NXP-SOT126 2nd Bond鱼尾改进与验证
在NXP SOT1260封装初次发布并完成其表征过程时，在第一点键合和第二点键合方面没有发现键合问题。此封装使用了标准的PPF引线框架与18μm金线进行了验证。认证完成，该参数便被推广到其他类似的封装中，这些封装也使用了18μm的金线。最终，在对NXP SOT1261封装在PPF引线框架上的工艺表征进行第一次试验时，发现了大量的短线尾（过早断尾失效）和鱼尾现象。第二焊点键合时短线尾和鱼尾失效机制可能同时发生，因为工艺相同。这涉及到在下一个键合周期中形成下一个线尾时，第二点键合出现过早断裂。这两种失效机制可以归为一类，因为在拉力强度方面它们形成了低强度Sticth Bond,如图1所示的低Stitch Bond Strength因果图。
图1: Fish Bond Diagram - NXP SOT1261 Stitch Bond
经过优先级排序，最高级别的输入变量列表如下:
1. 第二焊点键合参数
（Second Bond Parameter ）
2.劈刀几何结构
3.等离子体有效性
4.根据优先级验证第二焊点键合参数设置对鱼尾现象的影响,使用现有参数测试第二焊点键合在NXP-SOT1260上的性能，进行了验证运行，所使用的材料均来自之前表征时合格的同一引线框架和晶圆批次。所有背景变量，如机器平台、 劈刀、线径、 实验员等，在早期阶段就已经定义好了。这些因素很重要，因为要消除那些干扰实验的外部变量。除此之外，还利用键合机的表面擦除机制，因为它对于消除鱼尾并形成良好的线尾部键合非常有效。参照图2，擦除机制主要利用了键合机的X-Y工作台运动，这有助于提高第一个键合和第二个键合的粘附力。显然，这也会增强引脚（Leadfinger） 的拉力强度，并形成更好的键合形状。因此，设计了几组试验设计（DOE）来进一步优化参数设置，以获得没有鱼尾现象和短尾出现的良好Sticth bond强度和良好Sticth Bond 形态。首先，进行了比较研究以理解擦除效应在第二个键合上的点影响，具体参见表1。
对比研究表明，当超声功率设置较高时，现有设置下的鱼尾发生率较高。当超声波功率和基础键合力设置较高时，现有设置也会鱼尾现象较多。为进一步探究鱼尾症状的根本原因，进行了更深入的研究，并实施了下一级的实验设计优化(DOE）。接下来，设计了一个全因子 DOE 实验，包含3个因素，每个因素有2个Levels，旨在研究与较低超声波功率和基础键合力相关的擦洗机制，如表 2/表 3。
表2: DOE 2 全因子设计表，包含3个因素，每个因素有2个Levels
5. Capillary几何形状与选择
从劈刀 设计选择来看，目前有两种类型的劈刀用于18μm线径的生产。这两种类型具有不同的几何尺寸，在第二焊点形成上有显著差异，并给出不同的拉力水平。当键合小焊盘间距器件时，需要通过优化劈刀的尖端直径、表面角度(FA)和外半径(OR)来获得最佳设置。尖端直径受到器件焊盘间距的限制，而FA的减小能够改善第二焊点的形成，但会降低Sticth Bond 拉力读数。外径(OR)提供了从劈刀表面到尖端直径边缘的逐渐过渡。劈刀尖端尺寸是与焊线接触并影响第二焊点形成的主要部分之一。下面的图3和图4显示了第二次键合形成的临界劈刀尺寸。本文采用不同尖端直径的劈刀进行评价。
这项对比研究的这两根劈刀的结果如上表4所示。在本实验中，在进行金线键合时都将使用相同的参数设置。每次键合后的缝合拉力测量均使用MFM1200 拉力测试仪进行。为了比较，共取了30次金线拉力读数的平均值。通过高倍显微镜和扫描电子显微镜（SEM）分析了Sticth Bond 形成情况，以检查残留的金及观察到的任何Sticth Bond（鱼尾状）。
6. 等离子清洗效果
等离子清洗是在芯片粘贴（Die Bond）和引线键合（Wire Bond）之间的一个中间过程，现在广泛应用于半导体行业，特别是在QFN封装中。等离子清洗的目的在于确保表面无污染并激活表面能量。因此，它可以提供干净的表面，以确保更好的稳定性和引线键合质量。
本文研究了等离子清洗对普通PPF引线框架和粗糙PPF引线框架的有效性。通过对等离子清洗后效果的对比研究，以了解等离子清洗对第二次键合形成和Sticth Bond 强度的影响如图5。
二 结果和讨论
DOE 1和DOE 2的实验结果都表明，具有摩擦机制的第二焊点参数可以显著改善Sticth Bond形成和Sticth Bond强度。从现有参数中，在随机位置发现鱼尾出现，而当使用Scrubbing作为新参数时，没有观察到鱼尾，如图6所示。就线拉力强度性能而言，图7显示随着2gf拉力强度的增加而显著改善。还进行了进一步的实验，以确定第二焊点接参数的最佳设置和工艺窗口。从DOE 2的结果来看，如下图8所示，由于拉力强度高于5gf，所以试验表2和试验图7没有显著差异。在所有8次试验中，没有观察到鱼尾和短线尾，样本容量为456根线线。
除此之外，对于劈刀 A 和劈刀 B 所示的实验结果Sticth Bond拉力强度。这证明了更大的尖端直径为第二次焊点的形成提供了更多的粘接面积，并且压印更好。然而，如图10所示，两个劈刀都出现了鱼尾故障，但对于劈刀 B，它比劈刀 A 稍好，因为在使用相同参数设置(在使用擦洗机制之前)时，在劈刀 B 中观察到的Sticth Bond宽度更大。
在本文中，通过优化影响第二焊点工艺形成的几个变量可以消除弱引脚键合Stitch Bond(鱼尾)。通过优化的第二焊点参数设置，以及受控的因素，如等离子体清洁效果和合适的劈刀选择，可以提高质量，形成良好的Sitcth Bond并增强Stitch Bond Strength。引入新封装时，可能会考虑引线框架设计和其他因素。这些相互作用的因素可能会影响当前的优化工艺叁数窗口，并导致鱼尾现象。
