CN116564837B - 一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法及键合结构 - Google Patents

一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法及键合结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法及键合结构，键合方法包括依次进行以下步骤：S1.采用铝包铜线在第一焊盘的第一键合点完成第一键合，第一焊盘为镀镍焊盘；S2.焊头向上垂直拉弧至第一高度；S3.焊头斜向上拉弧，至达到第二高度，拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度为‑45°至0°，且不为0°；S4.焊头斜向下拉弧至达到第二键合点垂直上方第三高度处；S5.焊头向下拉弧至第二焊盘的第二键合点；S6.完成第二焊盘上第二键合点的第二键合；S7.扯断引线，完成镀镍焊盘上铝包铜线的键合。该键合方法，焊头斜向上拉弧时，采用负的拉弧角度，可避免拉弧动作对键合点颈部的拉扯，可增加铝包铜线键合点与镀镍焊盘的接触面积，从而提高键合强度。

Description

一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法及键合结构
技术领域
本发明属于半导体器件封装技术领域，具体涉及一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法及键合结构。
背景技术
在半导体器件的封装过程中，通常在芯片与引线框架之间通过焊线键合进行连接，键合点是实现芯片功能和外部电路连接的桥梁，其键合强度对半导体器件的功能和寿命起着决定性的作用。目前常用铝线拉弧方法常采用超声波冷压焊（楔焊）方式，超声波冷压焊拉弧过程如下图3所示：e→d→a→f→g。其中，e为第一/中间键合点位置，通常根据产品设计设定；d为第一/中间点键合后焊头在拉弧前抬起的高度，一般为系统默认值，不同的线径默认值不同；c为拉弧角度；a为设定的线弧高度，根据产品设计设定；f为搜索高度，焊头开始以恒定速率下降到下一个键合点位置时的高度，是一个防止键合表面高度变化的安全距离，一般为系统默认值，不同的线径默认值不同；g为中间/最后键合点位置，根据产品设计设定；e到g为键合点间的线弧长度。通常，铝线拉弧方法使用正角度拉弧，正的拉弧角度能较好的控制焊线弧度，对键合点残留和强度无影响。
铝包铜线是一种由铜芯和铝包覆层组成的复合键合线，具有优异的电气和机械性能。因铝包铜线的特殊性（50%铝包覆50%铜），键合时通过外层包覆的铝与镀镍焊盘进行连接，铜不会与镀镍焊盘进行连接。在镀镍焊盘上，若铝包铜线使用与铝线相同的键合方法（正的拉弧角度）进行键合，由于键合后键合点底部的铝层薄，键合点颈部（如图4中A处）易被拉起，导致键合点残留面积减小、键合强度低。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法及键合结构，焊头斜向上拉弧时，采用负的拉弧角度，可避免拉弧动作对键合点颈部的拉扯，可增加铝包铜线键合点与镀镍焊盘的接触面积，从而提高键合强度。
为了解决上述问题，本发明提供一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，包括依次进行以下步骤：
S1.采用铝包铜线在第一焊盘的第一键合点完成第一键合，所述第一焊盘为镀镍焊盘；
S2.焊头向上垂直拉弧至第一高度；
S3.焊头斜向上拉弧，至达到第二高度，拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度为-45°至0°，且不为0°；
S4.焊头斜向下拉弧至达到第二键合点垂直上方第三高度处；
S5.焊头向下拉弧至第二焊盘的所述第二键合点；
S6.完成第二焊盘上所述第二键合点的第二键合；
S7.扯断引线，完成镀镍焊盘上铝包铜线的键合。
优选地，步骤S3中，拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度为-45°至-30°。
优选地，所述铝包铜线的线径为6-20mil。
优选地，所述铝包铜线的线径为20mil。
优选地，所述第一高度为100-700μm。
优选地，所述第二高度为1000-1600μm。
优选地，所述第三高度为700μm。
优选地，所述第一键合点与所述第二键合点之间的距离为6000-7000μm。
优选地，所述第一键合、所述第二键合采用超声波冷压焊完成；所述第一键合、所述第二键合的开始压力为100-2300gf，焊接功率为100-160W，焊接时间为100-170ms，焊接压力为2000-3000gf。
本发明的另一方面提供一种铝包铜线的键合结构，采用上述的基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法得到。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明实施例的基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，焊头斜向上拉弧至第二高度时，拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度为负值，采用该拉弧角度，可避免拉弧动作对键合点颈部的拉扯，可增加铝包铜线键合点与镀镍焊盘的接触面积，从而提高键合强度。
附图说明
图1是本发明实施例所述的基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法中拉弧方式示意图；
图2是本发明实施例所述的基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法得到的键合结构中铝包铜线键合点颈部示意图；
图3是目前已有的镀镍焊盘的铝线的键合方法中拉弧方式示意图；
图4是采用目前已有的镀镍焊盘的铝线的键合方法进行铝包铜线的键合得到的键合结构中铝包铜线键合点颈部示意图；
图5（a）、图5（b）分别为对比例2、实施例2的键合方法得到的铝包铜线键合点残留照片。
其中：1-第一焊盘；2-第二焊盘。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在镀镍焊盘上，若对于铝包铜线仍使用与铝线相同的键合方法（正的拉弧角度）进行键合，键合点颈部易被拉起，导致键合点残留面积减小、键合强度低。
为此，本发明实施例的一个方面提供一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，包括依次进行以下步骤：
S1.采用铝包铜线在第一焊盘1的第一键合点（如图1中的A点）完成第一键合，第一焊盘为镀镍焊盘；
S2.焊头向上垂直拉弧至第一高度（图1中B点，第一高度即AB距离）；
S3.焊头斜向上拉弧，至达到第二高度（图1中C点，第二高度即C点至焊盘所在平面的距离，也即C点到A点的高度差），拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度（图1中∠a）为-45°至0°，且不为0°；
S4.焊头斜向下拉弧至达到第二键合点（图1中E点）垂直上方第三高度处（图1中D点，第三高度即DE距离）；
S5.焊头向下拉弧至第二焊盘2的所述第二键合点；
S6.完成第二焊盘上所述第二键合点的第二键合；
S7.扯断引线，完成镀镍焊盘上铝包铜线的键合。
本发明实施例的基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，焊头斜向上拉弧至第二高度时，拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度为负值，采用该拉弧角度，可避免拉弧动作对键合点颈部的拉扯，如图2所示，可增加铝包铜线键合点与镀镍焊盘的接触面积，从而提高键合强度。
在一些实施方式中，第二焊盘可以为覆铜层焊盘。
在一些实施方式中，步骤S3中，拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度具体可以为例如-45°、-40°、-35°、-30°、-25°、-10°等。经实验尝试发现，在该角度范围内，拉弧角度越小，键合强度越高。优选地，拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度为-45°至-30°。拉弧角度越小，键合强度越高，但拉弧角度越小，对线弧不易控制，进一步考虑到对线弧的控制，最优选地，拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度为-30°。
在一些实施方式中，所述铝包铜线的线径可以选择目前铝包铜线已有的各种不同的线径。优选地，铝包铜线的线径为6-20mil。例如可选6mil、8mil、12mil、15mil、16mil、20mil的线径。最优选地，铝包铜线的线径为20mil。铝包铜线的线径越粗，产品的导电性越好。
在一些实施方式中，第一高度为第一键合点键合后焊头在拉弧前抬起的高度，一般为系统默认值，针对不同的线径默认值不同。第一高度可设置范围为100-15000μm。第一高度越小，第一键合点颈部受到的拉扯越少，即键合强度越好，但重复性验证试验结果显示，第一高度在100-700μm范围时，键合强度差别不大，因此，优选地，所述第一高度为100-700μm。由于第一高度越小，对线弧不易控制，进一步考虑到对线弧的控制，最优选地，第一高度为700μm。
在一些实施方式中，第二高度为设定的线弧高度，可根据产品的设计设定。第二高度的可设置范围为0-50000μm。第二高度低，第一键合点和第二键合点间的线弧紧绷，第一键合点颈部受力，键合强度减小；第二高度越高，第一键合点在拉弧时受到拉扯的时间越长，键合强度减小，因此，综合考虑上述影响，经实验尝试发现，优选地，第二高度为1000-1600μm，可使键合强度最好。最优选地，第二高度为1600μm。
在一些实施方式中，所述第三高度为搜索高度，焊头开始以恒定速率下降到下一个键合点位置时的高度，这是一个防止键合表面高度变化的安全距离，不同的线径高度值不同。优选地，第三高度为700μm。该高度值是第二焊点的安全高度，采用该高度值可防止因原材料高低不平而对焊头造成损伤。
在一些实施方式中，所述第一键合点与所述第二键合点之间的距离为第一键合点与第二键合点间的线弧长度，可设置范围为0-50000μm。优选地，第一键合点与第二键合点之间的距离为6000-7000μm。
在一些实施方式中，所述第一键合、所述第二键合的键合方法采用压焊的方法完成。其中，压焊具体可以为热压焊、冷压焊等。优选地，采用超声波冷压焊完成。超声波冷压焊的方法不需要加热，节省能源；不用焊剂，无污染；易于操作和自动化，焊接质量稳定，生产效率高。
在一些实施方式中，所述第一键合、所述第二键合的焊接开始压力为100-2300gf，焊接功率为100-160W，焊接时间为100-170ms，焊接压力为2000-3000gf。采用上述焊接工艺条件可使键合强度更好。
焊接开始压力为焊线刚接触到第一焊盘时的压力，焊接开始压力越小，键合强度越好，最优选地，焊接开始压力为100gf。
最优选地，焊接功率为110W，焊接时间为170ms，焊接压力为2300gf。
本发明实施例的另一方面提供一种铝包铜线的键合结构，采用上述的基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法得到。
实施例1
本实施例的一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，包括依次进行以下步骤：
S1.采用15mil的铝包铜线在第一焊盘1的第一键合点（如图1中的A点）完成第一键合，第一焊盘为镀镍焊盘，第一键合采用超声波冷压焊完成，焊接开始压力为100gf，焊接功率为100W，焊接时间为120ms，焊接压力为2000gf；
S2.焊头向上垂直拉弧至第一高度（图1中B点，第一高度即AB距离），第一高度为700μm；
S3.焊头斜向上拉弧，至达到第二高度（图1中C点，第二高度即C点至焊盘所在平面的距离），拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度（图1中∠a）为-30°，第二高度为1000μm；
S4.焊头斜向下拉弧至达到第二键合点（图1中E点）垂直上方第三高度处（图1中D点，第三高度即DE距离），第三高度为700μm；
S5.焊头向下拉弧至第二焊盘2的第二键合点；
S6.完成第二焊盘上第二键合点的第二键合，第二键合采用超声波冷压焊完成，焊接开始压力为100gf，焊接功率为100W，焊接时间为120ms，焊接压力为2000gf；
S7.扯断引线，完成镀镍焊盘上铝包铜线的键合。
对比例1
本对比例的基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，与实施例1的区别为步骤S3中焊头斜向上拉弧，至达到第二高度时，拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度为10°，其余步骤、工艺参数、拉弧参数与实施例1均相同。
实施例2
本实施例的一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，包括依次进行以下步骤：
S1.采用20mil的铝包铜线在第一焊盘1的第一键合点（如图1中的A点）完成第一键合，第一键合采用超声波冷压焊完成，焊接开始压力为100gf，焊接功率为110W，焊接时间为170ms，焊接压力为2300gf；
S2.焊头向上垂直拉弧至第一高度（图1中B点，第一高度即AB距离），第一高度为700μm；
S3.焊头斜向上拉弧，至达到第二高度（图1中C点，第二高度即C点至焊盘所在平面的距离），拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度为-30°，第二高度为1600μm；
S4.焊头斜向下拉弧至达到第二键合点（图1中E点）垂直上方第三高度处（图1中D点，第三高度即DE距离），第三高度为700μm；
S5.焊头向下拉弧至第二焊盘2的第二键合点，第二焊盘为覆铜焊盘；
S6.完成第二焊盘上第二键合点的第二键合，第二键合采用超声波冷压焊完成，焊接开始压力为100gf，焊接功率为115W，焊接时间为110ms，焊接压力为2600gf；
S7.扯断引线，完成镀镍焊盘上铝包铜线的键合。
对比例2
本对比例的基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，与实施例2的区别为步骤S3中焊头斜向上拉弧，至达到第二高度时，拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度为10°，其余步骤、工艺参数、拉弧参数与实施例2均相同。
如图5所示，图5（a）、图5（b）分别为对比例2、实施例2的键合方法得到的铝包铜线键合点残留照片，可以看出，图5（a）正角度拉弧铝包铜线键合点颈部无残留，图5（b）负角度拉弧铝包铜线键合点残留饱满，因此，铝包铜线在镀镍焊盘上使用负拉弧角度键合，增加了键合点残留面积。
实施例3
本实施例的一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，与实施例2的区别为步骤S3中，焊头斜向上拉弧，至达到第二高度时，拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度为-45°，其余步骤、工艺参数、拉弧参数与实施例2均相同。
实施例4
本实施例的一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，与实施例2的区别为步骤S3中，焊头斜向上拉弧，至达到第二高度时，拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度为-20°，其余步骤、工艺参数、拉弧参数与实施例2均相同。
实施例5
本实施例的一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，与实施例2的区别为步骤S3中，焊头斜向上拉弧，至达到第二高度时，拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度为-10°，其余步骤、工艺参数、拉弧参数与实施例2均相同。
实施例6
本实施例的一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，与实施例2的区别为步骤S2中，第一高度为300μm，其余步骤、工艺参数、拉弧参数与实施例2均相同。
实施例7
本实施例的一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，与实施例2的区别为步骤S2中，第一高度为100μm，其余步骤、工艺参数、拉弧参数与实施例2均相同。
实施例8
本实施例的一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，与实施例2的区别为步骤S2中，第一高度为1000μm，其余步骤、工艺参数、拉弧参数与实施例2均相同。
实施例9
本实施例的一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，与实施例2的区别为步骤S3中，第二高度为1000μm。
实施例10
本实施例的一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，与实施例2的区别为步骤S3中，第二高度为500μm。
实施例11
本实施例的一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，与实施例2的区别为步骤S3中，第二高度为2000μm。
不同键合方法铝包铜线键合点剪切力
对上述各实施例、对比例得到的键合结构中铝包铜线键合点剪切力进行测定，测定结果如下表1所示。由下表1数据可以看出，15mil铝包铜线使用负角度拉弧，键合点剪切力提高717g，约26.90%；20mil铝包铜线使用负角度拉弧，键合点剪切力提高1127g，约29.76%。因此，铝包铜线在镀镍焊盘上使用负拉弧角度键合，提高了键合点的键合强度。
进一步地，实施例2-5相比，区别在于拉弧角度不同，其中，实施例2、3的拉弧角度在优选范围内，其键合点剪切力显著大于实施例4、5；实施例、6、7、8相比，区别在于第一高度不同，其中，实施例2、6、7的第一高度在优选范围内，其键合点剪切力强度相差不大，但显著高于实施例8，其中，实施例6、7的第一高度较低，相比于实施例2，对线弧控制难度更；实施例2、9、10、11相比，区别在于第二高度不同，其中，实施例2、9的取值在优选范围内，键合点剪切力显著高于实施例10、11。实施例2为最优选的实施方式。
表1
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，其特征在于，包括依次进行以下步骤：
S1.采用铝包铜线在第一焊盘的第一键合点完成第一键合，所述第一焊盘为镀镍焊盘；
S2.焊头向上垂直拉弧至第一高度，所述第一高度为100-700μm；
S3.焊头斜向上拉弧，至达到第二高度，所述第二高度为1000-1600μm，拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度为-45°至0°，且不为0°；
S4.焊头斜向下拉弧至达到第二键合点垂直上方第三高度处；
S5.焊头向下拉弧至第二焊盘的所述第二键合点；
S6.完成第二焊盘上所述第二键合点的第二键合；
S7.扯断引线，完成镀镍焊盘上铝包铜线的键合。
2.根据权利要求1所述基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，其特征在于：
步骤S3中，拉弧方向至竖直方向所呈的拉弧角度为-45°至-30°。
3.根据权利要求1所述的基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，其特征在于：
所述铝包铜线的线径为6-20mil。
4.根据权利要求3所述的基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，其特征在于：
所述铝包铜线的线径为20mil。
5.根据权利要求1所述的基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，其特征在于：
所述第三高度为700μm。
6.根据权利要求1所述的基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，其特征在于：
所述第一键合点与所述第二键合点之间的距离为6000-7000μm。
7.根据权利要求1所述的基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法，其特征在于：
所述第一键合、所述第二键合采用超声波冷压焊完成；所述第一键合、所述第二键合的焊接开始压力为100-2300gf，焊接功率为100-160W，焊接时间为100-170ms，焊接压力为2000-3000gf。
8.一种铝包铜线的键合结构，采用如权利要求1-7中任一项所述的基于镀镍焊盘的铝包铜线的键合方法得到。
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