 撰写采购键合机的评估82

3.2.6 怎样撰写设备要求说明书？82

3.2.7 设备选择的优先顺序矩阵分析法85

3.2.8 怎样使用优先顺序矩阵分析法？85

3.3 物主成本86

3.3.1 引线键合设备成本效益选择的标准86

3.3.2 什么是物主成本？87

3.3.3 CoO计算的参数87

3.3.4 物主成本软件89

3.3.5 物主成本分析的实用性89

3.4 设备性能89

3.4.1 键合机的性能评价89

3.4.2 键合机评价队伍90

3.4.3 键合机评价计划90

3.4.4 引线键合机的性能评定91

3.4.5 现存封装的加工能力92

3.4.6 未来封装的加工能力92

3.4.7 机器能力93

3.4.8 机器功能94

3.4.9 供应商的潜力和服务96

3.4.10 来自工厂各级职员的评价96

3.4.11 得分调查表97

3.4.12 决策97

3.5 设备维护98

3.5.1 建立一个维护计划98

3.5.2 待机时间99

3.5.3 不定期停机时间99

3.5.4 定期停机时间100

3.6 预防性维修计划100

第4章 加工工艺101

4.1 工艺参数101

4.1.1 键合参数102

4.1.2 键合力103

4.1.3 键合期间的超声能量104

4.1.4 键合温度113

4.1.5 键合时间114

4.1.6 拱丝参数115

4.1.7 键合焊盘的金属层119

4.1.8 铝和铝合金121

4.1.9 下层金属层125

4.1.10 键合焊盘金属层的微结构126

4.1.11 合金元素及其对键合能力的影响127

4.1.12 键合焊盘金属层的新型铝合金128

4.1.13 焊盘金属层的替换129

4.1.14 金属层淀积技术130

4.1.15 钝化刻蚀131

4.1.16 键合焊盘污染133

4.1.17 芯片金属层表面可键合性特征评价的方法133

4.1.18 铝键合焊盘的硬度测量134

4.1.19 引线框架和基板的金属层136

4.1.20 基板金属层的加工140

4.1.21 镀膜的形态143

4.1.22 基板金属层的替换144

4.1.23 基板金属层质量的特征147

4.1.24 膜层性质对键合的影响147

4.1.25 膜层缺陷的目检152

4.1.26 作为工艺参数的键合引线155

4.1.27 引线类型156

4.1.28 引线尺寸156

4.1.29 引线直径对结球的影响156

4.1.30 引线直径对剪切力的影响159

4.1.31 引线直径对断裂负载的影响159

4.1.32 引线直径对颈部强度的影响159

4.1.33 引线的一致性161

4.1.34 引线线轴的影响161

4.1.35 引线的表面状况162

4.1.36 第二货源及其影响162

4.1.37 焊球接触直径162

4.1.38 键合工具162

4.1.39 键合工具的选择163

4.1.40 劈刀尺寸163

4.1.41 劈刀顶部直径164

4.1.42 劈刀孔及其作用166

4.1.43 斜面直径和斜面角度167

4.1.44 表面角度170

4.1.45 劈刀的外部半径172

4.1.46 劈刀的形状172

4.1.47 细长劈刀174

4.1.48 劈刀材料174

4.1.49 采用CNC加工的劈刀制造176

4.1.50 陶瓷注模（CIM）加工177

4.1.51 陶瓷注模加工的优点178

4.1.52 劈刀材料选择的标准178

4.1.53 劈刀的表面加工179

4.1.54 劈刀损伤180

4.1.55 超声键合的楔入工具180

4.1.56 后缘半径181

4.1.57 楔形面183

4.1.58 深腔键合184

4.1.59 反向键合185

4.1.60 引线喂料及其在键合位置上的影响186

4.1.61 楔形工具用材料187

4.1.62 最终表面187

4.1.63 其他楔形工具190

4.1.64 其他影响键合的因素191

4.1.65 键合设备和工作台191

4.1.66 图形识别系统191

4.1.67 EFO一致性192

4.1.68 引线喂料的一致性194

4.1.69 精确的接触探测和挤压控制195

4.1.70 同步195

4.1.71 设置的稳定性195

4.1.72 软件相关的程序缺陷196

4.1.73 键合缺失检测器196

4.1.74 加热部件196

4.1.75 引线框架夹具196

4.1.76 工具谐振197

4.1.77 专用键合工具的特点200

4.1.78 热压键合200

4.1.79 影响COB封装的加工参数200

4.1.80 操作人员技能202

4.2 工艺优化203

4.2.1 工艺优化的目的203

4.2.2 金球键合的最优化205

4.2.3 结球的最优化206

4.2.4 试验的设计206

4.2.5 铝楔形键合的最优化211

4.2.6 最优化第二键合212

4.3 工艺控制219

4.3.1 键合拉力219

4.3.2 控制图表的使用220

4.3.3 作为可测量特征的键合拉力221

4.3.4 创建控制图表223

4.3.5 计算X图表和R图表参数的步骤225

4.3.6 控制图表的说明225

4.3.7 用键合剪切强度控制工艺226

4.3.8 目检226

4.3.9 金属间化合面积的测量227

4.3.10 键合刻蚀227

4.3.11 加工能力（Cpk）分析228

4.4 工艺监测228

4.4.1 监测键合响应228

4.4.2 超声频率控制和监测230

4.4.3 键合工具振动强度测量230

4.4.4 电容扩音技术230

4.4.5 阻抗测量系统231

4.4.6 使用激光干涉法的超声波测试231

4.4.7 使用光学传感器的楔形工具振动强度测量232

4.4.8 负载对工具振动模式的影响233

4.4.9 键合力监测235

4.4.10 键合时间监测235

4.4.11 其他键合监测技术235

4.4.12 西门子过程监测法236

4.4.13 温度监测238

4.5 加工机理241

4.5.1 超声波键合241

4.5.2 工具对焊接强度的影响244

4.5.3 热压的机理246

4.6 对可键合能力的设计251

4.6.1 芯片设计规则252

4.6.2 焊盘设计规则253

4.6.3 通过引线的最大容许电流260

4.6.4 封装和组装设计指南264

4.6.5 拱丝高度的设计267

4.6.6 交错焊盘的布局设计270

4.6.7 引线交叉272

4.6.8 由于芯片位移的引线交叉272

4.6.9 引线长度规则275

4.6.10 键合设计和封装兼容性277

4.6.11 键合直径偏离焊盘的百分比277

4.6.12 为键合考虑的引线框架设计277

4.6.13 包括键合能力的封装设计软件280

4.7 加工问题和解决方法280

4.7.1 焊球在键合焊盘上不粘连（键合脱离）281

4.7.2 在引脚上焊接的不粘连（焊接脱离）281

4.7.3 焊球在焊盘上的位置283

4.7.4 楔形焊在引脚上的位置283

4.7.5 引线塌陷284

4.7.6 引线残尾285

4.7.7 键合期间的引线断裂285

4.7.8 拱丝紧绷286

4.7.9 焊球畸形286

4.7.10 球心偏离（高尔夫球杆）287

4.7.11 露底287

4.7.12 金属挤出287

4.7.13 引线歪扭288

4.7.14 线夹问题288

4.7.15 低频运动和键合形成289

4.7.16 劈刀堵塞289

4.7.17 劈刀去堵289

4.7.18 键合工具清洗的化学方法290

4.7.19 键合焊盘和引脚框架的污染物291

4.7.20 有机污染物292

4.7.21 等离子清洗292

4.7.22 等离子机理294

4.7.23 等离子设备295

4.7.24 等离子工艺参数296

4.7.25 DC氢等离子297

4.7.26 化学和物理清洗的分析比较298

4.7.27 等离子清洗的应用301

4.7.28 等离子清洗的负面影响302

4.7.29 紫外／臭氧清洗302

4.7.30 紫外／臭氧的机理303

4.7.31 紫外／臭氧设备304

4.7.32 紫外／臭氧工艺参数304

4.7.33 紫外／臭氧的影响305

4.7.34 紫外／臭氧的负面影响306

第5章 质量307

5.1 键合拉力技术307

5.1.1 键合拉力测试307

5.1.2 吊钩位置对失效模式的影响314

5.1.3 吊钩直径的影响316

5.1.4 引线延伸率对键合拉力强度的影响318

5.1.5 引线长度对键合拉力强度的影响319

5.1.6 拱丝高度对键合拉力强度的影响320

5.1.7 拱丝参数的影响320

5.1.8 键合拉力数据分布的分析321

5.1.9 拉力角度和失效模式322

5.1.10 推荐的拉力测试方法324

5.1.11 非破坏拉力测试325

5.1.12 利用键合拉力测试焊接强度327

5.1.13 键合拉力设备327

5.1.14 自动键合拉力测试328

5.1.15 键合拉力测试规范330

5.1.16 引线键合拉力测试的局限性331

5.2 焊球键合剪切测试332

5.2.1 测试的描述332

5.2.2 焊球剪切设备335

5.2.3 焊球剪切测试过程337

5.2.4 剪切测试的变量339

5.2.5 剪切测试干扰和测量误差340

5.2.6 不同金属层上的剪切强度341

5.2.7 未被污染焊盘上键合的剪切测试343

5.2.8 厚膜上的剪切测试343

5.2.9 剪切力和剪切强度344

5.2.10 剪切测试规范346

5.2.11 非破坏剪切测试349

5.3 键合质量的目检349

5.3.1 键合前检验350

5.3.2 键合后检验350

5.3.3 目检标准350

5.3.4 自动化视觉检验352

5.3.5 目检设备性能353

5.3.6 拱丝高度测量354

5.3.7 用于引线缺陷分析的电子扫描显微镜355

5.3.8 三维视觉检验规范355

5.4 特殊质量测试356

5.4.1 键合刻蚀357

5.4.2 电测试357

5.4.3 烘焙测试357

5.4.4 表面分析357

5.4.5 声波散射357

第6章 可靠性359

6.1 紫斑359

6.1.1 紫斑或金属间化合物359

6.1.2 金属间化合物的形成360

6.1.3 导致高电阻或电路开路的柯肯达尔空洞361

6.1.4 导致脆性断裂的金属间化合物362

6.1.5 Arrhenius（阿伦尼乌斯）方程364

6.1.6 金属间化合物形成的分析方法367

6.1.7 电阻率测量368

6.2 尖刺370

6.2.1 铝－硅合金370

6.3 露底371

6.3.1 键合焊盘露底371

6.3.2 键合力的影响372

6.3.3 超声波能量的影响372

6.3.4 硅节瘤诱发的露底374

6.3.5 引线硬度的影响375

6.3.6 金属层厚度的影响376

6.3.7 在塑料封装中湿气吸收376

6.3.8 金属间化合物的影响377

6.4 引线倾倒378

6.4.1 引线倾倒的不同原因379

6.4.2 键合引线的影响380

6.4.3 IC封装设计382

6.4.4 注模化合物的影响385

6.4.5 对于注模朝向引线方位的影响386

6.4.6 引线倾倒的FEM387

6.5 腐蚀388

6.5.1 铝－铜键合焊盘金属层的腐蚀389

6.5.2 氯引发的腐蚀390

6.6 踵裂391

6.6.1 热和功率循环诱发踵失效391

6.6.2 功率循环和它的影响391

6.6.3 踵裂的原因393

6.6.4 键合引线疲劳性质的特征395

6.6.5 我们能通过目检剔除踵裂吗？396

6.7 其他可靠性问题396

6.7.1 芯片粘接焊盘漂移失效399

6.7.2 过电流失效400

6.7.3 晶粒生长失效400

6.7.4 在镀银引脚框架上的铝键合失效401

6.7.5 银铝腐蚀403

6.7.6 离心试验时的键合失效403

6.8 由于引线倾倒引起的电性能退化404

6.8.1 引线跨距对电感值的影响405

第7章 引线键合的新工艺和新应用407

7.1 光电子应用中的引线键合407

7.1.1 设计挑战408

7.1.2 材料挑战408

7.1.3 加工问题408

7.1.4 光学封装引线键合的加工问题409

7.1.5 光学封装引线键合的键合工具409

7.1.6 设备要求409

7.2 叠层芯片封装中的引线键合410

7.2.1 零拱丝楔形键合413

7.2.2 低拱丝高度413

7.3 采用新的超声换能器的低温键合414

7.4 铜键合工艺415

7.4.1 铜键合引线材料技术416

7.4.2 设备问题和挑战416

7.4.3 劈刀的选择418

7.5 微BGA引腿键合加工420

7.5.1 引腿和引线键合之间的不同420

7.5.2 引腿键合加工综观420

7.6 结论421

参考文献422