18μm绝缘涂层钯铜键合线TBGA封装开发与验证实验
一、键合验证样品与结果概述
本次验证确定适用于Tape Ball Grid Array（TBGA）封装的最佳引线键合工艺和涂层材料配方，这标志着我们首次尝试使用18微米的钯铜（Pd Cu）线来实现47微米键合间距（Bond pad Pitch, BPP）的大规模生产能力。图1验证样品示意图
本研究涉及4个关键因素的表征和优化:键合劈刀、等离子体清洗、涂层键合线的涂层和引线键合机的键合参数。 通过一系列的评估和DOES，根据引线键合的完整和可键合性，在每个因素上建立了优化的参数。所有优化的设置后来都被集成并进行了 HVM (high volume manufacturing)运行。从 HVM验证中，所有引线键合质量要求都得到了满足。引线键合MTBA超过2小时，并成功通过了工业级封装可靠性应力测试，没有电气故障。
二、绝缘涂层键合线产品介绍
1.由于键合的灵活性，无需担心线短路，绝缘线在焊线布局设计中提供了完全的灵活性，这导致芯片尺寸减小，因为焊盘不再需要布局芯片的外围边缘，绝缘引线键合工艺的阵列引线键合还提供了基板和引线框设计的灵活性，这反过来又实现了基板/引线框的标准化，从而降低了加工成本投资，节约成本的好处。目前还在开发评估绝缘线技术的可能性，以提高产品的电气性能。由于导线能够相互接触而不会造成短路，这一特性可以根据器件要求产生或增强电容效应。如图2所示。
2.有额外绝缘有机涂层的键合线，键合时对形成IMC有一定的阻碍作用，从而抑制了良好键合的形成。键合线与引脚之间的接触区域仅限于第二焊点键合线尾区域或鱼尾边缘，导致键合强度较弱。研究表明，使用绝缘金线的基本键合产生的键合拉力比裸线要小。而当使用更硬的键合线，如铜线或钯铜线时，这种键合拉力减少更为显著。研究还表明，在变形区域中心的涂层材料没有出现裂纹。
3.图3展示了18微米绝缘钯铜线与非绝缘钯铜线的键合拉力强度比较，结果显示绝缘钯铜线的键合拉力强度显著低于非绝缘钯铜线。通过劈刀的特殊运动（线尾研磨），实现了机械磨擦，进一步提高了键合拉力强度。使用特殊磨砂表面设计的劈刀TIP尖端，可以有效地在第二次键合时撕开键合线的绝缘层。然而，过度的机械研磨会导致相对不稳定的第二焊点键合切线尾的过程，导致过早的切线尾，因此对于下一个电弧放电（EFO）键合周期，线尾长度过短或无线尾。因此，绝缘线的第二焊点键合工艺窗口比裸线要窄：温和的第二焊点键合参数设置可能导致由于存在过多有机涂层而形成金属化合物（IMC）不足的NSOL问题。
4.另一方面，更强的第二焊点键合参数设置会导致短线尾或EFO问题，这是由于过早的切线尾造成的。未优化的工艺会导致过多的键合过程停机，或者MTBA降低 ，以及其它制造性问题。未优化的绝缘钯铜工艺初始键合MTBA评估是不可接受的，远远低于目标MTBA值，如图4所示。对键合停机的详细分析表明，83%的停机与第二焊点的键合有关;78%与短线尾相关;5%与NSOL相关;如图5所示。
5.第一焊点形成时，有机涂层在电弧放电（EFO）激发期间被蒸发，产生（FAB）类似于裸线，适用于后续的球键合。然而，涂层厚度的变化以及尾部长度的一致性可能影响 FAB的形状和一致性，进而可能导致球心偏移、球体大小不一或垫片粘结不良等问题。因此，绝缘导线的键合过程需要对第一焊点的参数、第二焊点的参数 FAB 的形成进行适当的优化。否则，相比于裸线，可能会出现更低的导线键合良率和 MTBA 时间。图6未经优化的键合参数键合后效果图。
7.如图7所示，在未优化的情况下， 18 微米绝缘钯铜（Pd Cu）导线的键合良率比裸钯铜导线大约低 1.0% 。
三、实验结果和讨论
本文评估各种绝缘引线键合材料和工艺因素:劈刀、绝缘涂层键合线涂层工艺、等离子体清洗和引线键合工艺参数。这些评估的结果和结论将用于建立最佳的大批量生产和更稳健的制造参数窗口，以获得期望的产能、MTBA和可靠性能。
所有实验都是在恩智浦(NXP Semiconductors）Hip7芯片的(TBGA)封装)上进行的。最小焊盘间距为47μm。评估中使用的绝缘涂层钯铜键合线是泰丰瑞电子(香港)提供的18μm绝缘涂层线。键合是在K&S I Conn LA引线键合机上进行。
1. 劈刀优化
众所周知，TBGA引线键合第二焊点成形方面存在困难，原因是聚酰亚胺柔性板制造的引脚太薄。所选的测试是TBGA 35X35封装，具有7层导线，可容纳965根的总键合线数，使其成为绝缘线键合开发中最严格的测试方法之一。由于要求实现更小的34μm焊球，随着使用更细18μm的线直径，开发过程变得更加困难。
如图8所示。与此同时，使用粗糙TIP尖端表面劈刀键合的样品，铜残留百分比更高，如图9所示。随后，对粗糙表面的劈刀进行了大量样本的引线键合评估。从初步的研究来看，该劈刀未能达到预定的劈刀使用次数限制。由于短线尾问题过于严重，不得不更换新的劈刀以继续进行 键合。对使用过的劈刀表面进行分析，发现劈刀壁上有大量的外来物质积累，如图10所示。能量色散X射线光谱（EDX）分析表明，沉积的物质与有机材料相似。因此，我们推测，在电弧放电（EFO）激发过程中蒸发的一部分有机涂层沉积到了劈刀壁上。为解决这一问题，增加了线尾长度的设定，以便降低（EFO）电弧放电水平，使其远离劈刀尖端。然而，增加线尾长度时需要格外小心，因为过长的线尾长度可能会导致键合球偏离中心的问题。
2. 键合线涂层工艺优化
键合线涂层工艺对绝缘键合线的可键合性有着至关重要的影响。为了建立一个稳定、无问题、可靠的绝缘线键合过程，需要精心调整许多涂层因素，包括：涂层厚度、厚度一致性、涂层延展性以及与键合线与金属的相互作用。进行了一项评估，以研究涂层厚度对FAB（Free Air Ball）形成的影响。从评估中观察到，未优化涂层的键合线样本中的FAB呈现出尖锐和不规则的形状，而优化涂层的键合样本则没有这种现象。FAB的扫描电子显微镜（SEM）图像如图11所示。
在设计实验（DOE）中考虑了许多键合线制造过程因素，以确立有利于键合的涂层特性：涂层材料、退火条件、涂层固化温度、涂层速度、涂层模具尺寸等。进行了一系列的DOE，最终确定了四种不同的涂层工艺，并将其做为引线键合评估变量。从评估结果来看，D工艺的平均键合拉力强度最高，与其他三种工艺相比，如图12所示。同样，D工艺的铜残留百分比也是最高的，如图13所示。所有键合线样本后来都被置于更高的样本运行中，以在最恶劣的键合条件下，使用超出极限的劈刀进行引线键合MTBA评估。在MTBA评估中，来自D工艺的样本相比其他键合线样本表现出最低的停机次数。
此外，绝缘涂层键合线的极限寿命表征是另一种重要的键合线评估方法，用于确定最佳键合状态的持续时间，以实现更好的键合能力和可制造性。键合线样本在洁净室环境中安装在键合机上，评估实际的引线键合制造过程。评估期间，监测键合拉力强度和引线键合停机次数。如图14所示，随着放置时间的增加，Stitch pull强度下降。10天后，最小键合拉力强度降至2克规定极限值以下。至于引线键合MTBA监控，在键合线放置9天后，由于短线尾问题，引线键合停机次数急剧增加。
3.等离子清洗（plasma）
绝缘涂层线键合过程中，等离子清洗技术的作用得到了深入研究。具体而言，我们对四种不同的微波（流量）等离子设置进行了评估，这些设置涉及不同的等离子气体流量以及不同的处理时间。每一组引线键合样品均接受了上述各种等离子清洗条件的处理，随后对它们进行引线键合过程的验证。我们采用了两组不同的引线键合参数设定来评价等离子清洗的效果。基于评估结果，使用氧气和氩气混合气体并延长处理时间的等离子过程，在键合拉力强度以及引线键合MTBF（平均无故障时间）这两项指标上展现出更优的性能，特别是在经过优化的键合参数下，这一点在表1中尤为明显。
此外，另一轮的等离子清洗评估重点对比了氩气在两种不同流量设置下的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）检查发现，经过第一种清洗配方处理的键合点表面呈现出更加平滑的形貌，而第二种清洗配方处理后的样品表面则观察到了细微的凸起，如图16所示。当这些样品接受键合拉力测试时，采用第一种清洗配方处理的样品展现出了更高的键合拉力强度，比第二种配方处理的样品高出约16%，这一结果在图17中得以体现。
四、键合参数设置
有了额外的绝缘涂层，引线键合过程相比于裸线就显得较为复杂。在继续标准的引线键合过程之前，需要擦除掉涂层以便金属线露出。因此，引线键合过程包含三个主要阶段：涂层破裂(蒸发/固化）及擦除，焊线，以及线尾切断。
对于K&S键合机，多步骤过程是通过优化多段式pro stitch post bond参数来实现的。优化从三段设置开始，逐渐发展到五段过程的最终设置。在这个五段过程中，第一段是接触阶段，用于擦除键合线的涂层；第二段和第三段是键合阶段，继续进一步的擦除并同时启动焊线过程；第四段包含一个双滑动过程，以增强焊线；最后的第五段是线尾切断阶段，确保线尾形成过程的平顺。经过一系列的键合过程优化，开发出了一种适用于TBGA基板上键合的指引工艺。
五、工艺和可靠性验证
通过实施和整合所有优化因素，包括劈刀、等离子清洗、线材以及引线键合过程参数，验证了3组引线键合设置，分别代表衍生出的引线键合工艺参数窗口中的高、低和标准设置。在键合拉力强度监控中，所有设置均能超出最小键合拉力强度2克的门槛值。当置于225°C下进行4.5小时的热老化处理时，如图18所示，平均键合拉力强度增加了约24%。这表明，经过热处理后，绝缘线的键合拉力强度有所提升。
同时，在两台引线键合机上进行的MTBF（平均故障间隔时间）监测显示，平均MTBF能够达到目标值。过程优化后的平均MTBF比优化前高出3.8倍，如图19所示。与此同时，随着新优化参数的实施，平均引线键合良率提高了2.2%，如图20所示。优化的过程还确保了更高的劈刀使用次数，平均劈刀使用率提高了66%，如图21所示。所有TBGA绝缘引线键合样品也通过了各种工业级别封装可靠性测试，如温度循环、高温储存寿命、温湿度偏置等。从可靠性评估来看，在所有应力读取点上均未检测到与引线键合相关的失效，如表2所示。
六、结论
1.绝缘钯铜引线键合是当前半导体行业的一项新技术。与裸钯铜线相比，这是一种更具挑战性的工艺，因为整个工艺参数窗口相对较小。然而，开发工作成功地在超精细间距 TBGA47μmBPP 器件上用直径为 18μm 的更精细的线径进行，该器件因脆弱的键合指形引线而在键合后有困难是众所周知的。
2.通过对所有引线键合因素的一系列评估和工艺材料优化，得到了正确的组合和可行的工艺窗口，并对其进行了鉴定。验证结果表明，所建立的窗口对于在各种工业级封装可靠性应力下具有良好引线键合完整性的大批量制造运行是可行的。然而，优化工作并没有结束。应在从导线制造到半导体引线键合工艺的所有工艺步骤中进行持续监控和改进，以确保绝缘涂层键合钯铜线工艺满足不断增长的产量、 MTBA 和可靠性要求。
