第二章 文獻回顧
2.1 電子封裝
2.1.1 電子封裝主要流程
1. 晶圓研磨(wafer grinding)：將晶圓研磨至產品所需之厚度。
2. 晶圓切割(Die sawing)：晶圓切割之前，先將晶圓背面黏背膠(UV 膠)，再使用鑽石刀切割成晶粒，可保持晶粒不易散落。
3. 黏晶或銲晶(Die bonding)：使用銀膠(Adhesive) 將晶片與導線架黏 接在一起，並且經過烘烤，使其晶片與導線架黏緊。
4. 銲線接合(Wire bonding)：銲線方面有金線、銅線或鋁線，從晶片上 的銲墊為第一銲點(First bond)連接到導線架上的內引腳(Inner lead) 為第二銲點(Second bond)，將電子訊號與電流之傳遞橋樑接起形成 通路。
5. 封膠(Molding)：將以完成銲線接合的晶片與導線架，將其放置模穴 灌注耐高溫之環氧樹脂(Epoxy Molding Compound，EMC)塑料，其 主要是在保護結構體、降低濕氣進入或晶片氧化，若封膠沒封好濕 氣還是有可從引腳進入。
6. 蓋印(Marking)：印下公司及產品型號規格，主要方法有兩種:一、使 用白漆蓋印並且要烘烤，二、雷射蓋印方式。
7. 電鍍(Solder plating)：將封膠以外的導線架，使用電鍍藥水電鍍，可 避免導線架氧化。
8. 剪切與彎腳成型：將殘留金屬架移除，並進行彎腳至所須形狀。
9. 檢測：品管檢查 2.1.2 電子封裝主要的目的：
1. 保護電子訊號與電源之 I/O(輸入/輸出)焊接的銲線 2. IC 晶片與金屬線的幾何形狀支撐保護
3. 保護 IC 晶片避免灰塵、濕氣或空氣氧化
4. 由於(Compound)耐高溫，可提供有效散熱路徑
2.2 熱 超 波 銲 接 機 (Thermosonic ball bonding) 被 業 界 廣 泛 需 求 [1][2][12]
目前電子構裝中的接合技術主要方式有三種：銲接接合技術(Wire bonding)、
捲帶自動接合技術(Tape automated bonding 簡 TAB)[1]、覆晶接合技術(Flip chip bonding 簡稱 FCB)。銲接接合技術又可分成熱壓技術(1)、超音波技術(2) 以及熱超音波技術(3)，它使用銲線銲接，銲線以市場最常用以金線為主而鋁 線為次，目前正測試銅導線銲接，其少部分產品製造。
(1) 熱壓銲接(Thermocompression)
(2) 超音波銲接(Ultrasonic wedge bonding) (3) 熱超波銲接(Thermosonic ball bonding)：
熱超波銲接是 1970 年 Coucoulas 首先將熱壓與超音波技術合成，
Coucoulasru 此法稱為 Hot Work Ultrasonic Bonding，他利用金屬之 間在高溫時原子能量提升的觀念，用一定壓力將銲線尾端的銲球(金
球)打到銲墊，使銲球表面接觸到銲墊產生塑性變形，加上銲針 (Capillary)給于超音波震動使打在銲墊上早已塑性變形的銲球，使其 銲球表面原子與銲墊表面原子之間產生吸引力，形成金屬鍵結。熱 壓技術在進行銲接的溫度約 3000C~4000C，Coucoulasru 將熱壓與 超音波兩種技術結合，熱壓部分只需約1250C~2200C，再靠超音波 震動加壓緊合。
然 而 主 流 還 是 以 銲 接 接 合 技 術 (Wire bonding) 中 的 熱 音 波 銲 接 (Thermosonic ball bonding)為主[1]，本研究使用 Kulicke & Soffa(K&S)公司出 品熱音波銲接機 1484 型，圖 2-1，而圖 2-2 為熱音波銲接機運作檯面，金屬 線從圖 2-2 中的線軸 1.的位置通過到銲針(Capillary)6.的位置，進行電子燒球 與銲接動作。
圖2-1.Kulicke & Soffa(K&S)公司出品熱音波銲接機 1484 型
圖2-2.銲接過程內部機制 2.3 銲線接合(Wire Bonding)過程(以金導線為例)：
1. 圖 2-3 線匣目前還是關著並且夾住金線，金線(4N)熔點 10630C，當設定電 子燒球器(Electronic Flame Off，EFO)點火，電子燒球器自動至金線尾端通 電，經高壓電流通至金線尾端，立即產生約 10700C左右溫度使金線受高 溫成熔融狀態，因表面張力及地心引力的關係使其熔融部分形成金球，圖 2-4 為電子燒球後形成球狀。在燒成金球時藍色火花表示金線表面無任何 雜質，黃色火花表示金線有可能沾上粉塵或手上的油脂或電子燒球器表面 氧化，易造成燒球品質不良，可能發生假銲。
圖 2-3.電子燒球示意圖 圖 2-4.燒球後 SEM 圖[46]
2. 圖 2-5 陶瓷銲針向下移動，將金球打到晶片上的銲墊(鋁墊)，線匣開啟，
導線架以及在導線架上面的晶片加熱至1500C~2200C，金球受到衝擊接合 於鋁墊的階段中，球體受到衝擊變形之時，同時超音波震盪120KHz 使其 金與鋁形成金屬鍵結。此步驟2.完成為第一鍵結(First bond)。
圖 2-5.第一鍵結(First bond)過程 圖 2-6.鍵結後 SEM 圖[46]
3 完成第一鍵結(First bond)，圖 2-7 銲針移動將金線形成幾何形狀。
圖2-7.金線的幾何形狀形成
4. 圖 2-8 銲針打到導線架位置上為第二鍵結(Second bond)，將金線壓到導線 架上，同時有導線架上約1500C~2200C以及超音波震盪，因銲針外圍OR 角及Face angle 角如圖 2-9 關係，使金線於第二鍵結形成魚尾形狀，如圖 2-10 關係。
圖 2-8.第二鍵結(Second bond)過程 圖 2-9.銲針剖面圖[46]
圖2-10. 第二鍵結的 SEM 圖[45]
5. 第二鍵結(Second bond)完成之後，圖 2-11 銲針提起將金線扯斷。
圖2-11.銲線扯斷過程
6 圖 2-12 扯斷金線後，銲針移至下一個鋁墊(Pad)上方，電子燒球器(EFO) 自動通電流至金線尾端將金線型成熔融狀態，重複前面步驟。
圖2-12.鍵結完成，後銲針移至下一銲墊開窗(Open)位置
上的鋁墊t =0.01秒，也就是金球與鋁墊接合。時間t >0.01秒時，此時假設金 球溫度與晶片上鋁墊溫度相同為200°
C
。若時間超過0.04 秒以後溫度趨近穩 定。由於每次運動速率的不一定，因此假設每一次進行銲接接合之時大約0.1 秒完成，銲針下降過程(衝擊過程)總共約 0.06 秒，因此在 0.04 秒到 0.1 秒之 間，金線的暫態溫度分佈呈穩態線性分佈，而距離金球10mm 處為常溫 20°C
。圖2-13.金線尾端燒球之後的溫度分佈[38]
2.5 燒球後熱影響區(Heat Affect Zone)的機械性質影響
材料經熱處理又稱退火處理，其機械性質可恢復到未冷加工之前狀態，
在高溫中變化過程為：回復(Recovery)、再結晶(Recrystallization)以及
晶粒成長(Grain Growth)[4][7]。William D.等人[3]，以 G. Sachs 等人為例[47]，
發現黃銅受到退火溫度之影響越高，到了再結晶區之時晶粒的粗細明顯變 化，黃銅的抗拉強度越低與延展性越高之趨勢，圖 2-14。E.O.Hall[3][7][30]
和J.N. Petch 提出若以同一種材料的微觀組織來看，細晶粒的材料比粗晶粒的
材料的硬度高也代表強度高，建立 Hall-Petch 方程式
σ
Y= σ
0+ Kd
−12，式 (3-20)，降伏強度(σ
Y )它隨晶粒尺寸(d
)變大而變小，原因是細晶粒的材料 具有較大總晶界面積以阻止差排移動也造就強度高。運用在燒球後熱影響區 之探討。圖2-14. 黃銅經退火溫度對再結晶或熱影響區的機械性質影響[3]
圖2-15. 燒球後晶粒示意圖[1][2]
因金線尾端受到約 10700C高溫形成熔融狀態，如圖 2-14[2][3]與圖 2-15[1][2]，第一區形成金球的位置它的組織晶粒比沒受到溫度影響的金線第 三區晶粒要大幾倍。瞬間加熱10700C因熱傳遞高溫往低溫傳遞行為，因此金 球上方為第二區也受到高溫影響，晶粒也有變大此部份稱熱影響區(Heat affected zone)或再結晶區(Recrystallization)。第二區因熱影響晶關係晶粒比未 受到熱影響要大，其機械性質影響很深。
受到熱影響區而造成球頸上方機械性質之影響，Y. Ohno 等人[37]進行相 關實驗發現，圖2-16，熱影響區微結構經腐蝕後，如同圖 2-15 示意圖趨勢性，
經由硬度試驗之後，熱影響區硬度值呈
υ
形狀分佈，表示υ
狀部份硬度值低，(A)Hard-型態金線熱影區範圍約 200
µ m
，(B)Soft-type 金線熱影區範圍約 300µ m
，針對封裝製程上體積越小，對低弧製程縮小封裝體，可由圖2-17 看 出(A) Hard-型態的金線對於現況是非常重要參考及發展。圖2-16. 金導線熱影響區之微結構組織與硬度分佈[37]
圖2-17. 金導線不同高度弧線與硬度分佈之情形[37]
D.S. Liu 等人[17]使用三種型態的金線：SR 型態為低強度、高銲線迴路；
FA 型態為中強度、中高銲線迴路用；與 GL-2 為高強度、高銲線迴路用，進 行 拉 伸 試 驗 控 制 變 因 有 應 變 率 、 溫 度 ， 實 驗 得 到 的 應 力 與 應 變 曲 線 用 Ramberg-Osgood 彈塑性本構方程式來表達。D.S. Liu 等人[18]，金線銲接製程 對 STD2 型 標 準 三 角 形 迴 路 製 程 和 LOW2 型 梯 形 迴 路 製 程 ， 使 用 ANSYS/LS-DYNA，材料模型中熱影響區(HAZ)的機械性質，溫度的影響約 200°C，將受到溫度影響之機械性質與溫度條件代入軟體中分析，對不同銲接 迴路對熱影區的應力集中預測，這對低弧製程有重要的幫助。熱影響區(HAZ) 溫度的影響約200°C是從Y.Ohno 等人[37]與 A.A.O.Tay[38]等人，金球硬度分 佈圖2-16 與假設整條銲線皆為線性變化利用內插法求得金球頂端到整條銲線 的溫度變化，(A)Hard 型態金線，圖 2-18 金球頂端溫度 200°C，距離金球頂 端約 100
µ m
此處附近硬度最軟其溫度約250°C，距離金球頂端約250µ m
其溫度約195°C。
圖2-18. (A)Hard-type 金線溫度分佈修正[36]
銅線經電子燒球後形成球狀的階段，因銅的活化能高經高溫過後，熱擴 散 行 為 加 速 銅 球 的 表 面 氧 化 ，Chunjin Hang 等 人 [39] 對 實 驗 中 加 入 95%N2 +5% H2 其目的避免氧化，研究中以氣體流動率控制在 0.8
1 mil
， 燒球中Gap 距離不可太高容易造成球表面真圓度的影響，圖 2-19 與圖 2-20。S. Murali[21]等人和 N. Srikanth[20]等人對銲接製程的銅銶做斷面微結構晶粒
圖2-19.銅導線尾端與電子燒球器的間距(Gap)[39]
圖2-20. 0mil 與 20mil 不同的間距(Gap)造成電子燒球後真圓度之影響[17]
分佈，燒球後的銅銶與受到熱超音波震盪銲接到銲墊上的銅銶做微小硬度分 析。Fei-Yi Hung 等人[22]，由於銅導線使用目的降低成本考量，但銅線強度 影響在鍵結(Bonding)之時容易損壞晶片，因此對深抽後的銅導線做退火處理 是很重要的，發現退火處理 1 小時持溫 200°C完全退火溫度，經銅球拉伸試
驗所得結果，使用韋伯統計法，找出抗拉強度與硬度有下降趨勢，延伸率有 提高趨勢，對熱影響區(HAZ)可靠度有提升，並且經腐蝕液腐蝕後的微結構，
發現球頸部部份有出現雙晶(Twin)在<100>面，圖 2-21(a)，受到電子燒球後球 頸部分未完全熔融，圖2-21(b)。
(a) (b)
圖2-21. 銅導線經電子燒球後球頸部份產生雙晶現象(a)(b)[18]
2.6 數值模擬
Chin-Li Kao 等人[40]，運用有限元素法套裝軟 ANSYS/LS-DYNA 模擬暫 態問題，物理模型建立金球與低介電常數(Low-K)晶片為軸對稱之模型，模型 中晶片位置不變而是改變劃分矽的深度與寬度，不同 2-D 尺度進行算，最後 建議朝向3-D 物理模型發展。
Chang-Lin Yeh等人[23][24]，建立3-D物理模型金導線與低介電常數(Cu Low-K)晶片，材料組成率中不同材料的彈性模數之參數研究。Copper-Via與 銲墊的等效應力增加則Low-K IMD與USG的彈性模數就減少。低彈性模數的 Passivation能防止Copper Via損壞，但它會造成銲墊上的應力增加。氧化層的 模數改變造成最大應力趨勢是顛倒的，不過氧化物的模數改變是不重要的。
passivation或者氧化層的模數變得更低，則在銲墊上的最大正向應力就減少，
但銲墊上的最大剪應力增加。Akella G.K.Viswanath等人[41]，銲線接合以3-D 物理模型建立金導線與低介電常數(Cu Low-K)晶片結構模型，數值模擬採用 ABAQUS有限元素法商用套裝軟體。
Chang-Lin Yeh 等人[25]，在金導線銲線接合完成進入銲線拉力測試，拉 力測試是評估是否假銲或接和良率，拉力測試造成第一鍵結(First Bond)的位
Chang-Lin Yeh 等人[25]，在金導線銲線接合完成進入銲線拉力測試，拉 力測試是評估是否假銲或接和良率，拉力測試造成第一鍵結(First Bond)的位