自动键合范文

2024-05-23

自动键合范文（精选7篇）

自动键合第1篇

全自动引线键合机是以金属引线连接芯片焊盘和封装管脚的半导体生产关键设备。键合机工作过程的根本特征在于通过引导金属引线在三维空间中作复杂高速的运动以形成各种满足不同封装形式需要的特殊线弧形状。

全自动引线键合机的机械组成主要包括XY工作台、键合头、光学系统、物料传输系统及送线机构。

送线机构是引线键合机的重要部件,它的作用是实时的为键合头提供金线,使其能够连续焊线,送线过程的好坏直接影响着焊线的效率和成功率,所以要求送线稳定流畅。

1 送线机构的构成和送线过程

1.1 送线机构的构成及各部分的作用

送线机构主要由线轴保护盖、线轴、转向轴、空气导向装置和张线器构成(如图1)。线轴保护盖主要是防止金线污染,保证焊线的品质,为了能够在工作过程中实时观察线轴的运动情况,并且防止静电影响,线轴保护盖一般选取防静电有机玻璃板为设计材料。线轴主要作用是旋转送线,缠有金线的套筒套在线轴上,考虑转动体要保证小的转动惯量,线轴的设计材料一般选用铝合金或高强度塑料。转向轴的作用是控制金线路径,保证金线的弧度,其设计位置的最终确定要通过焊线工作中的调试来确定。空气导向装置主要是靠空气浮起金线,防止金线损伤同时形成辅助线弧,储存一定的金线;为了实时监控金线的进给情况,在空气导向装置中有监测金线进给情况的光电传感器,设计时可以根据需要设计成双光电传感器和单光电传感器两种模式。张线器的作用是拉紧金线,在焊线过程中,通过气流控制配合键合头运动形成焊接弧线,张线器的设计也直接影响到焊线的成功率和质量。

1.2 送线机构的工作过程

送线机构的送线路径如下:线轴电机通过齿轮传动方式驱动线轴旋转提供金线,金线经转向轴偏转一定的角度后进入空气导向装置,压缩空气经过气嘴把金线在导向装置中浮起并使金线保持一定的弧度,然后穿入张线器,最后进入劈刀。

其中压缩空气的流量通过流量阀控制,焊线工作时流量阀的示数多少,要通过不断的实验来最终确定,确定的原则是保证空气导向装置中有足够的金线,金线不能被吹出空气导向装置,并且形成的金线弧度能够有较好的张力。空气导向装置中有两个挡线柱,其挡住被压缩空气吹过来的金线,从而形成弧度。压缩空气经气嘴进入,再经吹气块的小孔吹出,由于小孔效应,不用过大的压缩空气,就可产生压强较大的气流。吹气块上小孔的多少也是影响吹气质量的重要因素,小孔的数量,可通过有限元分析和实际试验结合确定找到适宜工作的最佳数量。压缩空气吹气方向,要通过两个挡线柱的中间位置,这样就保证了所产生的线弧的规则形状。而空气导向装置中用于挡线和走线的零件考虑到防止金线断线的情况发生,零件的加工要求较高的平面度和光洁度。空气导向装置的安装角度也是影响送线质量的一个重要因素,因为金线的张力,弧度和其传入张线器的角度都是是否断线,是否焊线成功的因素。而空气导向装置的安装角度是对线弧形成路径的最主要的影响因素,这个角度的确定可根据空气动力学有限元分析来理论确定,结合实际试验我们可最终确定,转向轴—空气导向装置—张线器的最佳相对位置关系。

送线机构的送线控制如下:进线主要由光纤传感器和导向装置气压控制,这两者配合可以使线轴和劈刀之间的金线长度基本保持一个恒定值。焊线时,线轴和劈刀之间的金线会逐渐变短,相应的金线在空气导向装置中的位置会降低,当金线下降过程中经过光纤传感器视觉范围时,电机进行送线运动。根据焊线速度,电机旋转一定时间后停止送线。对于断线的监测是通过线轴上金属零件和送线机构背后的水银滑环形成的电气通路来实现。将金线安装到线轴上后,要将金线的尾线和线轴上相应的零件缠绕,然后将金线绕过转向轴,并进入空气导向装置,再穿过张线器,进入劈刀。焊线过程中,如若出现断线情况,通过实时检测的电信号会给系统以反馈,实现对整个系统的闭环控制。为实现最佳性能,线轴只能沿顺时针方向旋转。

1.3 送线机构的单传感器和双传感器模式的区别

如图1所示,是送线机构的双传感器形式。其工作原理是,当焊线时,线轴和劈刀之间的金线会逐渐变短,相应的金线在空气导向装置中的位置会降低,当金线下降到第一光纤传感器的视觉范围后,电信号触发,系统控制送线电机顺时针转动,送线进行。此时,金线长度充足后,在压缩空气的作用下,金线又一次被吹开,远离第一传感器,同时电机在金线下一次碰到第一传感器的时间段内处于停止状态。随着焊线的不断进行,金线最终会没有足够的长度,会越过第一传感器,当金线下降到第二光纤传感器的视觉范围后,电信号触发,此时反馈给系统的信息是需要更换金线,因此焊线停止。

如图2所示,是送线机构的单传感器形式。其工作原理是,进线由一个光电传感器控制,传感器基本上能保持线轴和焊线工具之间的焊线恒定长度。当焊线不在传感器感觉范围内时,传感器产生触发信号,系统让送线电机运动起来。当光电传感器感觉到焊线时,或者,在进线最短持续时间之后,送线电机停止运转。压缩空气引导焊线轴和张线器之间的焊线,压缩空气将焊线升起,形成辅助弧线,给在光电传感器探测区域内的焊线定位。只有在不需要焊线的时候,光电传感器可探测到导气里焊线的出现。当有需要时,焊线被卷出传感器之外,这样可以使送线电机运作。当进线足够,压缩空气能将焊线移到传感器探测范围之内,送线电机将停止运行。

送线机构的空气导向装置部分设计采用单传感器模式还是双传感器模式,要根据实际的工作需求来确定。从成本上来说,单传感器模式成本较低,但是对于控制上的要求比双传感器要高很多,控制上的稳定性不如双传感器模式。

2 张线器的原理

张线器是引导并保持从空气导向装置到劈刀的焊线张力。使用压力提高焊线张力。张线器安装在光学系统的垂直照明外壳上。

张线器的张线原理(如图3):气管1吹气,气管2通入压缩空气,张线器张紧金线是通过两个独立的腔体产生的合力来实现的:第一部分由高压气流产生,高压气体经腔体2和楔形口进入腔体1,经腔体1排出,由于气体与金线存在粘滞力,气流运动可以带动金线一起运动,从而使金线向上张紧;第二部分是真空气流产生,外部气体通过腔体5进入腔体4,通过气管2进入封闭的气路,在腔体5中由于气流向上运动,在粘滞力的作用下带动金线向上张紧。通过腔体1和腔体5中产生的合力一起张紧金线。这其中腔体3的作用是隔离两个腔体(由于腔体3的内孔直径与金线直径差不多大,当金线通过腔体3时,金线与腔体3之间的间隙会对气体产生一个较大的阻力,从而阻止从气路1中的压缩空气直接进入气路2中)。

3 设计要点

由于金线硬度低,很容易磨损和折断,所以要求送线路径光滑,尽量避免硬接触,同时路径不能有特别小的弯角。因为金线易磨损,所以运行一段时间后,导向装置会布满粉尘,需要定期清洗,这就要求送线机构必须易于拆装和清洗。另外送线角度要合适,在整个焊线范围内,送线要流畅。同时金线要保持与机壳绝缘,以保证断线检测的准确性。

4 结论

全自动引线键合机是半导体后封装工序中的关键性设备,其性能的好坏直接影响到芯片的最终质量性能。送线机构虽然是全自动引线键合机上比较简单的部件,但是其直接影响到焊线的效率和成功率,因此稳定可靠的送线机构设计是全自动引线键合机性能可靠的最基本要求。

参考文献

[1]何田.引线键合技术的现状和发展趋势[J].电子工业专用设备,2004,33(10):12-14.

[2]中国机械工程学,中国机械设计大典[M].江西科学出版社.

浅谈金线键合第2篇

关键词：引线键合,芯片,键合机

做集成电路成品的几道工序分别是磨片,划片,装片,固化, 烘箱,键合,MC,QC,塑封。金线键合的步骤是拿料,上料, 机器工作,下料,检验。拿料时要根据这台焊线机所做的是哪种产品去拿料,一台机子上不同的产品是不能混用的,不然芯片就会报废,对焊线机也是很不利的。上料也是很有讲究的,一个料盒里的每条料不一定是按一个顺序放的,有些头尾没有放一致就要把那条料抽出来反一下再慢慢放入料盒。上料时一定要认真确认这盒料是否有做过,如果做过了就不能再做了,不然就会双丝。更不能把料条前后颠倒,这样所有的焊线就都反了,那么芯片就又要报废了。在确认以上两点后就把料盒的后出口堵上,防止在机器工作时抖动把料条抖出来。最主要的就是机器工作了,焊线机包括金线机、铝线机、超声波焊线机,而我们所用的就是金线机。焊线机主要应用于大功率器件比如:发光二极管、激光管、中小型功率三极管、集成电路和一些特殊半导体器件的内引线焊接。机器用于实现不同介质的表面焊接,是一种物理变化过程,首先金丝的首端必须经过处理形成球形,并且对焊接的金属表面先进行预热处理,接着金丝球在时间和压力的共同作用下,在金属焊接表面产生朔性变形,使两种介质达到可靠的接触并通过超声波摩擦振动,两种金属原子之间在原子亲和力的作用下形成金属键实现了金丝引线的焊接。

1键合工艺条件

■ 1.1键合机台压力 / 功率

超声功率使焊线和焊接面松软,产生热能,形成分子相互嵌合合金,改变球形尺寸。超声功率对键合质量和外观影响最过小的功率会导致过大,因为它对键合球的变形起主导作用。过大的功率导致根部断裂、键超声功率和键合压力是相互关联的参数,合塌陷或焊盘破裂。

■ 1.2键合时间

键合时间是指控制超声能量作用的时间,通常LED芯片时间设置在8-20ms。

■ 1.3键合温度

键合温度能够帮助移除表面污染物,如潮汽,水蒸汽油等; 增加分子的活跃程度有利于合金的形成。

2金线键合设备相关操作

金线键合设备是使用电火花使金丝端部成球形,然后对金丝和压焊点同时加热加超声,使接触面产生变形或破坏界面的氧化膜使其活性化,最后在IC芯片上完成球焊,在管壳基片上完成。

键合机的键盘:

F1- 大小屏幕的切换(小屏幕:虚拟屏幕,显示一个单元有多少个芯片);F2- 实物图的放大;F3- 虚拟图的放大;F4- 虚拟图的缩小;F5- 将焊头移至中间;F6- 将爪子移动;F7- 空气流通 (有助于金丝穿入劈刀中、劈刀堵了通劈刀、换劈刀用);F8- 线夹得闭合;F9- 开关设备的灯;F10- 调节设备的灯光;MOTOR STOP- 相当于马达开关(假死、死机状态关马达);RUNSTOP设备开始停止;INDEX- 手动抓料;AUTOINDEX- 自动送料作业; ESC- 退出;WIREFEED- 放金丝。

利用F1、F2、F3、F4这四个键在不同情况下随意切换。F5可以在换劈刀、穿丝的时候把焊头拉出来为了方便穿丝和换劈刀。 F6可以利于操作人员穿丝换劈刀。它在设备操作中起的作用是抓料并且把做完的料送入料盒中。在手动抓料和自动抓料中都要用到它。设备的灯,它主要在用在穿丝、装换夹具跟加热块、以及解一些报警可以打开它为了看清楚设备里的东西。

圆片键合方法研究进展第3篇

键合是半导体制造过程中一种不可或缺的技术, 绝大多数电子产品的材料、结构间机械及电气的连接都会用到键合技术。它是把两片完整的圆片, 包括裸片及已经制备好的器件, 通过直接或间接的方法形成良好接触的一种半导体制造技术[1]。

圆片键合是一种把大尺寸圆片材料一次性集成在一起的新兴微电子制造技术, 在IC、微机电系统和封装中的应用日益广泛。

圆片键合方法按照有没有中介层可以分为两类:有中介层键合方法及无中介层键合方法。其中有中介层键合方法包括黏着键合、共晶键合、玻璃浆料键合及热压键合四种。无中介层键合方法包括静电键合/阳极键合和圆片熔融键合/直接键合;若按照温度高低可分为高温键合及低温键合两类。

2 有中介层键合

2.1 共晶键合

共晶键合是让两种金属熔合为合金并固化, 且使其重新凝固后的混合物能形成晶体结构。常用于共晶键合的金属材料有AuSn、AuSi、CuSn、AuGe及AlGe等。共晶键合过程中, 基片上的金属层在特定温度下相互熔合。合金温度决定了合金的沉积量或金属层厚度。金属材料熔化会使金属层在结合面处加速混合及消耗, 并且金属可以形成流体状态从而能使其界面上的区域平坦化。最终能在界面处形成一个稳定的熔融金相。该方法的优点是对键合表面的平整度、形貌和洁净度的要求不高, 即使在表面起伏较大甚至存在颗粒的情况下, 也可以形成良好键合。陈继超等人利用银锡共晶键合技术实现了MEMS压力传感器的气密封装。他们对Ag-Sn共晶键合工艺中3个参数:加热温度、加热时间和静载荷大小做了对比实验与分析。实验结果表明, 温度为230℃、加热时间为15 min、静载荷为0.0039MPa~0.0078MPa时都能达到较好效果[2]。

2.2 黏着键合

黏着键合是使用黏合剂将圆片键合的一种技术。键合时需施加压力并且需对基片加热。常用的黏合剂是环氧树脂。除此之外, 光刻胶, 旋涂玻璃, 聚酰亚胺以及有机硅等也常用做黏合剂。黏着键合在微电子封装中使用较为广泛, 因为其工艺简单并且成本低。但由于其导热、导电的不足, 以及该方法并不能实现完全气密性封装, 故在对可靠性要求较高的微机电系统封中的使用受到限制[3]。黏着键合对于表面厚度偏差、颗粒以及表面粗糙度要求不高, 故不能完全密封, 因此在高温收缩性方面表现较差[4]。

Singh R等对In P进行He离子注入, 并利用SOG玻璃作为中间层对In P和Si进行键合, 成功的将In P层转移到Si上, 厚度为650nm, 如图1所示。In P层表面粗糙度为8nm, 经过化学机械抛光后, 可以作为器件层的衬底[5]。

2.3 玻璃浆料键合

玻璃浆料键合是一种使用玻璃浆料并利用丝网印刷技术来实现键合的技术。通常, 图形化后的浆料厚度为10-30μm, 在每个芯片周围覆盖的环形区域为30-200μm宽。利用烘烤的方法去除多余溶剂后, 再对准晶片进行热压键合。其优点是能实现气密性封装, 且工艺简单, 键合界面特性为大众所接受。但其洁净度不高, 密封圈占用较大面积以及不能实现高精度对准等缺点影响了其使用范围。

2.4 热压键合

在特定温度和压力下实现的金属间键合即为热压键合。热压键合通常有两个键合点。其优点是键合工艺简单且键合牢固, 强度高, 在略粗糙的表面上也能实现键合。缺点是对表面清洁度较敏感, 且温度对元件的影响不能较大。适用于单片式大规模集成电路。

3 无中介层键合

3.1 静电键合/阳极键合

静电键合又称阳极键合, 它可以不用任何粘结剂把玻璃与合金、金属或半导体键合在一起。其工艺如图2所示。将需要键合的硅片接电源正极, 玻璃接负极, 电压设置为500~1000V。然后把玻璃-硅片加热到300~500°C。在电压作用下, 玻璃中的Na将向负极方向漂移, 因此会在紧邻硅片的玻璃表面形成耗尽层。而耗尽层带负电, 硅片带正电, 这样在硅片和玻璃之间就会存在较大的静电引力, 从而使它们紧密接触。外加电压主要作用于耗尽层。静电键合的过程可以通过电路中电流的变化情况来显示。当电流脉冲较大时, 说明刚加上电压, 当电流逐渐减小直至几乎为零时, 则说明键合已经结束。

静电键合的优点是不需要中介层, 键合温度低, 残余应力小、键合强度高, 工艺条件简单, 气密性和可靠性方面也性能良好, 目前广泛应用于微机电系统产品如加速计, 压力传感器及微流体等器件的生产过程[6]。但其使用也存在一定局限性, 这是因为它是一种非集成电路工艺, 存在碱金属离子污染的问题, 并且键合过程往往需要使用高电压。

郑志霞等人运用阳极键合技术, 对绝缘体上硅 (SOI) /玻璃进行阳极键合实验, 从平板式阳极引一根探针电极到SOI器件层表面, 使键合电压直接加在耗尽层上, 避免埋氧层厚度对键合的影响, 提高键合静电力[7]。

3.2 圆片熔融键合/直接键合

圆片熔融键合是把两块表面光滑的硅片在不使用任何中间层材料和粘结剂的情况下经过特殊处理后在特定温度和压力下键合起来的技术。其工艺过程如图3所示。该技术主要用于Si-Si O2、Si-Si, Si O2-Si O2间的键合, 由于该键合过程无需外加电场且与键合材料的点阵参数、晶向及结构无关, 也没有键合热应力问题, 故其原理、方法较简单, 因此广泛应用于微机电系统封装, 例如压电、光电、声电等器件的制造过程。

圆片熔融键合又可分为亲水性键合和疏水性键合两种。何福林等人利用硅片表面的接触角等研究比较了不同清洗方式对硅片亲水性的影响, 并采用红外透视仪及拉伸测试法对键合质量测试比较, 试验结果表明RCA1的清洗处理对硅片表面亲水性提高程度较大, 等离子体处理能够大幅提高硅片亲水性但要严格控制处理时长[8]。

4 低温键合

低温键合是把两片抛光硅片经表面清洁处理后在一定温度和压力下键合的技术[9]。目前, 低温键合法主要有四种: (1) 表面活化低温键合:利用离子撞击作用破坏晶圆表面原有化学键而形成新化学键实现的键合; (2) 真空键合:首先在真空中对两片晶圆实现预键合, 然后在较低的退火温度下实现所需键合强度, 最后完成键合; (3) 中间介质键合:在较低退火温度下, 通过在两晶圆表面涂布低熔点的介质实现的键合; (4) 湿法活化低温键合:利用不同溶液的化学作用在硅晶圆表面增加悬浮键, 以增加硅晶圆表面的活化能实现键合。其中, 真空键合要求环境为真空, 故成本较高, 而中间介质键合不适用高温环境, 对气密性要求良好的封装也不适用。因此, 表面活化低温键合以及湿法活化低温键合较为常用。

葛羽屏研究了使用非光敏BCB的水平式低温晶圆级键合在谐振式压力传感器封装中的应用。这种键合技术工续简单, 成本低, 产量高, 温度低, 可用于玻璃-硅和硅-硅键合[10]。

另外, 王伟等人研究了玻璃浆料在低温下真空封装MEMS器件的工艺。封装过程中, 采用了丝网印刷技术, 丝网的线宽设计为100μm, 印刷后玻璃浆料线宽为160μm左右, 从而能够减小封装器件的尺寸, 节省成本;另外, 对玻璃浆料键合工艺做了研究, 找到了较好的工艺条件, 采用该工艺 (预烧结温度425℃, 键合温度430℃) , 得到的封装结构具有较高的封接强度 (剪切力>20kgf) 和良好的真空度, 测得的漏率为10-9cm3/s[11]。

5 结语

圆片键合是一种新兴的半导体制造技术, 发展迅猛。目前在三维微结构的集成、新材料制备、IC和MEMS器件的生产和封装上都得到了广泛应用。越来越多的研究机构参与到圆片键合的研究中来, 各大公司也加大了对键合技术的投入, 并积极研制相应的设备。这些迹象都表明, 圆片键合是一项具有光明前景和强大竞争力的微加工技术。本文对圆片键合的各种方法进行了分类, 并对其适用环境和优缺点进行了分析, 于此同时还对各种改进方法进行了总结, 为圆片级键合的应用和设计提供了可靠的思路。

参考文献

[1]李和太, 李晔辰.硅片键合技术的研究进展[J].传感器世界, 2002, 9:6-10.

[2]陈继超.利用银锡共晶键合技术的MEMS压力传感器气密封装[J].纳米技术与精密工程, 2013, 3 (2) :174-178.

[3]C-T Pan, H Yang, S-CShen.A low-temperature wafer bond-ing technique using patternable materials[J].Micromech Micro-eng, 2002, 12:611～615.

[4]Shari Farrens, SUSS MicroTec.晶片键合基础介绍[J].集成电路应用, 2007 (5) :52.

[5]Singh R, Radu I, Scholz R etal.Low temperature InP layer transfer onto Si by helium in plantation and direct wafer bonding[J].Semicond Scitechnol, 2006, 21 (9) :1311-1314.

[6]何国荣, 陈松岩.Si-Si直接键合的研究及其应用[J].半导体光电, 2003, 24 (3) :149～153.

[7]郑志霞.埋氧层对SOI/玻璃键合的影响及其键合工艺的改进[J].厦门大学学报 (自然科学版) , 2012, 11 (6) :1011-1015.

[8]何福林.低温直接键合硅片亲水性及其键合效果评价[J].航空精密制造技术, 2011, 47 (3) :40-43.

[9]王凌云.基于干湿法活化相结合的硅-硅低温键合[J].厦门大学学报 (自然科学版) , 2013, 3 (2) :165-171.

[10]葛羽屏.MEMS低温圆片级键合密封工艺研究[J].压电与声光, 2013, 2 (1) :105-107.

硅硅直接键合界面杂质分布研究第4篇

键合技术 (Bonding Technology) 是伴随集成电路和微机械的发展而出现的一种加工技术。键合是指不利用任何黏合剂, 只通过化学键和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密结合在一起。键合界面具有良好的气密性和长期的稳定性, 应用十分广泛, 是微电子机械系统 (MEMS) 封装中的基本技术之一[1]。

直接键合技术是指两硅片通过高温处理可以直接键合在一起, 不需要任何粘结剂和外加电场, 工艺简单[2,3]。硅硅直接键合技术的特点是不使用黏合剂, 依靠硅片表面的化学键相互连接。如果硅片在键合前使用等离子体活化表面, 则在真空低温条件下就可以实现较高的键合强度[4,5]。

硅硅键合可以代替传统的深扩散和厚外延工艺, 制造的功率器件能够使实现高的击穿电压。与厚外延材料相比, 由于键合经历的热处理时间短, 处理温度较低, 因此硅片的性能没有受到较大破坏, 杂质再扩散较轻, 器件性能容易得到提高[6]。

就功率器件而言, 当键合界面有电流通过时, 界面处的杂质分布必定会对器件的电学特性产生影响;对MEMS结构而言, 杂质再扩散对后续自停止腐蚀等工艺也会产生影响。因此, 有必要对键合界面处的杂质分布情况进行研究。目前, 这方面的研究很少, 而且在文献[7,8]中模拟的键合温度较高, 与当前流行的低温键合略有出入。这里使用集成电路模拟软件T-SUPREM 4建立了键合工艺的模型。该模型可以使键合工艺与集成电路制造工艺的模拟相结合, 以有利于MEMS与IC电路的集成化设计。使用该模型对500 ℃温度下直接键合过程中杂质的再扩散进行了模拟, 并与实验结果进行了比较。

1 模型的建立

二维集成电路芯片工艺加工模拟系统T-SUPREM (Stanford University Process Engineering Model program) 可以对硅集成电路的平面工艺进行全工序、全参数的按顺序加工的二维模拟, 也可以进行单工序、单项参数的模拟。但是T-SUPREM却不支持对键合工艺的模拟, 所以要对模拟的键合工艺做一些改进, 建立一个适合T-SUPREM模拟的模型。

这里需要进行模拟的键合工艺有:N型硅片和P型硅片的键合。其中, N型片电阻率为0.02～0.008 Ω·cm, 厚度为425 μm, P型片电阻率为20～50 Ω·cm, 厚度为500 μm。由于P型硅片的厚度为500 μm, 后来的砷杂质扩散只影响P型硅片表面几十微米处的杂质分布, 同样硼杂质扩散也只影响N型硅片表面几十 μm处的杂质分布。因此建立如下模型:在厚度为200 μm, 电阻率为0.02～0.008 Ω·cm的N型衬底上外延生长100 μm厚, 电阻率为20～50 Ω·cm的P型外延层, 然后进行热处理。同时, 由于在500 ℃以下的温度时, 可以忽略介质界面或体内的杂质再分布行为, 所以选择的退火温度为500 ℃。

2 模拟实验及结果

实验目的:分析P型硅片与N型硅片界面处的杂质分布及其随温度的变化关系。器件结构模拟网络如图1所示, 在500 ℃下热处理1 h杂质分布曲线如图2所示;退火4 h杂质分布曲线如图3所示。

实际上, 使用的键合较多为亲水键合, 在键合界面处会存在一层厚度为2～3 nm硅氧化层, 这层氧化层会阻碍杂质的再分布, 使得PN结的偏离变弱。下面使用SUPREM软件对这种结构在进行热处理时的杂质再扩散进行模拟。由于氧化硅层厚度只有3 nm, 所以在图中只是一条黑线, 如图4所示。

原始的杂质分布曲线如5所示, 热处理1 h后的杂质分布如图6所示, 热处理4 h的杂质分布如图7所示。

3 结果分析

这里的重要工作是使用T-SUPREM软件建立直接键合工艺的模型。通过模拟得出结论:在500 ℃条件下进行热处理, 1 h后杂质再分布曲线已基本确定, 在其后的热处理中杂质分布基本没有变化。同时, 可以看到, 如果没有界面氧化层, PN结偏离键合界面的距离约为1.2 μm, 然而在实际键合界面处存在一层厚度为2～3 nm的氧化层, 所以对这种结构又进行了模拟。模拟结果显示, 由于这层氧化层的存在, PN结仅偏离键合界面0.8 μm左右。这与文献[9]中得到的结果基本吻合。这样形成的PN结就避免了界面势垒对电学特性的影响。例如, 在PN结中, 其反向电流为[10]:

$J = \frac{q n_{i}}{2 τ_{Ρ}} (\frac{2 ε ε_{0} V_{A}}{q Ν_{D}})^{1 / 2}$

因为PN结已经偏离键合界面, 所以它使杂质和缺陷远离PN界面, 且使τP增大, 即少数载流子寿命加长, 功率器件特性得到改善。但如果杂质扩散的太深, 杂质分布明显偏离突变PN结, 使I区的串联电阻增大, 这将使电子器件的性能降低。当氧化层厚度不超过3 nm时, 载流子主要是靠隧道效应通过界面, 不会影响电流的传输。

4 结语

由上述分析结果可得结论:使用低温硅片直接键合技术制造的功率器件, 由于键合温度低, 且在界面上存在一层非常薄的氧化层, 杂质扩散深度很小, 这样不仅使器件结构不会改变太大, 又能使器件特性得到了改善。

参考文献

[1][美]徐泰然.微机电系统封装[M].姚军, 译.北京:清华大学出版社, 2006.

[2]黄庆安.硅微机械加工技术[M].北京:科学出版社, 1996.

[3]Tong Q Y, Gosele U M.Semiconductor Wafer Bonding:Sci-ence and Technology[M].John Wiley&Sons, 1999.

[4]肖岩, 茅盘松, 袁?.用氧等离子体激活处理的低温硅片直接键合技术[J].半导体技术, 1999, 24 (5) :19-22.

[5]Tong Q Y, Gan Q, Fountain G, et al.Low-temperatureBonding of Silicon-oxide-covered Wafers using Diluted HFEtching[J].Journal of Applied Physics, 2004, 85 (14) :2 762-2 764.

[6]Ohashi H, Furukawa K, Atsuta M, et al.Study of Si WaferDirectly Bonded Interface Effect on Power Device Characte-ristics[A].Proc.Int.Electron Device Meeting[C].USA, 1987, 33:678-681.

[7]张佩君, 黄庆安.硅片直接键合杂质分布的模型与模拟[J].半导体学报, 2003, 24 (8) :887-891.

[8]陈新安, 黄庆安.Si-Si直接键合的杂质分布[J].半导体学报, 2006, 27 (11) :2 051-2 055.

[9]陈军宁, 黄庆安, 张会珍, 等.硅硅直接键合的界面杂质[J].固体电子学研究与进展, 1993, 13 (1) :35.

内引线键合强度及一致性研究第5篇

引线键合技术广泛地应用到半导体生产工艺中, 它是将半导体器件上的电极与封装外引线相连接的工艺手段。目前在硅半导体传感器封装工艺中, 引线键合主要采用金丝球压焊与硅铝丝压焊, 作为保证元器件质量与可靠性的关键工艺, 传统评估方式是首件检验, 即按工艺文件要求, 测量首次键合样件引线的拉力强度 (为破坏性拉力试验) , 拉力强度达到工艺文件要求即认为工艺参数合格, 然后进行批次键合操作。该方式只是对工艺的最终结果进行评定, 以“合格”作为判据, 工艺运行状态与工艺水平对产品的质量与可靠性的影响并未体现, 而统计过程控制工序能力指数CPL能够提高并有效解决合格产品的一致性稳定性。

1. 实际工序能力指数

若一工艺参数X的总体服从均值为μ、标准差为σ的正态分布, X~N (μ、σ2) , 若定期抽取容量为n的子样x1., …, xn., 可得每组样本的均值和标准差为:

若只有对规范下限TL的要求, 按下式计算工序能力指数CPL:

如果工艺参数匀值μ小于规范下限TL, 则CPL为零, 表示完全没有工序能力。传统工业生产对工序能力指数的评价如表1:

2. 引线键合强度存在的问题的机理分析

我们在实际生产中查阅了这样几组数据, 操作者所使用的30μm金丝, 键合引线拉力强度如图表2所示, 用C的分析方法进行计算分析:

通过对上表分析, 工序能力指数CPL低于或接近正常标准, 内引线键合强度是离散性大, 在生产能力不足范围内。

主要原因是多方面的。首先受操作者技能及熟练程度的影响。从具体情况来看, 李×工序能力指数CPL为0.8, 低于正常标准, 有几组键合强度拉力值稍高于下限规范标准4.5mg, 整体数值偏低一致性较差, 键合点变形大小不一致, 键合点变形大生产后果是焊点压扁, 引线键合强度降低。主要原因是功率、压力过大, 时间过长引起;其次劈刀与键合面之间距离过高, 实际操作中一般距离为0.13mm (大约一个金球) , 相反键合点过小, 键合接触端面小, 附着力降低也会造成引线键合强度下降;技术能力需要提高;赵×工序能力指数CPL接近正常标准, 从实际操作来看, 虽然键合强度拉力平均值高于李×, 但是也有几组键合强度拉力值稍高于下限规范标准4.5mg, , 有塌丝现象发生, 主要是尾丝过长造成的。熟练程度需进一步加强。其次由于受设备、工艺条件以及操作技能的影响, 30μm金丝内引线键合强度普遍存在4.5~9.0之间, 而且有1%的在芯片焊点处脱开, 8%左右从管座焊点处脱开, 不能很好地满足工艺文件的要求。

3. 解决的方法及途经

提高键合强度的一致性主要从五大因素来着手解决:

(1) 操作人员:人员要定期培训实行质量考核, 不断提高操作技能。操作人员要根据不同的芯片、引线柱等因素表面状态调整键合参数, 使之达到最佳组合, 保证机器处于稳定状态。

(2) 机器设备方面:经常对设备进行监控维修;键合设备相关参数相对稳定, 根据不同的芯片调整键合机的各项参数达到最佳组合;根据不同规格的劈刀调整相应的参数值;引线的直径对机器参数的影响也不可忽略。

(3) 材料方面:金丝和芯片键合表面的氧化层等因素直接影响键合质量;管座镀层质量直接影响键合强度;封装外壳表面玷污;放置时间过长引起氧化是影响内引线和外壳引线键合质量的重要因素;硅铝丝表面极易氧化和吸附, 适当的保存是必要的;对不同厂家的金丝铝丝进行拉断力实验, 从中选出质量好的产品用于生产。

(4) 方法:正确有效的工艺文件及操作文件是质量管理的前提, 它不仅能正确有效地指导操作者进行操作, 还能够使其明白质量要求及标准。

(5) 环境:要想生产出高可靠高性能的产品, 必须提供一个高清洁的生产环境。若清洁度过低就会使金丝、硅铝丝及管座镀金层玷污进而影响到键合质量, 因此内引线键合质量需要洁净度较高的环境。

提高键合强度的一致性主要从五大因素来着手解决之外, 细节问题不可缺少。

劈刀状态监控:

保持劈刀端面光滑使焊点完整不缺损, 要求操作人员对工作要细心, 定期及时更换劈刀;保持劈刀清洁度, 经常清洗劈刀, 一般用丙酮超声清洗2分钟。

工装夹具的适用性:

保证工装夹具与键合产品相匹配使之稳固不松动, 只有这样键合的产品状态才能够稳定。

4. 结论

在生产过程中, 通过对键合工序的生产状态实施控制, 以及对操作者技能培训, 工序能力指数CPL≥1, 工艺评价尚可, 工序能力指数的应用及时发现和解决生产中出现的键合偏差问题, 使键合的工艺水平得到很大提高;键合的质量达到稳定, 保障了科研生产的顺利进行。

参考文献

[1]贾新章.统计过程控制与评价—C P K、SPC和PPM技术

自动键合第6篇

本文着重讨论将系统键合图模型有规律地转换为系统方块图, 进而利用Matlab实现对键和图模型的仿真。从而实现利用键和图分析系统动态性能方法的可行性。

1 键和图建模方法

该方法的核心思想是认为一个工程系统的动态过程是其功率流在特定激励作用下重新分布与调整的过程[2]。

此方法为分析研究人员进行系统动态特性分析提供了极大的方便, 因为它对功率流描述上的模块化结构与系统本身各部分物理结构及各种动态影响因素之间具有形象的一一对应关系, 便于理解其物理意义。

2 键和图与方块图的转换方法

如表1所示, 每一种因果关系的R、C和I分别对应一个方块图单元;而TF和GY分别与两个方块图单元对应;0-结、1-结分别对应于一个加法点和一个分支点。

3 键和图仿真软件介绍

能实现键合图自动建模和仿真的软件中, 有一些商业软件如20-sim、ENPORT、CAMP2G等[3], 这些软件只需以绘图的方式输入键合图, 可以大大地节省时间, 但这些软件的价格比较昂贵。而Matlab是一套高性能的数值计算软件, 具有易学易用性和高效性。本文讨论将键合图模型如何方便地转换为在控制工程领域中的方块图, 从而利用Matlab强大的可视化功能以及Simulink工具箱等, 实现对键和图仿真系统的设计。

4 实例分析

图1表示碰撞缓冲过程中火车的模型, 设该列车由一个火车头和两节车厢组成。

4.1 系统键和图模型的建立

设质量块M1和M2的质量为2kg, 弹簧k1、k2、k3的弹性系数为4N·s/m, 外力F (t) 为-9.8N。设M1、M2、M3的绝对速度分别为v1、v2、v3, 地面的速度为vg。

(1) 为v1、v2、v3、vg以及v12、v23、v3g建立一个1-结。并在各个1-结之间键接0-结, 标注功率流方向。

(2) 将M1、M2、M3分别键接在v1、v2、v3的1-结上;将F (t) 键接在v1的1-结上, 将vg键接在vg的1-结上。将C元件和R元件分别键接在v12、v23、v3g的1-结上, 并标注功率流方向。

(3) 进一步简化键合图, 并标注合适的因果关系, 如图2所示。

4.2 系统方块图模型的建立

该系统键合图有两个0-结和六个1-结, 根据功率流方向建立八个加法点, 再根据各键合图元的因果关系和表1的键合图元与方块图的转换规则, 画出各个方块图单元如图3所示。

4.3 仿真结果

如图4所示, 设定仿真时间为50s, 得到三个质量块速度随时间变化以及在外力F作用下相对于它们初始状态的速度和位移变化。

5 结语

本文介绍了键和图理论和键和图模型仿真软件, 提出结合键和图模型的特点, 无需人工推导其状态方程, 可方便地进行键和图到方块图的转换, 从而完成Matlab/Simulink仿真模型的建立, 实现基于键和图模型的Matlab仿真。

针对键和图建模理论和其仿真软件尚处于不断完善的阶段, 可在本文的基础上, 对更多的实际控制系统进行键和图模型建立;对可以直接输入键和图模型进行仿真的软件进行开发。

摘要：研究用一种新型的建模方法——键合图法建立系统的过程模型, 提出根据系统键合图模型, 完成与方块图模型的转换, 进而利用Matlab的强大仿真功能实现键和图仿真。结合实例将该方法应用到碰撞缓冲的火车系统中, 验证了该方法的有效性。

关键词：键合图,过程模型,方块图,Matlab仿真

参考文献

[1]王中双.键合图理论及其在系统动力学中的应用[M].哈尔滨工业大学出版社, 2007.06.

[2]李利, 樊志新, 宋宝韫等.面向功率键合图的通用仿真软件的研究[J].计算机仿真, 2000, 17 (7) :47-51.

自动键合第7篇

由于金材料具有优良的导电性能和抗氧化能力, 因此陶瓷表面贴装器件的内涂覆和外涂覆均主要采用金作为涂覆层, 而内引线均采用铝丝焊接, 因此在内引线焊接过程中不可避免的存在金铝键合的问题, 而金铝键合固有的柯肯德尔效应 (白斑效应、紫斑效应) 始终是影响产品可靠性的一大隐患。

1 金铝键合失效原理

金铝两种金属在键合初期会形成少量的IMC (IMC广义上说是指某些金属相互紧密接触的界面间会产生一种原子迁移互动的行为, 组成一层类似合金的化合物。这里特指金铝键合面存在的金铝化合物) 。少量的IMC对界面键合强度起一定的强化作用。然而, 随着使用时间的增加和温度的升高, IMC会不断增加和转化。当IMC过多时, 其键合强度会显著降低、变脆并引起焊点接触电阻变大。同时脆性的IMC会使键合点在受周期性应力作用时引发疲劳或浅变破坏, 最终可导致器件的电性能退化甚至失效。

相关研究表明, 随着铝膜厚度的不同, Au/AI系统金铝问化合物形成的动力学机制将略有不同, 但普遍认为:Au/AI系统键合及老化后, 可形成Au Al、Au5A12 (俗称白斑) 、Au4A1、Au Al2 (俗称紫斑) 、Au2AI、Au2Al3和Au3A12等多种IMC。其中Au5A12随着老化时间的增加, 会向Au2A1转化并伴有Au4Al中间相, IMC厚度不断增加, 最后形成Au2Al。Au2Al上面为蜂窝状存在的Au3A12, 其中也存在很薄的Au4AI相。

2 键合可靠性提升方案及优劣对比分析

为彻底解决陶瓷表面贴装器件的金铝键合隐患, 我们拟定了三套提升方案并进行了优劣对比:

(1) 选用局部镀镍零件, 直接形成铝镍键合。

优点:厂家使用方便, 只需在压焊工序进行适当的参数调整。

缺点:零件供应商在工艺处理上存在一定难度, 供应商不愿意进行特殊生产。

(2) 选用内部镀金层厚度小于0.3μm的薄金零件, 以实现内引线与薄金层下的镍层熔合形成铝镍键合。

优点:零件供应商适当调整镀金工艺, 控制镀金层厚度即可, 生产厂家也可直接使用该类零件。

缺点:零件供应商对金层厚度的控制不准确, 生产厂家工艺控制难度也比较大, 无法保证产品键合时100%玻璃表面金层而与底面镍层牢固键合。

(3) 设计并制作合适的镀镍过渡电极片, 然后烧制在零件内部的焊接区域, 直接形成铝镍键合。

优点:过渡电极片制作简单可实现自制, 不仅制作进度和镀层质量可控, 同时可根据生产需要临时制作所需的过渡电极片并及时使用, 可有效降低前处理和工艺调整的难度。

缺点:生产厂家将增加过渡电极片的烧制过程, 生产效率会降低。

根据上述三种方案的对比情况, 同时结合生产实际情况, 最终选择自制过渡电极片进行烧制的第三套方案。