CN101075569A - 一种键合参数加载方法 - Google Patents

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韩雷
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Abstract

一种键合参数加载方法，本发明通过监测换能器驱动电流和电压信号，获得换能器的功率信号，再根据统计的功率信号曲线，确定改变键合参数的临界点Tcritical，在临界点Tcritical以前的键合I阶段输入小超声功率、大键合压力；在临界点Tcritical以后的键合II阶段输入大超声功率、小键合压力。这种通过改变键合参数加载过程，提高了键合强度和可靠性，使得能量的输入符合键合界面的实际消耗规律。

Description

一种键合参数加载方法
[技术领域]本发明涉及一种微电子封装方法，特别是热超声键合的键合参数加载方法。具体涉及微电子封装中的热超声键合参数加载方法，包括热超声引线键合(Thermosonic Wire bonding)和热超声倒装键合(ThermosonicFlip chip bonding)。
[背景技术]在热超声键合应用中，包括热超声引线键合(Thermosonic wirebonding)和热超声倒装键合(Thermosonic flip chip bonding)，超声功率、键合力、键合时间、被键合表面清洁度、材料性质、处理工艺等因素是影响键合可靠性和质量的重要因素。
目前已经提出了多种技术方案，通过改善上述因素来提高键合强度和可靠性。美国专利No.6886735和No.6593222提出一种方法，通过提高超声频率来提高键合强度和可靠性。但是提高超声频率会带来控制方面的问题，两两相较下，实际上对于键合可靠性的提高并不明显。
美国专利No.4438880提出一种方法，通过监测超声引线键合过程中的换能器系统输出阻抗来获得键合可靠性方面的信息，可实现质量的在线监测。但是，由于阻抗信号的差异性并不大，因此，该技术也仅仅是能识别键合成功和键合失败。对于键合可靠性的提高也没有明显的参考价值。
经研究发现：现有热超声键合技术中的键合参数(驱动电压、键合力和键合温度)在键合过程中多为恒定不变；键合窗口也是基于恒定参数加载过程的参数组合。恒定参数加载的方法中：若键合参数过小，则能量输入不足，键合强度和可靠性低；若键合参数过大，则输入能量过多，产生过键合等不利情况。工业生产中为了避免负面影响，普遍采取较保守、缩小的窗口。小的键合窗口使得设备调试、维护困难，产品的一致性降低。引线键合的速度和倒装键合的I/O数增加，进一步加剧了键合窗口的缩小，并可能使其失去可操作性。
[发明内容]本发明的目的是通过改变参数加载过程来提高键合强度和可靠性。通过能够改变键合参数的加载过程，使得能量的输入符合键合界面的实际消耗规律。
变参数加载方法，是根据键合界面对能量的需求，采用时变的参数加载曲线，在键合I阶段输入小超声功率、大键合压力；在键合II阶段输入大超声功率、小键合压力，可较好地解决上述问题，获得较宽的键合窗口、缩短键合时间，以适应新型超声键合装备的需要本发明涉及到超声键合装置的换能器系统和参数加载系统。而键合的各个阶段分界点，键合参数的加载过程及改变加载参数的时机，可由键合功率曲线确定。具体过程为：
首先通过监测换能器驱动电流和电压信号，获得换能器的功率信号，然后，根据统计的功率信号曲线，确定输入超声功率下降后到达基本平稳阶段点的时机，并以此作为键合I和键合II阶段的临界点，记为Tcritical。不同的键合形式，如引线键合或倒装键合，不同的键合对象，如芯片、引线或者金凸点，Tcritical数值是不同的，但都可通过统计实验结果来获得。
然后，在键合阶段I施加较小的超声功率、较大的键合压力。在键合阶段II施加较大的超声功率、较小的键合压力。功率和压力值可参照恒定参数的加载数值，由键合实验确定。因此需要分别建立两个键合窗口，来指导键合阶段I和阶段II的参数加载组合。
相应地，建立监测、处理换能器输入功率信号的硬件和软件系统，来确定Tcritical的时机；建立改变键合过程参数加载数值的软件和硬件系统，来改变Tcritical时机前后的超声功率和键合压力。
本发明的方法使得输入的能量符合键合界面对能量消耗的需求规律、拓宽了键合窗口、提高了键合强度和可靠性、缩短了键合时间。可以满足未来高速引线键合和多I/O倒装键合的需求。
[附图说明]
图1换能器驱动功率信号曲线；
图2倒装芯片的结构。
[实施方式]下面以热超声倒装键合为例对本发明进行说明。
采用的倒装键合芯片为1×1mm的硅芯片，表面的28个铝焊盘(Pad)上采用热超声引线键合方式植有8个直径约80μm，高度约50μm的金凸点，排列如图2所示。
采用的键合基板是铜基板，基板焊盘镀银。热超声倒装键合的工艺参数为：
  实验参数   调节范围
  键合力基板温度超声频率超声功率键合时间   240g160℃58±2kHz2W100ms
在上述条件下的热超声倒装键合过程为：1)将铜基板固定放置在工作台上，加热到160℃；将芯片放在基板上，背面朝上，金凸点和焊盘对准；2)工具压下并接触到芯片背面，施加键合压力，达到预定值后开启超声。3)超声开启一段时间后关闭，然后再升起工具，撤走键合力，完成键合过程。
采用恒定参数加载方式获得的芯片平均键合剪切力为95g；采用本发明的方法，通过统计规律确定临界点为20ms；在键合启动到20ms这段时间，也就是键合I阶段，输入1.5W的小超声功率和360g的大键合压力；在20ms之后到超声关闭这段时间，也就是键合II阶段，输入2.5W的大超声功率、180g的小键合压力，获得的芯片平均键合剪切力为160g；且金凸点的变形比恒定参数加载方式小。
因此，采用变参数加载方式，可以明显提高键合强度，扩大键合窗口，减小金凸点变形。
图1为摘要附图

Claims (2)

1.一种键合参数加载方法，包括超声功率和键合压力，其特征在于：通过监测换能器驱动电流和电压信号，获得换能器的功率信号，再根据统计的功率信号曲线，确定改变键合参数的临界点Tcritical，在临界点Tcritical以前的键合I阶段输入小超声功率、大键合压力；在临界点Tcritical以后的键合II阶段输入大超声功率、小键合压力。
2.根据权利要求1所述的键合参数加载方法，其特征在于：对倒装键合芯片为1×1mm的硅芯片，表面有28个铝焊盘，采用热超声引线键合方式植有8个直径80μm，高度50μm的金凸点，由统计规律确定临界点为Tcritical为20ms；在键合启动到20ms键合I阶段内，输入1.5W的小超声功率和360g的大键合压力；在20ms之后到超声关闭的键合II阶段，输入2.5W的大超声功率、180g的小键合压力。
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