電性效應與銲線條件最佳化分析
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(2) 學位審定書. 1.
(3) 致謝 在這段求學的路程中，萬分感謝施明昌教授在我沒有實驗頭緒的時候指引 我，將我從困惑中引領向正確的實驗方向，才能順利完成此論文。實驗的過程中， 老師提點了我許多專業知識以及我應當做研究的方向，在實驗做到瓶頸和困難的 時候老師也不厭其煩的提點我許多關鍵去尋找出問題癥結點與老師討論，在討論 及解決問題的過程中讓我獲益良多。 感謝實驗室所有同學，郡良、昀駿、人源、景全、逸翔、世維，大家一起在實 驗室努力，互相分享彼此的經驗以及本身的專業，讓我在研究實驗機台的使用更 快速的上手，很榮幸能在這段時間與大家一起奮鬥，一同實驗。 最後我要感謝父母親對我的栽培支持，讓我能無後顧之憂的專心致志於學業及 實驗，在我遇到困難的時候從不間斷的支持關心我。. 2.
(4) 電性效應與銲線條件最佳化分析 指導教授:施明昌 博士 國立高雄大學電機工程學系 學生:王名正 國立高雄大學電機工程學系碩士班. 摘要 現今，銲線接合對於封裝產業來說是一道不可或缺的製程，半導體封裝各項 產品的特性以及客戶的需求還有公司的成本考量，已經有固定幾種常用的線材， 但對於打線的製程上還有許多需要研究和考量的方面，屏除機台異常產生的良率 異常，無論是線與線之間的間距亦或是銲線接點的接觸面積都會對產品特性以及 效能有著至關重要的影響，本論文承襲前一研究持續探討如何從銲線通電後產生 的電容效應以及線距對其造成的影響，從實驗中可看出單線及雙線在電容以及電 容阻抗上隨著頻率的提高得出相反的曲線。. 關鍵字 :打線接合、電容阻抗。. 3.
(5) The electrical property effect and best wire bonding conditions analysis Advisor: Dr. Ming-Chang Shih Department of Electrical Engineering,National University of Kaohsiung Student: Wang Ming Cheng Department of Electrical Engineering,National Kaohsiung University Master. ABSTRACT Today wire bonding most important process in IC package, for IC package characteristics and customers demand we have many different wire can choice , but we also have many problem in process need to better, without machine error to damaged products , however between two line current effect or wire bonding in pad dosen’t match all well influence product , this thesis is explore Capacitance in different frequency engender Capacitance and resistance effect , we anticipate the these can help to judge process electrical property of wire bonding. Keywords : Wire bonding、Capacitance impedance。. 4.
(6) 總目錄 學位審定書…………………………………………………………………………1 致謝…………………………………………………………………………………2 中文摘要……………………………………………………………………………3 英文摘要……………………………………………………………………………4 總目錄………………………………………………………………………………5 圖目錄………………………………………………………………………………7 第一章. 前言………………………………………………………………………10. 1-1. 銲線接合技術介紹………………………………………………………11. 1-2. 銲線結合方式……………………………………………………………12. 1-3. 接合材料介紹……………………………………………………………13 1-3-1. 金線介紹…………………………………………………………13. 1-3-2. 銅線介紹…………………………………………………………14. 1-3-3. 銀合金線介紹……………………………………………………15. 第二章. 銲線原理…………………………………………………………………16. 2-1. 銲線原理簡介……………………………………………………………16. 2-2. 銲線接合機制與影響接合強度之參數…………………………………19. 2-3. 拉力推球簡介……………………………………………………………20. 第三章 3-1. 實驗方法與步驟 ……………………………………………………23 Wire Bonding 實驗手動打線機操作步驟 ……………………………23. 3.1.1 打線機設備規格.........................................23 3.1.2 使用工具 ……………………………………………………………24 3.1.3 開機前檢查事項 ……………………………………………………24 3.1.4 開機&作業步驟………………………………………………………26 5.
(7) 3.1.5關機步驟………………………………………………………………29 3-2. 電容阻抗量測設備規格與操作………………………………………30 3.2.1電容阻抗量測設備規格介紹………………………………………30 3.2.2量測方式&步驟………………………………………………………31. 第四章. 銲線結合條件與電性變化………………………………………34. 4.1. 電容器阻抗 ……………………………………………………………34. 4.2. 電容電抗分析…………………………………………………………35. 4.3. 量測架設…………………………………………………………………36 儀器介紹…………………………………………………………36. 4.3.2. 模型分析…………………………………………………………37. 4.4. 4.3.1. PVC基板單線、雙線比較………………………………………………38 單雙線分析………………………………………………………38. 4.4.2. 溫度分析…………………………………………………………39. 4.5. 4.4.1. 陶瓷基板比較……………………………………………………………42 4.5.1. 無銲線分析………………………………………………………42. 4.5.2. 單線分析…………………………………………………………43. 4.5.3. 綜合比較…………………………………………………………45. 4.5.4. 升溫單線分析……………………………………………………46. 4.5.5. 升溫綜合分析……………………………………………………48. 4.5.6. 降溫單線分析……………………………………………………49. 4.5.7. 降溫綜合分析……………………………………………………51. 4.5.8. 陶瓷基板分析……………………………………………………52. 4.6. 比較數據………………………………………………………………55. 4.7. 應用………………………………………………………………………57. 第五章. 結論與未來展望 …………………………………………………………58. 參考文獻 ……………………………………………………………………………59 6.
(8) 圖目錄 圖1-1. Wire bonding示意圖[14]………………………………………………11. 圖1-2. Flip-chip示意圖[13] …………………………………………………11. 圖1-3. 球型接合作動示意圖[11]………………………………………………12. 圖1-4. 球型接合放大圖[12]……………………………………………………12. 圖1-5. 金線成品圖[15]…………………………………………………………13. 圖1-6. 銅線成品圖[16]…………………………………………………………14. 圖1-7. 銀合金線成品圖[17]……………………………………………………15. 圖1-8. 三種線材比較……………………………………………………………15. 圖 2-1. 焊接功率、時間、壓力歷程圖…………………………………………18. 圖 2-2. DAGE 4000 多功能焊接強度測試機[28] ………………………………20. 圖 2-3. DAGE 4000 固定治具[28]…………………………………………………21. 圖 2-4. 推刀與勾針[28] ………………………………………………………21. 圖 2-5. 產品推刀[28] …………………………………………………………21. 圖 2-6. 產品拉力[28] …………………………………………………………22. 圖 3-1. Wire Bonding 打線機設備圖……………………………………………23. 圖3-2. Wire Bonding 實驗手動打線機加熱平台………………………………24. 圖 3-3. Wire Bonding 實驗手動打線機 Bonding tools (tube )裝置 ………24. 圖3-4. Wire bonding 打線機能量&時間鈕………………………………………25. 圖3-5. Wire bonding 打線機溫度控制器………………………………………25. 圖3-6. Wire bonding 打線機超音波開關………………………………………26. 圖3-7. Wire bonding 打線機加熱器開關………………………………………26. 圖3-8. 溫度確認示意圖 …………………………………………………………27. 圖3-9. 尖端放電圖示……………………………………………………………27. 圖3-10. 手動測試桿圖示 ………………………………………………………28 7.
(9) 圖3-11. 打線開關圖示……………………………………………………………28. 圖3-12. 電容阻抗量測設備圖示…………………………………………………30. 圖3-13. 電容阻抗量測設備規格圖示……………………………………………30. 圖3-14. 4284接上導線圖示………………………………………………………31. 圖3-15. 量測圖示…………………………………………………………………31. 圖3-16. 量測前設定圖示…………………………………………………………32. 圖3-17. 量測前設定選項圖示……………………………………………………32. 圖3-18. 變更設定選項圖示………………………………………………………33. 圖3-19. 手動變更設定圖示………………………………………………………33. 圖4-1. 量測架設示意圖…………………………………………………………36. 圖4-2. RCL模型分析………………………………………………………………37. 圖4-3. PVC基板-金銅接面………………………………………………………38. 圖4-4. 150C 單雙線FR-ZC曲線…………………………………………………38. 圖4-5. 150C 單雙線FR-ZR曲線…………………………………………………39. 圖4-6. 高低溫FR-ZC曲線…………………………………………………………40. 圖4-7. 高低溫FR-ZR曲線…………………………………………………………40. 圖4-8. PVC高低溫OC-ZR曲線……………………………………………………41. 圖4-9. PVC高低溫OC-ZC曲線……………………………………………………41. 圖4-10. 空白基板FR-ZC曲線……………………………………………………42. 圖4-11. 空白基板FR-ZR曲線……………………………………………………43. 圖4-12. 單線FR-ZC曲線…………………………………………………………44. 圖4-13. 單線FR-ZR曲線…………………………………………………………44. 圖 4-14. 綜合 FR-ZC 曲線………………………………………………………45. 圖 4-15. 綜合 FR-ZR 曲線………………………………………………………46. 圖 4-16. 高溫單線 FR-ZC 曲線……………………………………………………47. 圖 4-17. 高溫單線 FR-ZR 曲……………………………………………………47 8.
(10) 圖 4-18. 綜合比較 FR-ZC 曲線……………………………………………………48. 圖 4-19. 綜合比較 FR-ZR 曲線……………………………………………………48. 圖 4-20. 低溫單線 FR-ZC 曲線……………………………………………………49. 圖 4-21. 低溫單線 FR-ZR 曲線……………………………………………………50. 圖4-22. 綜合比較FR-ZC曲線……………………………………………………51. 圖4-23. 綜合比較FR-ZR曲線……………………………………………………51. 圖4-24. 陶瓷高低溫0C-ZC曲線…………………………………………………52. 圖4-25. 陶瓷高低溫0C-ZR曲線…………………………………………………53. 圖4.26. 銲線條件與拉力推球值比較……………………………………………55. 圖4-27. 模擬LAY OUT圖面………………………………………………………57. 9.
(11) 第一章 前言 電子產品，跟隨著市場需求不斷的進步和更新技術，積體電路的尺寸也在不 斷的縮小，而隨著電子產品輕薄短小的要求，相對應的也不斷的在考驗電子封裝 銲線製程的技術，如何能又快、又穩、又好的完成焊線，成為重要的封裝產能及 良率指標。 在原物料上現今產業最廣泛應用的是鍍鈀銅線，與金線比較的優勢在於它的 單位價格便宜且導電性也能符合產品需求，相對的缺點是其材質較金線硬、延展 性也較差容易造成製程上的一些斷線產生，而且也因為其材質特性在銲線過程與 手指的接合面容易不完全接觸，造成後製程一些良率上的異常，因此後續還有因 應不同產品推出不同的線材，如同材質特性與金線較類似的銀線製程，或是追求 產品球型和線弧度穩定的純銅線製程，也都各有優缺點。 傳統上拉力測試是檢驗打線製程良率的主要方法，但隨著元件的接腳數增 加，傳統拉力測試會花費更多的時間來檢驗打線製程的良率，此外，打線的材質 亦隨著封裝的多樣性使用不同的製程條件需求，拉力測試的精確性也會產生誤 差，因此本研究的動機即在發展一種利用電性檢測打線良率新的方法，電性的精 確度與操作速度往往比機械動作快，我們將建立一簡單有關打線接點的電性阻抗 模型，透過實驗，對各式各樣的打線條件的接點進行電性量測與比對，找出接點 良率最高的打線條件，希望能發展出一種準確度高且速度快的打線電性檢測方 法，能提高未來先進 IC 封裝的接點測試效率。. 10.
(12) 1.1 銲線接合技術介紹 : 銲線製程是 IC 封裝產業中的製程之一，其目的是以導電性線材做為橋梁連 結晶片以及導線架，以目前產業主要製程來說是使用線徑約 18~30um 的金屬線將 兩者連接起來的技術，使晶片與導線架的電路做溝通。 針對銲線結合的技術來說，每條線分別與位於晶片端的第一銲點(First bond) 及導線架端的第二銲點(Second bond)做結合。先將銲線穿過銲針(capillary)穿出 銲針的線材會先經過放電棒在針頭部分燒出一圓球，在晶片端經過一段時間的壓 力、高溫、震盪後完成第一銲點，銲針與第一銲點結合完成就會抬高拉出線弧移 往第二銲點，也就是導線架上的手指，同樣的經過一段時間的壓力、高溫、震盪 後銲針會略微抬高後線夾關閉截斷線材再次燒球，完成一個循環，緊接著再繼續 下一打線接合的循環。. 圖 1.1 Wire bonding 示意圖[14]。. 圖 1.2 Flip-chip 示意圖[13]。. 11.
(13) 1.2 銲線結合方式 :. 以銲針方式進行銲線的稱為球型接合，方式是先經過一放電棒對金屬線放 電，利用高壓電放電，將凸出銲針的線熔化，因為表面張力的關係，金屬液體會 凝固成一個球狀物，稱為 放電結球 ，此時下壓至第一銲點，接著引線向上，經 過一個設定好的路徑，繞至第二銲點，直接下壓將線壓斷形成第二銲點呈現魚尾 形狀。 由於第一銲點的線材與基板呈現垂直的角度，因此第二銲點可自由選擇 位置，不會受到第一銲位置的限制。此製程含有放電結球的步驟，因此稱之為球 型接合，其銲點約 2.5-5.0 倍的線徑[5]。. 圖 1.3 球型接合作動示意圖[11]. 圖 1.4 球型接合放大圖[12] 12.
(14) 1.3 接合材料介紹 :. 1.3.1 金線介紹 : 接合的基板通常是鋁 薄膜 ，早期常用鋁線作為接合材料，鋁線雖便宜但易 氧化，導電性也不是最好的，在封裝產業的 可靠度 要求越來越高的同時，使用 不易 氧化 的 貴金屬 逐漸成為趨勢。金線具有良好的導電性及不易氧化的特性， 加上其良好的 延展性，在微米級線材製作上不易斷裂，逐漸取代鋁線成為主流。 但金線的價格高昂，在低成本及金價飆漲的同時，主流地位逐漸被取代[5]，如 圖 1.7。. 圖 1.5 金線成品圖[15]。. 13.
(15) 1.3.2 銅線介紹 : 銅線(如圖 1.8)，雖然是易氧化的材料，但其高 強度 的特性，可將線材製 作到更細的線徑但維持相同的強度，銅鋁生成 金屬間化合物 的速度也是金鋁的 十分之一[6]，金屬間化合物是兩種金屬接觸而生成的化合物，會增加物件的電 阻並產生熱，導致物件更快失效，因此採用銅線可以避免電阻大量升高並增加可 靠度。銅線的高強度，可使線材挑戰更高難度的連接形狀，如 封裝層疊 。雖然 銅線價格低廉，但其易氧化的特性容易使晶片失效，因此在外層鍍上一層另一層 抗氧化的薄膜逐漸成為主流線材[5]。. 圖 1.6 銅線成品圖[16]。. 14.
(16) 1.3.3 銀線(銀合金線) : 銀(銀合金)線(如圖 1.9)具有與金線接近的機械性質，具有較銅線優良的抗 氧化特性，在 LED 的封裝中，其優良的反光特性可增加約 10%的光量，逐漸被應 用在部分的封裝中。銀線在放電結球時，可形成非常圓的球，銀線與鋁基板的接 合效果也非常好，金屬間化合物的生成也相對較少[7][8]，可以增加其接合的可 靠度[5]。. 圖 1.7 銀合金線成品圖[17]。. 15.
(17) 圖 1.8 線材比較. 第二章 銲線原理 2.1 銲線原理簡介 : 銲線技術發展至今已經好幾十年但對於超音波銲接技術理論，至目前為止已 有相當多位學者，諸如 Weare. 在 1960 年所提出之金屬熔融理論以及 Joshi. 在 1971 年所提出之非熔融理論､亦或是 Harman 和 Albers 在 1997 年發現 之環狀銲點理論等，直至目前為止，卻尚無一確切定論。所以，本研究主要的目 的在於徹底瞭解超音波銲接過程中，透過各參數變化組合下所產生之銲點強度及 型態的變化上，去尋求相關銲接機原理。並透過超音 波銲接負荷–時間的時序 圖如圖 2-1 所示，以及藉由田口品質工程的手法，加上主成份分析手法、以及 模糊分析手法，交互探討來尋求超音波銲接過程中，各參數之間彼此交互作用情 形，以尋求超音波銲接最佳化的參數組合，藉此來提高超音波銲接之製程良率。 超音波能是機械的振動能，工作頻率超過聲波(正常的人類聽力，其頻率上限為 18 kHz)。半導體封裝所用的超音波壓銲的頻率一般是 40 kHz 到 120 kHz。超 音波壓銲是一種固相銲接方法，這種特殊的固相銲接方法可簡單地描述為︰在銲 接開始時，金屬材料在摩擦力作用下發生了強烈的塑性流動，為純淨金屬表面之 間的接觸創造了條件。而銲接頭區的溫升以及高頻振動，則又進一步造成了金屬 晶格上原子的受激活狀態。因此，當有共價健性質的金屬原子互相接近到以納米 計的距離時。就有可能透過公共電子形成了原子間的電子橋，即實現了所謂金屬 "鍵合"過程。超音波鍵合機制乃是利用「熱能」及「超音波」提供能量，使金屬 界面間產生一種快速且高頻的相對運動，藉由界面之摩擦能除去表層的金屬氧化 物，在高頻的往覆運動過程(16~120KHz)氧化膜將來不及生成並結合摩擦所產生 的犁割、黏著特性使原子產生擴散遷移，促進金屬界面間的金屬原子形成鍊結， 達成鍵合(Bonding)的目的，所以超音波銲接又稱"鍵合"，主要為連接同種或異 16.
(18) 種金屬、半導體、塑膠及陶瓷等的一種特殊的銲接方法。超音波銲接目前已廣泛 地應用於積體電路、電容器、超高壓變壓器屏蔽構件、微電機、電子元器件及電 池、塑膠零件的封裝等生產中。與傳統的銲接技術相比，超音波銲接技術具有高 速、高效率和高自動化等優點，成為半導體封裝內互聯的基本技術。超音波能是 機械的振動能，工作頻率超過聲波。因此經過對銲接過程的研究證明，摩擦、塑 性流動以及溫度是實現超音波銲接的 3 個互為倚賴的主要原素，其中摩擦起主 導作用，這不僅是銲接中的主熱源，而且透過排除氧化膜為純淨金屬表面間接觸 創造了條件。超音波銲接摩擦所需能量可由下式表示︰ 【ref】 E=∫µPvdt. 【1.1】. 在上式中︰µ 是摩擦系數； P–焊頭上所加的垂直壓力； v–焊頭振速。 其中的 V 可以寫成: v=4Af 其中 A 是銲針頭的振幅；f–超聲振動頻率； t–銲接時間;. 在生產過程中實際的超音波壓銲的參數，由於摩擦系數是由銲接材料與陶瓷 嘴和銲件的表面狀態、銲件固定的方法等有關，可以視為常數，壓力 P 與被 銲材抖的可流動性極限有關，與焊件材料的硬度、濃度及陶瓷嘴振幅大小有關； 通常由結合壓力. (bonding. force). 來表示，由機器提供的氣動壓力來控制，. 所以易於精確調整。振幅是由超音波產生器和銲接工具的設計所選定，它可由電 能的供給自動精確地控制和調整，以能量. (bonding. power). 來表示，且一旦. 超音波傳送桿(Transducer) 的幾何尺寸已定，則固有的共振頻率即確定，因此， 頻率往往在機器設計時就固定已知了，銲接時間由. (bonding. time). 來表示，. 可由電氣方面精確控制。故︰超音波銲接摩擦所需能量又可寫為︰ E=µf∫Padt. 所以有 3 個基本過程變數︰能量. 【1.2】. 、壓力 17. (力). 和時間。因為整個過程所.
(19) 要達到的最終目標是透過供給足夠的能量去分裂和分散氧化物，使之在原子距離 內彼此形成相對的層面，所以這些變數都是與能量緊密相關。此外，在實際的半 導體封裝製造過程中，往往採用輔助加熱的方法來促進塑性變形，而控制溫度的 方法是比較簡單的，因此，溫度也常作為一個過程變數來加以控制[26]。. 圖 2.1. 能量、時間、壓力歷程圖[25]。. 18.
(20) 2.2 銲線接合機制與影響接合強度之參數: 根據 Langenecker[20]、Joshi[21]等人的研究，若在金、鋁、銅等金屬材 受力變形的過程中，同時對材料輸入超音波，則應變所需的應力值會有明顯的降 低情形；咸認是超音波的輸入提供了能量，使差排易於滑移，因而造成材料軟化； 超音波接合即是應用此現象的一種銲接方法。 在打線接合過程中，通入超音波使線材軟化，令線端能在下壓至基板的 瞬間劇烈變形，造成線端與基板兩者接觸的表面極為貼合。此時，由於材料間的 貼合程度極高，故即使沒有擴散發生，也能依靠原子間的作用力[22]，或是機械 鎖合（Mechanical Interlocking）的方式創造鍵結；此外，超音波的劇烈震盪，可 某種程度地移除線材及基材表面的污染物及脆性氧化物質，對於提高接合品質， 亦具有正面的影響[23]。 以一般而言，影響超音波接合強度的製程參數包括超音波的能量、輸出 時間及接合時的下壓力等。超音波能量愈高或輸出時間愈長，或是接合時的下壓 力愈大，則鍵結強度愈強；但相對地能量過高或時間過長，亦有可能造成線材疲 勞，影響訊號傳輸的品質，下壓力過高則容易造成基板的損傷。通常在進行球形 接合時，結球在形成鍵結的過程中被壓得愈扁，亦即變形愈強烈，則接合的鍵結 力愈強，這可能是由於線材與基材緊密接觸的面積增加的緣故。因此有時可將變 形率做為接合品質的指標，而若要提升鍵結強度，則確保線材受力變形的程度夠 大，亦即確保其延展性，是有必要的。對於延性較差的線材，有時必須以熱處理 的方式提升其延性，以因應上述製程條件的需要。 [24]. 19.
(21) 2.3 拉力推球簡介 : DAGE 4000 多功能焊接強度測試機為目前各大廠商大多數在使用的檢測機 台，如附圖 2.2，分別為拉力和推球用工具還有固定 IC 的工具。操作方式為將 要測試 IC 放至於圖 2.3 的平台上固定後，選用適合的推刀和勾針如圖 2.4。. 圖 2.2 DAGE 4000 多功能焊接強度測試機[29]. 20.
(22) 圖 2.3 DAGE 4000 固定治具[29]. 圖 2.4 推刀與勾針[29]. 實際操作儀器在產品上拉力推球如下圖 2.5、2.6. 圖 2.5 產品推刀[2. 21.
(23) 圖 2.6 產品拉力[28] 在拉力的數據上我們可以發現第一和第二銲點有無鬆脫，而在推球上主要是驗證 球厚度以及球大小的差異，當機台數據設定相同的時候可以從推球以及拉力值的 差異判斷產品的良率以及問題可能的成因。. 22.
(24) 第三章 實驗方法與步驟 3.1. Wire Bonding 實驗手動打線機規格與操作步驟 :. 3.1.1 打線機設備規格 : 機台型號 : MEI 829Z - 屬球型焊線機(如圖 3.1)。 Viewing up to 80˚。 Wire Size : 1 Mil standarred。 Optional : 7-1 Mil Switchable。 1-2 Mil Switchable。 2 Mil。 3 Mil。 2-3 Mil Switchable。 Services : 110-115V，50/60 Hz，3A or 220-230V，50/60Hz，1.5A Size : 12”W x 18”D x 173/4”H。 Weight : 55 lbs 。. 圖 3.1 Wire Bonding 打線機設備圖. 23.
(25) 3.1.2 使用工具 : 線材( 金 & 銀合金 )、鑷子、Bonding tools( tube )。 3.1.3 開機前檢查事項 : (1).檢查待打線物體是否固定於加熱平台(如圖 3.2)上。. 圖 3.2 Wire Bonding 實驗手動打線機加熱平台 (2).檢查金線是否通過 Bonding tools (tube )如圖 3.3 示意圖。. 圖 3.3. Wire Bonding 實驗手動打線機 Bonding tools (tube )裝置. 24.
(26) (3).檢查金線是否被 clamp 住。 (4).檢查超音波震盪器 CH1、CH2 震盪能量時間及功率(如圖 3.4 示意 圖)是否在適當位置。. 圖 3.4 能量&時間鈕 CH2 時間及功率調整鈕. CH1 時間及功率調整鈕. (5).檢查 Wire bonding 打線機之加熱平台的設定溫度是否為正確 值(如圖 3.5 示意圖)。. 加熱平台設定溫度旋鈕. 圖 3.5 Wire bonding 打線機溫度控制器. 25.
(27) 3.1.4 開機&作業步驟 : (1).打開 Wire bonding 打線機之超音波震盪器電源開關(如圖 3.6)。. 圖 3.6 Wire bonding 打線機超音波開關 超音波電源開關. (2).打開加熱固定器之加熱開關(如圖 3.7)。. 圖 3.7 Wire bonding 打線機電源開關. 26.
(28) (3).確認加熱平台是否已經到達加熱設定溫度(如圖 3.8 示意圖)。. 加熱平台實際溫 度. 加熱平台設定溫 度. 圖 3.8 溫度確認示意圖. (4).手動測試尖端放電(切割銲線)是否切割動作正常(如圖 3.9 示 意圖)。. 圖 3.9 尖端放電圖示. 27.
(29) (5).移動待打線位置至預打線位置，手動測試 Bonding tools (tube)(如圖 3.10 示意圖)是否接觸到打線位置。. 圖 3.10. 手動測試桿圖示. (6).開始打 First bonding，按下打線開關(如圖 3.11 示意圖)，此 時 First bonding 已經打在待打線物體上。. 圖 3.11 打線開關圖示. 28.
(30) (7).開始打 Second bonding，找尋 second bonding 的位置，手動 測試 Bonding tools(tube)是否接觸到 second bonding 的打線 位置，按下打線開關，此時 second bonding 已打在待打線物體 上成一弧形且焊線已被切割器切斷。 (8).如還有要繼續打線，依照程序 4~7 的步驟重複即可。. 3.1.5 關機步驟 : (1).關掉 Wire Bonding 打線機之加熱平台加熱開關。 (2).關掉超音波震盪器之電源開關。 (3).將打線完成基板(物體)取下，並整理與清潔 Wire Bonding 打線機的工 作平台與工作環境。[30]. 29.
(31) 3.2 電容阻抗量測設備規格與操作 : 3.2.1 電容阻抗量測設備規格介紹 :. 圖 3.12. 圖 3.13. 電容阻抗量測設備圖示. 電容阻抗量測設備規格圖示[27]. 30.
(32) 3.2.2 量測方式&步驟 :. (1).將使用打線機作業完之成品，將基板兩端使用探針連接到 4284A 電容正 負兩端(圖 3.13)方可進行量測(圖 3.14)。. 圖 3.14 4284 接上導線圖示. 圖 3.15 量測圖示. (2).打開電源後確認設定項目為模式、固定電壓、調整頻率(圖 3.15)開始量 測，首先調整模式至 CP-RP(圖 3.16) 31.
(33) 圖 3.16 量測前設定圖示. 圖 3.17 量測前設定選項圖示. 32.
(34) 圖 3.18 變更設定選項圖示. 圖 3.19 手動變更設定圖示 調整頻率以及電壓都相同的方式，分別是 1.機台內設定的上升下降做調整 或是 2.手動輸入數值後 ENTER 即可生效. 33.
(35) 第四章 銲線結合條件與電性變化 針對一空白基板量測其初始在無銲線狀況的電容值以及其阻抗，在比較銲線後變 化，對照單線及雙線時串聯的概念分析可承受之頻率上限以及適用電壓。. 4.1 電容器阻抗 : 理想電阻器的阻抗. 是實數，稱為「電阻」. 其中， 是理想電阻器的電阻 理想電容器的阻抗. 是一虛數 ：. 其中， 是理想電容器的電容. 通過電容器的含時電流. 與電容器兩端的含時電壓. ，兩者之間的關係. 為. 設定含時電壓信號為. 則電流為. 兩者的除商為. 所以，電容器阻抗的大小為. ，交流電壓滯後 90°於交流電流，或者，交流. 電流超前 90°於交流電壓。. 34.
(36) 以指數形式表示， 、 、. ， 或者，應用歐拉公式，. [1]. 4.2.電容電抗分析: 分析電容值以及阻抗值分別在不同溫度下會呈現的狀況，其中電容值應用高 斯定律，在兩片導板之間的電場 為 ； 其中， 是介質的電容率。兩片導板的電勢差為 。 所以，電容為 。 電容與導板面積 A 成正比，與導板間隔距離 d 呈反比，這是在假設平板電容 器的面積 A 相當大的情況下，可以忽略電容器邊緣的效應。假設間隔距離 超小 於導板的長度與寬度，則上述方程式乃優良近似；在電容器內大部分區域的電場 是均勻的；在電容器周圍的邊緣電場只給出很小貢獻，可以被忽略。[28]. 35.
(37) 4.3 量測架設 : 4.3.1 儀器介紹 MEI 892Z 手動打線機、HP4284A、導線；步驟如圖 4.1 示意圖。. 圖 4.1 量測架設示意圖. 36.
(38) 4.3.2 模型分析. 圖 4.2 RCL 模型分析. 模擬基板銲線後的型狀推測呈現的 RC 電路會呈現如圖 4.2 一樣，在銲線上產生 的電阻與在接面產生的電容為本次論文主要的量測數據。. 37.
(39) 4.4.PVC 基板單線、雙線比較 : 4.4.1 單雙線分析 使用 PVC 基板圖 4.3 測試比較 150°C 下的單線和雙線銲線結果做驗證。. 圖 4.3 PVC 基板-金銅接面. ZC. 圖 4.4 150°C 單雙線 FR-ZC 曲線 38.
(40) ZR. 圖 4.5 150°C 單雙線 FR-ZR 曲線 在圖 4.4 和圖 4.5 中可以知道當單線變成雙線後，電容值上升符合我們增加 打線數後接面面積增加. 此時的 A=A1+A2，總面積上升故電. 容值上升，而雙線銲線可視為電阻並聯、阻抗值也因為等校電容的關係，理想值 此時電阻會降為原值的 1/2。. 4.4.2 溫度分析 MEI 892Z 手動打線機基本設定為 輸出功率: POWER 2 震盪頻率: TIME 2 溫度: 100°C～250°C HP4284A 量測設定為 FUNCTION : CP-RP FREQUENCY : 1KHZ～100KHZ LEVEL: 2V. 39.
(41) ZC. 圖 4.6 高低溫 FR-ZC 曲線. ZR. 圖 4.7 高低溫 FR-ZR 曲線. 40.
(42) 從溫度-頻率曲線發現溫度越高電容越高，可是阻抗在 160°C 時呈現最小 值，將圖面以溫度做為 X 軸來分析可以得到圖 4.7 和圖 4.8. ZR. O. C. 圖 4.8 PVC 高低溫°C-ZR 曲線. ZC. O. C. 圖 4.9 PVC 高低溫°C-ZC 曲線 41.
(43) 可以很清楚的發現無論是電容和阻抗在 160°C 後有一個明顯的轉折，依據銲 線原理綜和歐姆定律以及高斯定律判斷，當電壓源固定時在 170°C 有最大電流通 可知面積(A)上升 C 值會相應的. 過故可得到最小阻抗，根據. 變高，而逐漸升溫銲線接面可能會受熔融狀態影響、此時面積(Ａ)再次下降因此 電容值降低電阻值飆高。. 4.5.陶瓷基板比較 : 4.5.1 無銲線分析 HP4284A 量測設定為 FUNCTION : CP-RP FREQUENCY : 1KHZ LEVEL: 2v 固定電壓為 2v 後調升頻率從 1K-100K 觀察空白基板變化. ZC. 圖4.10 空白基板FR-ZC曲線. 42.
(44) ZC. 圖4.11 空白基板FR-ZR曲線. 圖4.10、圖4.11在無打線的狀況 可測得空白基板本身為絕緣體，所以在通 電後會造成一極微小的寄生電容，由於為絕緣體未銲線狀況下無導通故無阻抗。. 4.5.2 單線 MEI 892Z 手動打線機基本設定為 輸出功率: POWER 2 震盪頻率: TIME 2 溫度: 150°C HP4284A 量測設定為 FUNCTION : CP-RP FREQUENCY : 1KHZ LEVEL: 2v 固定電壓為 2v 後調升頻率從 1K-100K 觀察變化. 43.
(45) ZC. 圖4.12 單線FR-ZC曲線. ZC. 圖4.13 單線FR-ZR曲線. 44.
(46) 在圖4.12以及4.13中可以看出CP曲線與RP曲線是呈現反比狀態，在提升頻率 至高頻的時候可發現Zc=1/wc 所以Zc下降，但頻率上升、電壓也受影響些許升 高，故因此電阻有略微上升。. 4.5.3 綜合比較. ZC. 圖4.14 綜合FR-ZC曲線. 45.
(47) ZC. 圖4.15 綜合FR-ZR曲線. 對照有銲線和無銲線下的電容，可發現曲線趨勢相同且 ZC 與 ZR 隨著頻率上 升呈現正反比，這也吻合了我們最初的電容阻抗理想公式 Zc=1/wc，從 4.4 的實 驗中可發現溫度對銲線接面有極大的影響，為了解銲線接面與電容阻抗的關聯， 接著更動銲線時的條件做更深入的分析。. 4.5.4 升溫單線 MEI 892Z 手動打線機基本設定為 輸出功率: POWER 2 震盪頻率: TIME 2 溫度: 250°C HP4284A 量測設定為 FUNCTION : CP-RP FREQUENCY : 1KHZ LEVEL: 2v 固定電壓為 2v 後調升頻率從 1K-100K 觀察變化. 46.
(48) ZC. 圖 4.16 高溫單線 FR-ZC 曲線. ZR. 圖 4.17 高溫單線 FR-ZR 曲線 在圖4.16以及4.17中可以看出CP曲線與ZR曲線是呈現反比狀態，提升頻率至 高頻的時候可發現符合電容阻抗理想公式Zc=1/wc、所以Zc下降。. 47.
(49) 4.5.5 升溫綜合比較 接著綜合比較升溫前後曲線差異. ZC. 圖 4.18 綜合比較 FR-ZC 曲線. ZR. 圖 4.19 綜合比較 FR-ZR 曲線 將溫度上升至 250°C 後發現同頻率高溫下的電阻值較小、但電容值較大，研 48.
(50) 判在升溫下的接合面可能與原先 150°C 下銲線接面相比較起來，高溫 250°C 接面 優淤 150°C，才會對兩者的結果有趨勢上的差異，接著嚐試做惡化接面，以低溫 狀態下做銲線測試。. 4.5.6 降溫單線 MEI 892Z 手動打線機基本設定為 輸出功率: POWER 2 震盪頻率: TIME 2 溫度: 100°C HP4284A 量測設定為 FUNCTION : CP-RP FREQUENCY : 1KHZ LEVEL: 2v 固定電壓為 2v 後調升頻率從 1K-100K 觀察變化. ZC. 圖 4.20 低溫單線 FR-ZC 曲線. 49.
(51) ZR. 圖 4.21 低溫單線 FR-ZR 曲線 在低溫下進行銲線後量測的電容和電阻值在150°C及250°C有一樣的趨勢，當 頻率越大則電容越小、電阻越大，從圖 4.20和圖 4.21中可看出兩者之間呈現相 反的趨勢。. 50.
(52) 4.5.7 降溫綜合比較 接著綜合比較升降溫前後曲線差異. ZC. 圖 4.22 綜合比較 FR-ZC 曲線. ZR. 圖 4.23 綜合比較 FR-ZR 曲線 51.
(53) 將溫度從 100°C～250°C 畫成曲線後可發現同頻率高溫下的電阻值較小、但 電容值較大，而降溫的電阻值大於、而電容值低淤高溫狀態，研判在高溫下的接 合面與低溫比較起來是較優良的接面，後續驗證溫度到 300°C 後驟降，可確認 250°C 是一個相對較優良的溫度。. 4.5.8 陶瓷基板綜合分析 從不同材質的兩種基板看起來，在電容及電阻上的趨勢和變化是相同並且可 以分別找出材質最適合的銲線溫度，從圖 4.24、圖 4.25 可看出來陶瓷基板在較 高的溫度下可得到較佳的銲線接面，電阻值可得到對低點對應電容值到達最高 點。. ZC. O. C. 圖 4.24 陶瓷高低溫°C -ZC 曲線. 52.
(54) ZC. O. C. 圖 4.25 陶瓷高低溫°C -ZR 曲線 比較與 PVC 基板的差異，陶瓷基板相對的可以在較高溫區域得到最低的電阻 值，而 PVC 基板較適用 200°C 以下的作業環境，並可確定此實驗方式能得到可靠 且穩定的數據。. 53.
(55) 4.6 比較數據. 圖 4.26 銲線條件與拉力推球值比較[31] 為驗證電性的量測結果與實際參數互相匹配吻合，可以從圖 4.26 看出來， 54.
(56) 互相條件相同的情況下溫度高的拉力推球值會較低的數值高出許多，而在溫度 160°C～180°C 中可得到相對與高低溫更好的拉力推球值，這也與第一個實驗所 得出的電性結果相符合，判斷為一可行的量測手法。. 55.
(57) 4.7 應用 左圖為一般產品設計時的 Lay Out 圖面，根據腳數和 PAD 數設計打線時的順 序以及距離還有位置，右圖為增加 Test Key 的位置，材質以符合產品的材質為 主，可設計為產品的前兩條銲線，對產品作業影響就可降低並且在 Moding 後也 不需切片拆開，只要接電就可測量此種材質以這樣的作業參數銲線在 Moding 後 接面是否會產生其他變異。. 圖 4.27 模擬 LAY OUT 圖面. 56.
(58) 第五章 結論與未來展望 從以上實驗內容以及數據可以看出，在不同的要素影響銲線接面狀態，可得 出不同的電容效應，且在單雙線上的比較來說，線與線之間的距離，或是線本身 的長短都會在電容以及阻抗上有差異，但在整體趨勢以及變化量來說影響最大的 還是在於線本身的接面，尤其在現今產品打線數日益增加，如何從電容和阻抗來 觀察並找出最佳接面是非常重要的項目，在實驗結果可以看到，在使用不同溫度 下進行的點對點銲線，可判斷無論是低溫銲線或是高溫銲線的接面面積較高，因 此導電後產生的電容也相對較高。 本次論文主要是針對於目前封裝測試使用的破壞性測試法(拉力、推球)來做 更新，拉力推球測試是在分析一個銲點的球與接面是否完整有達到理想的 100% 結合，若打線力量太強可能會造成球脫離或鋁墊受損、過度提高溫度會對銲線時 造成銲接困難像是球變型、扁球反而會影響導電，以及可能造成基板脆化，容易 造成銲不黏的狀況，可是比較目前封測廠所使用的拉力推球模式，很容易受到人 為操作影響或是每個人判斷不同所以在拉線和推球的位置也有不同會容易造成 誤判，因此本論文目標是尋找一使用電性的方式去判斷打線接面是否完整，能夠 在 IC 接上電源後從電容效應上做出判斷，提供多一種檢測方式來判斷，而且相 對於需要人工逐步拉力推球來說也要更加的快速便捷。 在 IC 尺寸不斷縮小的需求下、銲線數也不斷的增加，接面積也因此越縮越 小，以這種量測方式可以順利的找到轉折點並且推算最佳銲線條件，不過還有很 多需要更新和精進的方向，像是當研磨震盪的頻率較高對銲線面的影響以及銲線 的能量提高降低，破壞的導電層是不是也會有額外的電性導致量測上的誤差，如 果能完善各項細節相信未來可以平展到不只 IC 產業，對工廠的的產能以及良率 提升會有相當的幫助。. 57.
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