绝缘金钯铜线应用于( Ultra-Low-Loop) ULL线弧封装工艺和验证改进流程
绝缘涂层金钯铜键合线
一、产品介绍
绝缘线的一个关键潜在的应用在低于50um线弧高度的超低线弧(ULL)应用。由于在如此低的线弧高度下，临界线弧弯曲将发生在键合的球颈区域，该区域在EFO火花放电期间受到高能量的影响，由于绝缘层的部分击穿或弱化以及在球颈区域产生的弯曲应力，这可能导致键合线上的绝缘涂层局部剥离。较厚的绝缘涂层可能会使ULL的应用更加复杂，较厚涂层材料的急剧弯曲几乎没有延展性,键合线与劈刀内壁的不均匀接触也开始出现，并因此导致局部绝缘材料剥落，如文中所示。我们还研究了各种线弧剖面，以评估ULL应用的任何改进。绝缘键合线在超细间距键合如图1所示:
绝缘线的另一个具有挑战性的应用是在传统的stitch bond on bump（SBOB）工艺中。凸起球的平滑运动会导致绝缘材料在劈刀尖端的过度聚积，导致劈刀快速堵塞。由于劈刀寿命的缩短而导致生产成本增加。当绝缘涂层变得更厚时更是如此。同时，在第二焊点之前残留在凸起球表面的绝缘材料会引起键合粘附，可能导致凸起球上的stichtbond的可键合性和可靠性会变差。
同时，对绝缘涂层厚度与BDV进行表征处理，以建立优化的绝缘厚度。当绝缘层应用于更广泛的键合领域时，绝缘层的厚度变得更加重要。在细间距和关键引线键合工艺中，绝缘涂层本身或所用键合工艺的任何变化都会影响绝缘线的整体稳定性和可键合性。评估各种绝缘厚度的可键合性、电气绝缘性和引线键合质量方面的性能。最终，根据击穿电压(BDV)建立了一个新的绝缘厚度参数窗口，能够满足所有要求。
总之，绝缘线的各种键合技术的发展拓宽了绝缘键合线的应用领域。通过详尽的键合工艺参数优化和击穿电压（BDV）的表征，成功地提高了新型绝缘引线键合技术的可行性。这标志着绝缘引线键合技术应用上的又一次重大进步。
二、绝缘金钯铜线涂层厚度评估
有机涂层厚度是一个决定绝缘线整体性能的关键参数。较厚的涂层能够在键合线接近时提供良好的电气隔离。然而，涂层厚度的增加可能会引起键合问题。绝缘涂层厚度的优化是在电气绝缘性和键合性能之间的平衡，这对于细线尤其重要。目前没有直接的方法来测量绝缘层的厚度，但采用了一种间接方法，即测量绝缘层的击穿电压(BDV)。对不同涂层厚度的18um绝缘涂层金钯铜线进行了多组评估，涂层厚度范围从(T-12)V到(T+32)V BDV，研究了不同绝缘层厚度下的键合性能、电气绝缘性和键合质量。这项研究是在NXP的TBGA电气功能测试平台上进行的，通过对键合线弧参数重新编程，使得相邻键合线在跨距区域产生物理接触之后，对键合样品进行了多种输出测量，包括sticth bond 拉力强度和开短路测试(OST)，以评估键合性能和电气性能。
在样品键合过程中，除了最厚涂层样本(T+32)V BDV外，其他所有不同绝缘厚度的样品都没有遇到问题。在(T+32)V BDV线样品键合时遇到了严重的NSOP问题。分析表明NSOP是由异常的自由空气球(FAB)问题引起的。过厚的涂层作为屏障，阻止了足够的EFO能量完全熔化键合线，从而导致FAB形成不当。图2显示了其他涂层厚度样品的sticth bond 拉力强度测量结果。根据分析，在(T-12)V到(T+20)V BDV范围内，不同涂层厚度的线样品的sticth bond 拉力强度没有显著差异。由于所有样品都是在相同的键合参数下键合的，并且在样品键合过程中没有遇到诸如NSOL和短线尾等问题，这表明(T-12)V到(T+20)V BDV的涂层厚度范围对第二焊点的键合性能没有显著影响。然而，涂层厚度的进一步增加可能会导致FAB形成和NSOP问题。
不同涂层厚度从(T-12)V到(T+20)V BDV的绝缘线的开短路测试(OST)结果如图3所示。正如预期的那样，随着涂层厚度的减少，OST短路失败率增加。当涂层厚度低于(T)V时，观察到了电气短路失败率的急剧增加。另一方面，对于(T+14)V BDV及以上的涂层厚度，没有遇到电气短路失败。基于评估结果，为了使键合线接触时获得有效的电绝缘，涂层厚度至少需要保持在(T+14)V。为了确定(T+20)V以上涂层厚度的键合性能，并建立涂层工艺的制造工作窗口为±5V，得到最佳的涂层厚度对应的BDV是25V±5V。泰豐瑞電子目前正在优化键合线涂层工艺，以提高涂层厚度的一致性，目标是保持较低的涂层厚度范围，以实现更好的键合性能和减缓劈刀上涂层残留物的积累速度，同时确保相邻键合线具有足够的电气绝缘能力。
随着电子器件在功能复杂性和尺寸缩减方面的快速发展，超低线弧（Ultra-Low-Loop, ULL）目前被广泛应用于键合领域。然而，在某些应用中，对于金线或铜线的ULL仍然具有挑战性。针对不同的线径，线材的机械性能做出调整，以便能够在批量生产中一致地达到较低的弧高，同时避免在弯曲过程中过度拉伸球颈部。此外，具有较短热影响区（Heat Affected Zone, HAZ）的线材更适合于ULL线弧应用。在形成球形（FAB）的过程中，HAZ内的线材会再结晶，形成较大的晶粒，从而使得键合线强度降低。在形成ULL时，大部分的弯曲发生在HAZ内，因此较短的HAZ对于提供较低且一致的ULL至关重要，以避免键合线球颈部损伤。
三、绝缘涂层金钯铜线超低线弧可行性研究
至于绝缘涂层钯铜线而言，虽然对于铜或钯铜线没有明确界定的HAZ，但是额外的绝缘涂层在弯曲过程中起到了“屏障”的作用，因为绝缘材料本身几乎没有延展性。由于弯曲应力导致的绝缘层表面划痕或剥落会损害线材的绝缘能力。因此，在这项研究中，评估了在形成线弧过程中的各种因素对绝缘层表面损伤程度的影响。
泰豐瑞電子生产的18um金钯铜线与KNS iConn LA键合机一起使用。采用了ULL4线弧参数设置。通过扫描电子显微镜（SEM）检查，可以明显看到如图4（顶部图片）所示的球颈拉伸现象，这是由于在形成线弧过程中线材放线不足导致球颈部区域过度拉伸造成的。一旦在折叠运动中增加了更多的放线动作 ，这种拉伸痕迹就被成功消除，如图4（下方图片）所示。在此设置下，使用两种不同的BDV线材也能够实现2mils的目标弧高，同时最小化的高度变化，如图5所示。
然而，在上述设置下，在光学显微镜检查下清楚地观察到线跨距表面上的绝缘层划痕和剥落，并且在SEM下也得到证实，如图6所示。形成弧线期间，劈刀尖端内壁与焊线表面之间沿XY方向的摩擦阻力会导致擦伤或剥落。为了避免绝缘层损坏，增加了Z轴折叠放线动作。一旦Z轴折叠放线增加，划痕大大减少。然而，它在减少剥落方面没有明显的效果。因此，只要在形成线弧过程中有XY轴运动存在，导致剥落的摩擦阻力几乎是不可避免的。因此，在随后的优化研究中，折叠XY运动被完全移除，从基础运动直到折叠Z轴运动结束，不涉及XY轴运动。表1显示了在没有XY移动的情况下应用的一些关键弧线参数。负弧线因子的增加使弧线高度保持在2mils左右。下面的在所研究的所有设置中，仍然可以看到轻微的绝缘层划痕，但是已经显著减少，如图7所示:
除了线弧参数优化，其他因素的影响，如绝缘层厚度和劈刀几何形状也进行了研究。根据BDV值，对具有不同绝缘层厚度的两轴18um绝缘涂层金钯铜线进行了评估，以比较键合线表面划痕和剥落严重程度的差异。更高的BDV意味着更厚的绝缘层，因此键合线更难进行适当的弯曲以获得所需的线弧形状和线弧高度。在表1中列出的线弧参数下，可以看出，对于具有(T)V BDV的较薄绝缘层，仅观察到轻微的剥落，但是对于具有(T + 14)V BDV的较厚绝缘层，观察到更严重的剥落，如图8所示。为了进一步减轻劈刀内壁和线表面之间的摩擦阻力，需要探索其他的替代方案，使用具有双IC劈刀，观察到的轻微擦伤/剥落被完全消除。
四、绝缘涂层金钯铜线SSB可行性研究
除了绝缘涂层金钯铜线在ULL应用中的挑战之外，另一个潜在的挑战将是芯片到芯片的键合应用。K&S键合机中的Stand-Off-Stitch-Bond键合(SSB)工艺通常用于管芯-管芯键合。成功的SSB键合的第一步是获得良好且一致的凸球点。凸起球的表面必须足够光滑和大，以便随后进行SSB键合。分离高度、成球高度和平滑距离是优化过程中的一些关键成球参数。略低的凸起高度有助于使凸起球平台更大；稍长的平滑距离有助于凸起球表面更平滑。来自这些设置的凸球图像在图9中示出，设置参数1应用于随后的键合测试。利用传统的凸球平滑作用形成凸球可能会导致绝缘涂层材料在劈刀尖端快速堆积，并最终快速堵塞劈刀。如图10和图11所示，由于平滑作用而在凸球表面上的绝缘残留物可能导致在凸球表面上的Stitch-Bond键合困难，并因此导致凸球上的Stitch-pull拉力强度变小和Stitch-pull较少鱼尾残留。
利用“双重平滑”的凸球平滑优化稍微改善了凸球上的最小拉力，因为该工艺完全平坦化了“凸球平台”,并且最小化了Stitch-Bond键合的“台阶”绝缘层接触表面(如图12所示)。然而,“双重平滑”工艺意味着在执行平滑运动时，劈刀尖端与绝缘层的接触更多，因此绝缘层在劈刀尖端堆积速度也会更快。
此外，较厚的绝缘层很可能意味着甚至更多的绝缘层残余物会留在凸球的球表面上，并且由于劈刀尖端在相对较大体积的绝缘材料上做平滑运动，尖端上的涂层累积速率会更快，从而缩短劈刀的寿命。这将降低绝缘线在涉及SSB工艺的成本优势。
通用基板是恩智浦在半导体组装封装技术方面的创新之一，旨在简化封装配置，从而大幅降低成本，预计比当前BGA材料成本至少降低50%。这个概念是以使用一种标准的基板设计，并迎合多种器件/产品，如图13所示。因此，它减少了基板设计周期，同时降低了基板单位成本。然而，该想法需要使用绝缘线，因为不再需要基板中的器件特定的键合轨迹布线，并且如图14所示，可以自由布线。
为实现通用基板的引线键合工艺，对基板材料、基板制造工艺、设计配置、引线键合夹具设计等进行了一系列改进。使用来自泰豐瑞電子绝缘涂层键合线来执行引线键合参数优化，并且早期的TBGA绝缘引线键合参数被用作优化的基础数据。初始引线键合评估显示出积极的结果，没有遇到诸如焊盘不粘(NSOP)、引线不粘(NSOL)和引线短线尾等工艺问题。如图15所示，球焊和第二焊点的形成都是良好的，没有任何异常。
使用当前生产的绝缘涂层金钯铜线重复评估，以比较两种类型线的键合性能，尤其是第二焊点的键合性能。sticth bond 拉伸强度测量表明通用衬底具有与早期绝缘引线键合的TBGA有类似的sticth bond 拉力强度性能。最小sticthpull强度超过了0.7mil键合线的规格要求。如图16所示，与Pd涂覆的键合线相比，在通用基底绝缘键合线上可以观察到约25%的sticth bond 拉力强度的降低。将进行进一步的评估，采用较大批量样品运行来验证引线键合配方的可靠性和封装应力的可靠性性能。
五、结论
除了BGA和QFP封装上的传统引线键合工艺之外，绝缘线在其他引线键合工艺应用上也取得了重大进展，例如ULL、SSB和通用基板。通过各种工艺、材料和机器/工具的优化，使用绝缘线涂层键合线的这些应用是可行的。将进行进一步的工艺微调，以建立大批量生产能力。在这些新领域中，决定绝缘引线键合配方稳定性的关键因素之一是应用是绝缘涂层厚度。通过键合线涂层评估，我们了解到涂层厚度需要保持在一定的最小厚度，以获得完全的电气隔离。
然而，较厚的绝缘层会导致一些问题，例如ULL弯曲过程中的剥落、SSB工艺中较低的拉力、较快的劈刀残留物堆积速率以及严重情况下不适当的FAB形成。目前正在进行进一步的优化工作，旨在减少涂层厚度的变化。这将有助于保持较低的涂层厚度的工艺参数窗口，以获得更好的引线键合工艺和可键合性，同时保持键合线接触时有足够电气绝缘能力。通过这些不懈的努力来改进绝缘涂层键合线及其键合工艺，越来越多的绝缘涂层键合线的应用将得以实现，并且对于大批量应用是可行的。
