溫度變化對鎳鈀金釘架銲線能力的探討與研究
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(3) 溫度變化對鎳鈀金釘架銲線能力的探討與研究 指導教授：施明昌 博士（教授） 國立高雄大學電機工程系研究所 學生：徐岳樑 國立高雄大學電機工程系研究所 摘要 本論文之摘要為半導體構裝產業，從2005年開始廣泛使用減少錫鉍、錫銅電鍍等封 裝電鍍製程，並推展預先電鍍(Pre-plating-frame)鎳鈀金釘架，作為綠色產品元件。 本研究針對在半導體構裝中，鎳鈀金預先電鍍釘架在銲線製程中對銲線能力的探 討，將分成三部分做研究探討，首先介紹鎳鈀金預先電鍍釘架的結構、銲針磨耗與釘架 關係分析、熱板溫度、製程因素；第二將DOE實驗分析金線銲線在不同溫度下，對鎳鈀 金預先電鍍釘架腳上的魚尾銲接成型結果；最後分析影響釘腳銲線能力的熱板溫度部 分，以了解熱板溫度與銲線製程的影響性，然後成功的得到銲線製程的最佳化溫度，有 助於有效改善其他半導體封裝產業在鎳鈀金釘架銲線的問題。 在這項研究結果中，可以知到最佳化溫度在鎳鈀金金屬層的影響，熱板溫度低時， 銲線能力較差，但是較高的溫度卻可以讓銲線能力加強，在不影響釘架下，溫度的變化， 在鎳鈀金預先電鍍釘架釘架上均有較佳的銲線強度。. 關鍵字：鎳鈀金、預先電鍍釘架、銲線強度 、 熱板溫度. I.
(4) The Study of The Effect of Temperature Variation In Bond-ability For PPF Leadframe Advisor(s): Dr.(Professor) Ming-Chang Shih Institute of Electronic Engineering National University of Kaohsiung. Student: Hsu, Yueh-Liang Institute of Electronic Engineering National University of Kaohsiung ABSTRACT In this thesis, we have demonstrated an invented structure of pre-plating lead-frame (PPF) processing to replace the conventional Sn-Bi / Sn-Cu plating structure which attracted interest of research for developing green processing for semiconductor packaging. Wire bond capillary abrasion method has been use to study the effect of heat block temperature , and structures of PPF Design of Experiment analysis has also been used to study the failure modes of second bond in PPF wire bonding. We have achieved the optimized parameters in PPF wire bonding process by adjusting the temperature of the heat block to improve the bonding liability in PPF wire bonding process at elevated temperature.. Keywords: Ni , Pd, Au, PPF, Bond-ability, heat block temperature. II.
(5) 致謝 研究所這兩年時間，承蒙指導教授施明昌老師在研究及生活上的諸多 啟發與照顧，並於論文寫作中辛苦的指導與詳細的說明輔正，在此致上最 誠摯的敬意與感謝，另外特別感謝日月光公司的各部門經理與主任指導我 論文上的技能與建議跟指教，還有也感謝同學尊聖、偉煌以及淑華生活上 諸多的幫忙，最後要感謝家人給予我的支持，使我能專心於研究，完成研 究所的學業。. III.
(6) 目錄 中文摘要 .........................................................................……................…........I 英文摘要.................................................……….............................…................II 致謝........................................................……….............................…...............III 目錄.....................................................……….............................…..................IV 圖目錄 ..............................................………...........................….....................VI 表目錄 ..............................………......................................................................X 第一章 前言.........................………....................................................................1 1- 1 研究背景..............………..................................................................…......3 1-1-1 鎳鈀金 PPF 釘架與電鍍銀釘架製造成型之差異介紹……….………3 1-1-2 鎳鈀金與鍍銀釘架銲線封裝製程差異介紹……………………………4 1-1-3 傳統鍍銀釘架封裝製程的風險與顧慮…………………………………6 1- 2 研究動機................……….......................................……...........................9 1-2-1 鎳鈀金預先電鍍釘架的優點……………………………………………9 1-2-2 鎳鈀金釘架銲線能力不佳造成魚尾頸部斷裂…………………………9 1-2-3 銲針的影響性分析……………………………………………………..10 第二章 不同釘架材料與結構對銲線製程的影響…………………………..12 2-1 各廠商鎳鈀金預先電鍍釘架的材料分析與比較……………………….12 2-2 文獻討論………………………………………………………………….18 IV.
(7) 第三章 鎳鈀金釘架銲線強度的測試與效能評估…………………………..20 3-1 銲線製程簡介………………………………………………………….....21 3-2 拉力測試原理與作用………………………………………………….....29 3-3 不同釘架材料與銲線溫度參數對銲線強度的效能測試…………….....32 3-4 測試結果與分析討論………………………………………………….....36 第四章 最佳化銲線溫度參數之可靠度驗證………………………………..44 4-1 可靠度試驗規範……………………………………………………….....44 4-2 可靠度設備…………………………………………………………….....49 4-3 可靠度試驗流程……………………………………………………….....59 4-3-1 前處理實驗……………………………………………………………..59 4-3-2 非破壞性試驗結果……………………………………………………..60 4-3-3 破壞性試驗結果………………………………………………………..63 4-3-4 前處理實驗結果………………………………………………………..65 4-4 產品可靠度驗證試驗………………………………………………….....65 4-4-1 產品可靠度驗證實驗測試流程………………………………………..66 4-4-2 產品可靠度驗證實驗檢驗結果………………………………………..67 4-4-3 非破壞性試驗結果……………………………………………………..67 4-4-4 實驗結果………………………………………………………………..68 第五章 結論…………………………………………………………………...69. V.
(8) 圖 目 錄 圖 2-1： 拉力測試方法……………………………………………………………………..12 圖 2-2： 粗糙化的鎳鈀金預先電鍍釘架示意圖………………….…………………….....13 圖 2-3： 銲線強度在傳統鎳鈀金釘架與粗糙化的鎳鈀金釘架的比較…………………..13 圖 2-4： 改善鎳層與鈀層的表面結構……………………………………………………..14 圖 2-5： 鈀層的改變對 Wire Pull 銲線強度的影響…………………….………………..15 圖 2-6： 傳統鎳鈀金釘架與 u-PPF 鎳鈀金釘架的比較………………………………….16 圖 2-7： 鎳鈀金各層的對應關係圖……………………………………………………….17 圖 2-8： 銅鍍銀釘架與鎳鈀金預先電鍍釘架在 1100K bond 的銲線品質……………….18 圖 3-1：W/B製程週期圖(a)…………………………………………………………………22 圖 3-2：W/B 製程週期圖(b)………………………………………………………………..22 圖 3-3： W/B 製程週期圖(c) 第一個熔接位置 1st Bond (Ball)………………………….23 圖 3-4：W/B 製程週期圖(d)………………………………………………………………..23 圖 3-5：W/B 製程週期圖(g)………………………………………………………………..24 圖 3-6：W/B 製程週期圖(h)第二個熔接位置 2nd Bond (Stitch)…………………………24 圖 3-7：W/B 製程超音波法週期圖(a)……………………………………………………..25 圖 3-8：W/B 製程超音波法週期圖(b)………………………………………………………25 圖 3-9：W/B 製程超音波法週期圖(d)……………………………………………………..26 圖 3-10：W/B 製程超音波法週期圖(e)…………………………………………………….26 圖 3-11：W/B 製程超音波法週期圖(f)…………………………………………………….27 圖 3-12：銲線完整週期圖………………………………………………………………….27 圖 3-13：銲線機台的設備結構與間接材料…………………………………………………..28 圖 3-14：銲線後的剖面示意圖…………………………………………………………….28 圖 3-15：SEM 完整銲線後的各部位說明 (包含 1st bond 、2nd bond)………………….29 圖 3-16：拉力測試儀……………………………………………………………………….30. VI.
(9) 圖 3-17：拉力測試方法(針對 1st bond)……………………………………………………..30 圖 3-18：拉力測試方法(針對 2nd bond)…………………………………………………….31 圖 3-19：封裝流程圖……………………………………………………………………….34 圖 3-20：PPF與鍍銀釘架組合銲線折線圖…………………………………………………37 圖 3-21：銲針受損部位對銲線失敗模式分析圖…………………………………………..37 圖 3-22：傳統鍍銀釘架的2nd Bond………………………………………………………..38 圖 3-23：傳統PPF釘架的2nd bond…………………………………………………………38 圖 3-24：不同鍍層厚度組合銲線折線圖…………………………………………………..39 圖 3-25：各種不同鍍層厚度2nd Bond 正視圖……………………………………………39 圖 3-26：不同熱板溫度不經Plasma 製程組合組合銲線折線圖…………………………41 圖 3-27：不同熱板溫度不經Plasma 製程 2nd Bond 正視圖……………………………41 圖 3-28：不同熱板溫度經Plasma 製程組合組合銲線折線圖…………………………….43 圖 3-29：不同熱板溫度經Plasma 製程 2nd Bond 正視圖……………………………….43 圖 4-1：可靠度測試浴缸曲線(Bathtub Curve of reliability test)…………………………..45 圖 4-2：Specific Points on the OC Curve……………………………………………………47 圖 4-3：溫度循環機 TCT (Temperature Cycling Tester Instruction)……………………….50 圖 4-4：壓力鍋 PCT(Pressure cooker tester)………………………………………………..51 圖 4-5：高加速老化機 HAST (High Accelerated Stress Test)……………………………..52 圖 4-6：恆溫恆濕機 THT (Temp Humidity Test)…………………………………………..53 圖 4-7：高溫儲存測試機 HTST (High Temp Storage Test)……………………………….53 圖 4-8：熱風式迴焊爐 Solder reflow equipment…………………………………………..56 圖 4-9：開短路測試 Open/Short tester……………………………………………………..57 圖 4-10：超音波掃瞄機 SAM (Scanning Acoustic Microscopy)…………………………..58 圖 4-11：經 Plasma 產品之超音波掃瞄反射模式…………………………………………61 圖 4-12：不經 Plasma 產品之超音波掃瞄反射模式………………………………………62 圖 4-13：經 Plasma 產品之超音波掃瞄穿透模式…………………………………………62 VII.
(10) 圖 4-14：不經 Plasma 產品之超音波掃瞄穿透模式………………………………………63 圖 4-15：金線與釘架結合處剖面圖之一………………………………………………….64 圖 4-16：金線與釘架結合剖面圖之二…………………………………………………….64 圖 4-17：金線與釘架結合剖面圖之三…………………………………………………….65 圖 4-18：超音波掃瞄穿透模式…………………………………………………………….67 圖 4-19：超音波掃瞄反射模式…………………………………………………………….68. VIII.
(11) 表 目 錄 表 3-1：拉力試驗規格……………………………………………………………………….32 表 3-2：銲線基本參數表…………………………………………………………………….33 表 3-3：PPF 與鍍銀釘架組合表……………………………………………………………34 表 3-4：不同鍍層厚度組合表………………………………………………………………35 表 3-5：不同熱板溫度經Plasma 製程組合表……………………………………………..35 表 3-6：不同熱板溫度不經Plasma 製程組合表…………………………………………..35 表 3-7：PPF 與鍍銀釘架組合銲線強度能力表(拉力測試)………………………………..36 表 3-8：不同鍍層厚度組合銲線強度能力表(拉力測試)………………………………….39 表 3-9：不同熱板溫度不經Plasma 製程組合銲線強度能力表(拉力測試)………………40 表 3-10：不同熱板溫度經Plasma製程組合銲線強度能力表(拉力測試)…………………42 表 4-1：可靠度試驗項目、試驗條件、參考標準表………………………………………49 表 4-2：迴銲作業測試條件表……………………………………………………………….55 表 4-3：開短路檢測規格表………………………………………………………………….57 表 4-4：超音波檢測規格表………………………………………………………………….58 表 4-5：前處理實驗流程……………………………………………………………………60 表 4-6：產品可靠度驗證實驗測試流程…………………………………………………….66. IX.
(12) 第一章 前言 世界各國因應環保意識與永續發展，無不訂定各相關環保規定，如歐 盟的ROHS 、EuP，日本的Sony GP，因而引導許多企業體系朝向綠色環保 產品發展，在投資經費上也花費許多的人力及研究精神及研究經費於各種 具有環保性質的綠色材料。以半導體封裝領域來說，各樣的直接或間接材 料慢慢的由無鉛材料取代，如銀膠(Epoxy)、錫銅電鍍、純錫電鍍、鎳鈀金釘 架和不含磷的高分子化合物(Compound )。當然，以釘架的封裝基礎而言，電 鍍製程是在整個封裝過程中，對綠色品質引響最大的一個製程，而且純錫或其他 錫合金電鍍製程，會有錫鬚成長的風險，尤其在微細的腳間距上(0.15或是0.13微 米)的釘架產品中更為顯著，因此有些企業慢慢的選擇以鎳鈀金釘架做為標準的 綠色環保基板，不但可以避免錫鬚成長的風險，且因其鎳鈀金釘架已經預鍍好鎳 鈀金於釘架表面，因此在鎳鈀金釘架的封裝過程中，更省略了封裝製程中的電鍍 製程花費。 以往鍍銀釘架只有內腳鍍銀，以便在封裝時進行銲線製程；相對的，鎳鈀金 釘架須先在釘架廠將鎳鈀金鍍在整個釘架上，做好預先電鍍的動作，且在封裝 時，將銲線直接打在鎳鈀金上，也因此在整個銲線製程上，由銲線在鍍銀釘架的 內腳上，換成直接銲線在預鍍好鎳鈀金的鎳鈀金釘架上，這樣的變化，製程中的 銲線製程必須重新的做好評估及驗證。 在銲線製程中，屬於釘架本身的銲線缺點模式可分為魚尾脫落或魚尾頸部斷 1.
(13) 裂兩種。一般而言，造成銲線缺點的原因有許多，其中像釘架手指的表層汙染， 銲針的汙染及損耗，機台設定及校正，還有參數的設定不佳，均是造成銲線失敗 的主要因素之一。本論文研究的主題，將探討銲線熱板溫度效應對鎳鈀金釘架結 構失敗模式的相關性。 首先將進行目前鎳鈀金釘架銲線製程的分析，即使用與鍍銀釘架相同的銲線 參數，使用在鎳鈀金釘架銲線製程上，所產生的魚尾銲點之敗模式，並將不同材 料之鎳鈀金釘架與銲線強度做比較分析，發現其中一組鎳鈀金釘架其鎳鈀金鍍層 厚度較低，表面較為整密，若使用與鍍銀釘架相同的銲線參數，會有較好的銲線 強度表現，故以此為基礎進行不同材料結構之鎳鈀金釘架對銲線製程之各項可靠 度的分析評估以建立鎳鈀金釘架最佳化材料結構與製程參數的銲線強度。. 2.
(14) 1-1. 背景. 1-1-1 鎳鈀金 PPF 釘架與電鍍銀釘架製造成型之差異介紹 在釘架的製造過程如圖1-1 鍍銀釘架與鎳鈀金的差異在於鍍銀釘架是 在電鍍時鍍上銀，而鎳鈀金釘架則是鍍鎳鈀金，另外鍍銀釘架與鎳鈀金的 釘架的最大不同點是鍍銀釘架需使用光罩製程將所需電鍍部分做鍍銀層之外， 而鎳鈀金釘架則不需要光罩將所需鍍層分別開來，只需全部做完鎳鈀金的鍍層， 亦即鍍銀釘架在內腳鍍上銀，然而鎳鈀金的釘架則是在於釘架製造時，整 條釘架分別鍍上了鎳鈀金。. 圖 1-1：鎳鈀金釘架與鍍銀釘架之差異性比較. 3.
(15) 1-1-2 鎳鈀金與鍍銀釘架銲線封裝製程差異介紹 一般傳統鍍銀釘架的封裝製程，從晶圓切割開始，到成品包裝出貨， 包含了晶圓切割、黏晶粒、銲金線、封模、穩定烘烤、電鍍、去膠去緯、 正印、到去框成型出貨。然而在電鍍製程中，為了將錫銅或是純錫電鍍材 料鍍於釘架的外腳上，在去膠去緯成型時，不容易將錫銅或是純錫材料完 全去除，造成錫鬚殘留而導至手指短路，然而鎳鈀金釘架則預先在釘架製 造廠便鍍好了鎳鈀金以供上板使用，因此在封裝製程中，省掉了電鍍製程， 而避免了錫鬚殘留的現象。 如圖1-2、1-3在鎳鈀金的釘架封裝製程中，幾乎完全相同於傳統的鍍銀 釘架製程，最大的不同點，在鎳鈀金預先電鍍釘架的封裝製程中，金線在 銲線製程中，是直接銲線在鎳鈀金的材質上，也就是鎳鈀金的釘架，跟傳 統鍍銀釘架是不同的，也因為鎳鈀金是不需要電鍍製程的，因此不需要在 外腳做電鍍，也可以避免環境所產生的污染。更顯見出銲線製程中與鍍銀 釘架的差異性。. 4.
(16) 圖1-2：鍍銀釘架與鎳鈀金釘架製程比較. 圖1-3：鍍銀釘架及鎳鈀金預先電鍍釘架的剖面示意圖. 5.
(17) 1-1-3 傳統鍍銀釘架封裝製程的風險與顧慮 前述說明在傳統鍍銀封裝製程中，因為焊性的需要，需借由錫材料讓 封裝好的IC與主機板能夠合在一起，如圖1-4 所示，因此在傳統鍍銀釘架 的封裝製程中，都需要一個上錫製程將封裝好的產品外腳鍍上一層錫，以 便讓IC與基板順利連接。 然而在鍍錫產品雖然可以讓IC與基板順利連接，但是卻會在經過一些 可靠度的試驗，時間上的延展，讓原本微觀的錫鬚因成長因素，導致錫鬚 更為顯著，而讓產品的腳間距之間產生了短路的情況。如圖 1-5 顯示錫鬚 會因為電鍍不良，而產生些許的錫鬚殘留現象，而在銅與錫的IMC成長， 會讓錫鬚的成長更為顯著。但就各種的環境因素，以及可靠的測試條件、 溫度變化、甚至溼度等等，會讓錫鬚的現象相當多變，如圖 1.6 顯示各種 錫鬚成長的缺陷狀況，錫鬚的樣式有許多現象，有圓柱體式(Column)、山 丘型(Hillock)、樹枝狀(Branched) 、 土堆狀(Mound)、針狀(Needle) 、彎 曲狀(Bending)，這些的狀況，都是各種常見的錫鬚因環境因素所變化的形 狀，其最後都會造成在為間距的腳類產品IC上的短路風險。. 6.
(18) 圖 1-4：IC與基版之接合製程. 圖 1-5：鍍錫製程的錫元素與銅材的IMC 成長. 7.
(19) 圖 1-6：在電鍍製程中各種錫鬚成長模式. 8.
(20) 1-2 研究動機 1-2-1 鎳鈀金預先電鍍釘架的優點 歸納前述鎳鈀金釘架之製程優點為 : 1. 本身即為綠色環保材料 2. 製程時間的縮減 3. 不需要改變IC上板及封裝製程，並可與鍍銀製程並行生產 因此，由這三點更可知道鎳鈀金的釘架相較於傳統的鍍銀釘架的好 處，在不需改變現狀的情況下，更可避免鍍銀釘架在現行傳統製程中所遭 遇的問題。. 1-2-2 鎳鈀金釘架銲線能力不佳造成魚尾頸部斷裂 然而在鎳鈀金的預先電鍍釘架上，容易造成如圖 1-7 魚尾頸部斷裂， 造成鎳鈀金釘架與金線的銲線強度不良。. 圖 1-7：鎳鈀金釘架銲線之魚尾斷裂模式. 9.
(21) 1-2-3 銲針的影響性分析 在銲針在銲線手指時，魚尾頸部的Stress 因銲線原理在超音波震盪時 因表面材質不同而有所粗糙，導致隨後的銲針頭部受損及污染，如圖1-8 所 示，在銲針的外緣，有著明顯的破損與磨耗，這會因表面材質及參數上的 不同，而有著不同的影響，相對的銲針的壽命，也會跟著有絕對性的影響。. Build up on capillary induced extra stress on the heel of crescent. 圖 1-8：銲針stress示意圖 銲針的壽命，取決於在連續週期性的銲線動作下，在整個銲線過程中， 金線線型的好壞，與金球結構共金和魚尾鋼印的顯著與否之中，壽命越長， 表示其銲針的可用性高，不會因壽命變長，而導致整個銲線過程的變異， 而有變形的狀況；如圖1-9 和圖 1-10 分別顯示在1000K bond 後的銲針受 損示意圖， 可以明顯發現銲針在鎳鈀金預先電鍍釘架的材料底下，有著比 在傳統鍍銀釘架的材料上，受損的情況更為嚴重。. 10.
(22) 圖 1-9：鍍銀釘架1000K Bond 後的磨損示意圖 (Reference: Samsung Presentation report). 圖 1-10 鎳鈀金預先電鍍釘架 1000K Bond 後的磨損示意圖 (Reference: Samsung Presentation report). 11.
(23) 第二章 釘架差異對銲線製程的影響 本章節主要探討相關利用拉力測試儀如圖2-1 來評估銲線強度在鎳鈀 金銲線製程上的研究，包含有銲線參數、熱反應，銲針狀況及不同鎳鈀金鍍 層厚度的金屬層組合以及各廠商的PPF 釘架材料分析與比較。. 圖 2-1：拉力測試方法. 2-1各廠商的鎳鈀金預先電鍍釘架材料分析與比較 MHT 在報告中指出，表面的粗糙程度，如圖2-2 顯示，有的將銅底材做粗糙 化，有的將鎳層做粗糙，但後續的鎳鈀金都會因為底材粗糙化，而一起的粗糙化，對 產品的可靠度相當程度的好處，但相對而言，粗糙化後的表面間隙較大，容易讓銲線 黏著於釘架表面，並可以得到較好的銲線強度，如圖2-3 顯示，在固定的參數下，可 以看出傳統的鎳鈀金預先電鍍釘架上，其手指魚尾的結構相當完整，但在粗糙化的鎳 鈀金預先電鍍釘架上，魚尾結構相當的不理想，更會導致魚尾頸部斷裂。 12.
(24) 圖 2-2：粗糙化的鎳鈀金預先電鍍釘架示意圖 (Reference : MHT “Roughness study of pre-plating L/F report”). 圖 2-3：銲線強度在傳統鎳鈀金釘架與粗糙化的鎳鈀金釘架的比較 (Reference : MHT “Roughness study of pre-plating L/F report”) 13.
(25) Shinko 也曾經發表指出，鎳鈀金的表層結構跟厚度有相關的影響，並針對鎳 鈀金的釘架做鎳層跟鈀層的厚度縮減，有明顯的改善可靠度及增加銲線強度，本文也 將有針對不同的鍍層厚度做評估。. 圖 2-4：改善鎳層與鈀層的表面結構 (Reference : Shinko “Pd-PPF General introduction Report”). 14.
(26) ASM 在報告中指出，傳統的鎳鈀金厚度在改變了鈀層的厚度之後，有明顯的 增強銲線強度，因而本文在改變鍍層厚度的基準下，也會探討鍍層厚度改變對銲線強 度的衝擊。. 圖 2-5：鈀層的改變對 Wire Pull 銲線強度的影響 (Reference : ASM “Pd PPF introduction 2003-11 Report”). 15.
(27) Sumitomo 在評估報告中指出，改變鎳鈀金釘架最表層的金層改變為合金 層，將會對銲線強度有明顯的加強，因此本篇文章也將針對表層合金的改變，做銲 線強度的評估。. 圖 2-6：傳統鎳鈀金釘架與 u-PPF 鎳鈀金釘架的比較 (Reference : Sumitomo “PPF&u-PPF Presentation - Feb 02”). 16.
(28) 另外，Samsung 的技術移轉報告中指出，鎳鈀金釘架結構中，鍍上一 層薄金可以預防鈀的氧化，而鈀層可防止鎳氧化，更可防止鎳擴散至釘架 表層，這也是為何鎳鈀金釘架的結構由上而下為Au / Pd / Ni /Cu，是因高溫 後，會因氧化現象及溫度效應，而使鎳擴散至釘架表層造成氧化。. 圖2-7：鎳鈀金各層的對應關係圖 在本文之中，由於各廠商的釘架規格不同，在評估上有所偏差，所以在鍍層厚 度上也有相當大的差異，因此本研究僅針對在鍍層厚度對銲線強度影響的部分做分析 及討論。. 17.
(29) 2-2 文獻討論 Park和Abbott在Nickel-Palladium Based Component Terminal Finishes [1] 報告中有比較於鍍銀的釘架與鎳鈀金釘架，在鎳鈀金釘架上要是使用較高 的force和超音波震盪能量參數，能有好的銲線強度表現。如圖2-8 說明在 Force 110 與Power 80 的參數下，魚尾的結構相當完整，不容易有手指魚 尾斷裂的情況，另外，若把Force 降為30 或是把Power 降為30 都可以發 現到魚尾明顯的變薄，甚至更容易造成魚尾因結構不完整，導致手指魚尾 的頸部斷裂，在報告中，還有評估顯示由於鈀層比較硬加上在最表層的金 層使其變薄，而使銲針壽命較鍍銀及傳統厚度的鎳鈀金釘架來的更高。. 圖 2-8：銅鍍銀釘架與鎳鈀金預先電鍍釘架在 1100K bond 的銲線品質 ( Reference : HDP “Study on QFN Wire Bonding Process Based on PPF L/F”). 18.
(30) Further Lee在Study on QFN Wire Bonding Process Base on Ni Pd Au PPF Lead-frame [8]一文中指出，許多的鎳鈀金釘架在作業銲線製程時，魚 尾脫落的現象造成手指銲線斷頸的百分比遠比鍍銀釘架來的要高許多，另 外並針對銲線參數及銲針進行研究，發現銲針的構造，也有些許的影響 性，報告中還有指出使用較大的接觸力量與超音波能量，能有效改善銲線 強度。 Koizumi在Environment Protecting Palladium-Plated Lead-frame [9]的報 告中指出不同的鎳鈀金厚度，在銲線上有不同的銲線強度表現，另外也說 明不同的表層結構，也會有不同的銲線強度表現，另外此報告中還有指出 加溫後的評估結果，發現加溫後的鎳鈀金釘架有較好的銲線強度，因此此 篇更可為本研究做最好的注解。. 19.
(31) 第三章 鎳鈀金釘架銲線強度的測試與效能評估 本章節說明研究銲線強度的測試與效能評估方法： 1. 機台：使用K&S8028銲線機台進行銲線測試。 2. 銲針型號：使用413FF-2519銲針進行銲線測試。 3. 拉力測試：利用拉力測試儀將拉勾靠近魚尾銲點的位置，得到拉力 強度以進行評估銲線強度如圖所標示的拉力位置。 4. 強度標準：依照JEDEC規範的拉力強度/線徑。 JEDEC 說明：隨著產品設計的需求使用者目的的不同，IC 元件不論在內 部的功能設計、組合結構或外部的元件尺寸、封裝型態、插腳數目、腳距、 乃至於構裝技術等有顯著的變化這些變化如果沒有一個統一的規格，不但 在於周邊設備上無法相互搭配，一些共通的技術上亦無法相互支援，因此 以美國電子器件工程聯合會 JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council ） 及 社 團 法 人 日 本 電 子 工 程 協 會 EIAJ （ Electronic Industries Association of Japan）為中心，整合了相關的變化，替 IC 元件的定義訂定 了標準化封裝的規範。 5. 資料分析： Open/Short Test (開路短路測試)、SEM (掃描式電子顯微鏡)、2nd bond stick lift view (魚尾俯視圖)、SAT (超音波掃描)。. 20.
(32) 3-1 銲線製程簡介. 銲線接合首先將晶片固定在合適的基板或導線架(Lead Frame)上，再以 細金屬線，將晶片上的電路與基板或導線架上的電路相連接。連接的方法， 通常利用熱壓、超音波、或兩者合用。在此技術中所用金屬線的直徑，通 常在 25 到 75μm 之間。金屬線的材料以鋁及金為主，銅線也正被評估取代 金線的可能性。晶片在基板與導線架上的固定 (Die Bond)，主要是利用高 分子黏著劑、軟銲銲料、及共晶的合金等。晶片固定材料的選擇，主要依 據構裝的氣密性要求、散熱能力、及熱膨脹係數等條件來決定。金-矽、金 -錫的共晶合金、與填銀的環氧樹脂黏著劑。因為銲線接合技術的簡易性及 應用在新製程上的便捷性，再加上長久以來所有配合的技術及機具都已開 發健全，近來在自動化及銲線速度上更有長足的進步，所以在目前銲線接 合仍是市場上主要的技術。 銲線式(wire bonding)晶粒接合技術，其打線方式大致分為下列兩種： (1) 熱壓法(thermo compression (T/C) bonding) (a) 金線穿過毛細鋼嘴，再用火花(Electronic Flame off Spark)熔化金線，使 在金線底部形成一個金球(傳統上此金球將消耗掉直徑 50μm 的金線約 500 μm 的長度，但對密距的打線其消耗量則會少一點)。. 21.
(33) 圖 3-1 ：W/B 製程週期圖(a) (b) 當金線縮回時，其所形成的球體會卡在鋼嘴的底部。. 圖 3-2 ：W/B 製程週期圖(b) (c) 鋼嘴下降至承載墊，金球下壓抵住承墊的界面，當升溫至熔接溫度(由 加熱熱板加熱)時，施加超音波能量，即完成金球的結合。. 22.
(34) 圖 3-3 : W/B 製程週期圖(c) 第一個熔接位置 1st Bond (Ball) (d) 鋼嘴提起離開熔接表面移往第二個熔接位置，形成打線迴路。. 圖 3-4 ：W/B 製程週期圖(d) (e) 將熔墊移往至鋼嘴下方。 (f) 鋼嘴下降如同步驟(3)一樣形成熔接結合點，此結合點(和任何在金線切 斷之前所形成的結點)稱為縫合點 (g) 縫狀結合點完成後鋼嘴上升，位在鋼嘴上方的線鉗會將金線拉起並將 23.
(35) 之切斷。爾後鋼嘴上升，線鉗又將金線拉下，使另一個金球得以形成。如 此一來打線器即可再次重覆打線步驟。. 圖 3-5 ：W/B 製程週期圖(g) (h) 有時最後的結合點因其形狀的關係，而又稱為新月形結合點 (Crescent)，或稱魚尾。. 圖 3-6 : W/B 製程週期圖(h)第二個熔接位置 2nd Bond (Stitch) (2) 超音波法(ultrasonic (U/S) bonding)其金屬與晶粒接合操作方式如下圖 所示。. 24.
(36) (a) 將引線固定在打線器表面及結合點之間，若用手動打線時，則將打線器 降低至第一打線搜尋點附近(此位置比打線表面高約 70~125μm)，此高度 由製程工程師決定。至於自動打線機，則可完全免除位置的搜尋。. 圖 3-7 : W/B 製程超音波法週期圖(a) (b) 打線工具下降至待打線表面上施加預先設定好的力量後，即可施加超 音波能量，使之形成第一個結合點。. 圖 3-8 : W/B 製程超音波法週期圖(b) (c) 將打線工具拉起，並使引線從線軸中放出。. 25.
(37) (d) 操作工作平檯將第二個打線位置移至打線器下(若為自動打線機，通常 是移動轉能器和打線器)，此時引線迴路已形成，再將打線器下降至第二個 搜尋位置(如同步驟 1 所示)。. 圖 3-9 : W/B 製程超音波法週期圖(d) (e) 打線器下降至承墊便形成第二個結點，同步驟(2)。. 圖 3-10 : W/B 製程超音波法週期圖(e) (f) 第二點形成後，另一枚線鉗(Wire Clamp，在打線器之後方)會將其拉回 並在結合點腳跟處拉斷引線。此時打線器會升起，而線尾會穿透出打線工 具下方，直到線尾固定在打線器尖端(線尾長度)某個位置之前，如同(1)所 示，此時打線機可重覆上述各步驟. 26.
(38) 圖 3-11 : W/B 製程超音波法週期圖(f). 有銲線製程簡介中，說明了在銲線製程中，金線在銲線上提供了半導 體晶粒中各功能鋁墊與基板手指間的電性聯接管道如圖3-12 圖示說明，在 銲線週期性的製程中，如圖3-13和圖3-14說明除了金線銜接晶粒鋁墊與基板 手指間之外，另外兩個主要的讓金線能銜接兩個端點的設備，就是銲針跟 機台；在整個做動原理中，主要的週期有四項，這四項包含了金球的建立、 拉第一階段的線型(1st bond) 、拉弧高(Looping height)、作魚尾(2nd bond) 。. 圖 3.12：銲線後的剖面示意圖. 27.
(39) 圖3-13：銲線製程完整週期圖. 圖 3-14 銲線機台的設備結構與間接材料. 28.
(40) 最後在銲線製程說明，在完成整個銲線週期後，完成後的整個金線， 便連接了晶粒上的功能鋁墊(1st bond)與手指(2nd bond)的內腳部位，如圖 3-15說明了連接的區域包含了完整的成型銲線，並且繼續完成下個週期性 的銲線過程，直到整個晶粒上每個功能鋁墊連接到釘架上的相關電性功能 的手指內腳。. 圖 3-15：SEM 完整銲線後的各部位說明 (包含1st bond 、2nd bond). 3.2 拉力的原理與作用 在此研究的前提下，最被注重的拉力銲線強度，我們以拉力測試儀來 做銲線強度的比較，拉力的表現，是將拉勾放置於完整線型且靠近手指區 域的段落以一定的速度向上拉起，所測得的拉力克數，即為銲線強度，如 圖3-16 和圖3-17 及圖3-18 所示。. 29.
(41) 圖3-16：拉力測試儀. 圖3-17：拉力測試方法(針對1st bond). 30.
(42) 圖 3.18：拉力測試方法(針對 2nd bond). 表 3-1：拉力試驗規格表. 31.
(43) 3-3 不同釘架材料及銲線溫度參數對銲線強度之效能測試 產品的實驗設計中，因考量到成本的風險，與實驗的可信度，因此在 設計實驗的過程中，皆將各直接與間接材料選用最具風險性的項目來做評 估，舉例來說，金線的線徑越小相對性的風險越大，因為在封模過程中， 金線的線徑越小，沖線值越大，越容易造成線斷裂而開路或是線與線之間 的線短路，另外在產品的大小上，也會選用最具風險性的項目來分析，因 產品越大，相對性的所承載的壓力伸張越大，也越容易在受熱冷卻過程中， 所產生的翹曲越大。 實驗材料： 1.. Lead-frame ：Samsung 鍍銀釘架、Samsung u-PPF 鎳鈀金預先 電鍍釘架、Samsung upgrade u-PPF 鎳鈀金預先電鍍釘架、 Sumitomo 傳統鎳鈀金預先電鍍釘架。. 2.. Wafer. : Aluminum Wafer.. 3.. Epoxy : 2288A. 4.. Gold Wire : Sumitomo 20um(0.8mil diameter) NL03F type. 5.. Compound : Hitachi 9220HF10AK. 6.. Capillary. 7.. Package size : QFP 14x20 80L. 8.. Wire Bonder : K&S 8028. 9.. Plasma machine : March machine. : 413FF-2519. 32.
(44) 10.. Wire Pull test machine : Dage Series 3000. 封裝製程抽樣頻率: Wire Pull Sampling condition: 40 Wire / 1cell SAT : 9 strip / 1cell 銲線製程參數:. 2ND BOND PARAMETER Capillary 413FF-2519. CURRENT. TIME. FORCE. 100. 35. 45. 表3-2：銲線基本參數表 封裝流程圖: 如圖從晶圓切割開始，到成品包裝出貨，包含了晶圓切割、黏晶粒、 銲金線、封模、穩定烘烤、電鍍、去膠去緯、正印、到去框成型出貨。. 33.
(45) 圖3-19：封裝流程圖 實驗對照項目表 1. 傳統鎳鈀金與傳統鍍銀釘架的銲線能力比較表 PPF & Ag Plating Cell. 1. 2. Plating Type. Ag Plating. PPF. 表3-3：PPF 與鍍銀釘架組合表. 34.
(46) 2. 各世代的鎳鈀金預先電鍍釘架的銲線能力比較表 PPF Plating thickness Cell. Plating Type. 1(Conventional Full PPF). 2(u-PPF). 3(upgrade u-PPF). Au : 0.003 ~ 0.01 um. Au : 0.003~0.01 um. Au-Ag : 0.00375 um. Pd : 0.02 ~ 0.25 um. Pd : 0.0025 ~ 0.0125 um. Pd : 0.0025 ~ 0.0125 um. Ni : 0.5 ~ 2.0 um. Ni : 0.5 ~ 2.0um. Ni : 0.25 ~ 0.5 um. 表3-4：不同鍍層厚度組合表 3. 鎳鈀金預先電鍍釘架經Plasma電將清洗後在各溫度下的銲線能力比較表 upgrade u-PPF For With Plasma Clean Cell. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Temp(℃). 200. 210. 220. 230. 240. 250. 260. 表3-5：不同熱板溫度經Plasma 製程組合表 4. 鎳鈀金預先電鍍釘架經Plasma電將清洗後在各溫度下的銲線能力比較表 upgrade u-PPF For Without Plasma Clean Cell. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Temp(℃). 200℃. 210℃. 220℃. 230℃. 240℃. 250℃. 260℃. 表3-6：不同熱板溫度不經Plasma 製程組合表. 35.
(47) 3.4 測試結果與分析討論 1.. 傳統鎳鈀金與傳統鍍銀釘架的銲線能力比較表：. 就鎳鈀金預先電鍍釘架與傳統鍍銀釘架比較，傳統釘架在銲線強度上 明顯的比傳統鎳鈀金釘架的銲線強度來的好，另外可以根據鍍銀釘架與鎳 鈀金預先電鍍釘架的銲線強度結果，比較銲線魚尾所成型的狀況來比較， 可以清楚的看到在鍍銀釘架上有明顯的魚尾以及因銲針的OR(outer radius) 所產生的鋼印都很確實的殘留在釘架表面；但是，在鎳鈀金上確有鋼印不 良情形，表示銲針OR所產生的鋼印，因為鎳鈀金較硬，所以無法有很扎實 的將魚尾鋼印殘留在釘架表面。 PPF & Ag Plating Wire Pull capability (g) Cell. 1. 2. Plating Type. Ag Plating. PPF. Wire pull (average). 5.27. 4.842. Wire pull Max. 6.29. 6.418. Wire pull Min. 4.11. 3.009. 表3-7：PPF與鍍銀釘架組合銲線強度能力表(拉力測試). 36.
(48) 圖3-20：PPF與鍍銀釘架組合銲線折線圖. 圖3-21：銲針受損部位對銲線失敗模式分析圖. 37.
(49) 圖3-22：傳統鍍銀釘架的2nd Bond 2.. 圖3-23：傳統PPF釘架的2nd bond. 各世代的鎳鈀金預先電鍍釘架的銲線能力比較表：. 就鎳鈀金預先電鍍釘架從傳統鎳鈀金釘架與第二代鎳鈀金u-PPF 釘架 和第三代鎳鈀金upgrade u-PPF 釘架比較，第三代鎳鈀金upgrade u-PPF 釘 架在銲線強度上明顯的比第二代鎳鈀金u-PPF釘架以及傳統鎳鈀金釘架的 銲線強度來的好，另外比較各時期的鎳鈀金預先電鍍釘架的銲線結果，比 較銲線魚尾所成型的狀況來比較，可以清楚的看到在upgrade u-PPF 的鎳鈀 金釘架上有明顯的魚尾以及因銲針的OR(outer radius)所產生的鋼印都很確 實的殘留在釘架表面；但是，在傳統鎳鈀金釘架以及改良鍍層厚度的u-PPF 釘架上確有鋼印不良情形，表示銲針OR所產生的鋼印，因為傳統鎳鈀金較 厚也較硬，所以無法有很扎實的將魚尾鋼印殘留在釘架表面。. 38.
(50) Different PPF Plating thickness Wire Pull capability (g) Cell. 1(Conventional Full PPF). 2(u-PPF). 3(upgrade u-PPF). Au : 0.003 ~ 0.01 um. Au : 0.003~0.01 um. Au-Ag : 0.00375 um. Pd : 0.02 ~ 0.25 um. Pd : 0.0025 ~ 0.0125 um. Pd : 0.0025 ~ 0.0125 um. Ni : 0.5 ~ 2.0 um. Ni : 0.5 ~ 2.0um. Ni : 0.25 ~ 0.5 um. Wire pull (average). 2.136. 2.973. 4.842. Wire pull Max. 4.675. 5.162. 6.418. Wire pull Min. 1.226. 1.665. 3.009. Plating Type. 表3-8：不同鍍層厚度組合銲線強度能力表(拉力測試). 圖3-24：不同鍍層厚度組合銲線折線圖. 圖3-25：各種不同鍍層厚度2nd Bond 正視圖 39.
(51) 3.. 鎳鈀金預先電鍍釘架不經Plasma電將清洗後在各溫度下的銲線. 能力比較表： 就鎳鈀金預先電鍍釘架在各溫度的表現下，傳統的鍍銀釘架製程，使 用各種的熱板溫度所測得的銲線強度都明顯偏低，但在230℃的熱板溫度以 上，皆有明顯的增加其銲線強度，因此我們將重心放在熱板溫度達230℃以 上，如何去在增加其銲線強度，另外比較在各種熱板溫度下的鎳鈀金預先 電鍍釘架的銲線結果，比較銲線魚尾所成型的狀況來比較，可以清楚的看 到在熱板溫度達230℃以上的鎳鈀金釘架上有明顯的魚尾以及因銲針的 OR(outer radius)所產生的鋼印都很確實的殘留在釘架表面；但是，在使用 傳統鍍銀釘架所使用的200℃的熱板，鎳鈀金釘架上卻有鋼印不良情形，表 示銲針OR所產生的鋼印，無法有很扎實的將魚尾鋼印殘留在釘架表面。 PPF For Without Plasma Clean Wire Pull capability (g) Cell. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Temp(℃). 200℃. 210℃. 220℃. 230℃. 240℃. 250℃. 260℃. Wire pull (average). 3.488. 3.567. 3.966. 4.105. 4.278. 4.323. 4.194. Wire pull Max. 5.286. 5.968. 6.127. 6.225. 6.502. 6.61. 6.795. Wire pull Min. 0.973. 1.507. 1.867. 2.533. 2.611. 2.727. 3.073. 表3-9：不同熱板溫度不經Plasma 製程組合銲線強度能力表(拉力測試). 40.
(52) 圖3-26：不同熱板溫度不經Plasma 製程組合組合銲線折線圖. 圖3-27：不同熱板溫度不經Plasma 製程 2nd Bond 正視圖. 41.
(53) 4.. 鎳鈀金預先電鍍釘架經Plasma電將清洗後在各溫度下的銲線能. 力比較表： 就鎳鈀金預先電鍍釘架在各溫度的表現下，經過Plasam 後的銲線強度 比沒有經過Plasma 製程的銲線強度更佳，尤其是在熱板溫度達230℃時， 其銲線強度的最大值，與平均值皆比任何在熱板溫度下的銲線強度來的 好，另外比較在各種熱板溫度下的鎳鈀金預先電鍍釘架的銲線結果，比較 銲線魚尾所成型的狀況來比較，可以清楚的看到在熱板溫度達230℃以上的 鎳鈀金釘架上有明顯的魚尾以及因銲針的OR(outer radius)所產生的鋼印都 很確實的殘留在釘架表面；但是，在使用傳統鍍銀釘架所使用的200℃的熱 板，鎳鈀金釘架上卻有鋼印不良情形，表示銲針OR所產生的鋼印，無法有 很扎實的將魚尾鋼印殘留在釘架表面。 PPF For With Plasma Clean Wire Pull capability (g) Cell. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Temp(℃). 200℃. 210℃. 220℃. 230℃. 240℃. 250℃. 260℃. Wire pull (average). 4.842. 4.578. 4.769. 5.14. 4.501. 4.467. 4.152. Wire pull Max. 6.418. 6.357. 6.389. 7.383. 6.351. 6.247. 6.381. Wire pull Min. 3.009. 3.624. 3.709. 4.024. 3.773. 3.327. 3.116. 表3-10：不同熱板溫度經Plasma製程組合銲線強度能力表(拉力測試). 42.
(54) 圖3-28：不同熱板溫度經Plasma 製程組合組合銲線折線圖. 圖3-29：不同熱板溫度經Plasma 製程 2nd Bond 正視圖. 43.
(55) 第四章 最佳化銲線溫度參數之可靠度驗證 4-1 可靠度試驗規範 隨著產品設計的需求使用者目的的不同，IC 元件不論在內部的功能設 計、組合結構或外部的元件尺寸、封裝型態、插腳數目、腳距、引距形狀 乃至於構裝技術等有顯著的變化這些變化如果沒有一個統一的規格，不但 在於周邊設備上無法相互搭配，一些共通的技術上亦無法相互支援，因此 以美國電子器件工程聯合會 JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council ） 及 社 團 法 人 日 本 電 子 工 程 協 會 EIAJ （ Electronic Industries Association of Japan）為中心，整合了相關的變化，替 IC 元件的定義訂定 了標準化封裝的規範。 可靠度通常以 FIT(Failure in Time)為計算單位，1 FIT 代表 10 億元件 使用小時內，有一個故障發生。半導體元件之壽命通常利用浴缸曲線 (Bathtub Curve)來解釋半導體元件的生命週期，一般半導體元件生命週期可 分為早夭期、正常期、老化期。早夭期：為產品初期於生產時期就俱有的 問題，其源自於生產過程時的缺陷，在產品使用時幾十小時內故障率急速 下降，緊接著來到正常期(一般為 48 ~ 10 6 小時)，在此時期內故障率極低且 相當穩定，故障發生為隨機性質。最後半導體元件使用至老化期，因使用 損耗至接近元件自然壽命程度，故障率開始上升，在此老化時期，是所有 元件皆無法避免的。 44.
(56) 圖 4-1：可靠度測試浴缸曲線(Bathtub Curve of reliability test) 抽樣檢驗的目的是應用統計原理，由一群體生產產品母樣本中抽取少 數樣本檢驗，將其實驗結果與檢驗標準相比較，並對此量產批產品作正確 之判斷，因此可節省檢驗成本而能確保產品品質。 抽樣計畫是用來判定整批產品是否可接受，而非估計此批產品之品 質，因此也無法提供任何形式之品質管制與改善。 1. 針對不同批次之相同水準產品，抽樣計畫有可能拒絕某些批，而接 受其它批，甚至被拒絕之產品可能比被接受之產品具有更佳之品質水準。 2. 抽樣計畫雖然並非絕對可靠，但是由於近代統計學之發展已使抽樣 檢驗之理論更趨完備，與實用能更密切結合，因此已經成為現代品質管制 中不可或缺的工具。 3. 抽樣檢驗適用範圍包括零件及原料、在製品、最終製品、製程中之 材料、儲存中之補給品等。 45.
(57) 4. 抽樣計畫操作特性曲線： A： OC curve 可以表示某產品不合格範圍內接受一個貨批的機率，也顯示 出一個抽樣計畫的辨別能力，換句話說，OC 曲線可用以比較數個抽樣計 畫接受某批之機率。 B： 假設批量為N，今從其中抽出n 件樣本，發現d件不合格品之機率為： P(d ) =. d n! (1 − p )n−d p d !(n − d )!. C： 允收機率是指不合格品數d小於或等於允收數c 之機率，計算如下： c. P(d ) = P(d ≤ c ) = ∑ d =0. n! n−d P d (1 − P ) d !(n − d )!. D： 將不同p 值下之允收機率Pa 算出，則可繪出OC曲線。 當產品之不合格率等於 p1 時，其允收機率Pa = 1- α ，α稱為生產者風險， p1 稱之為可接受品質水準(AQL)；. E：當不合格率等於p2時，產品被允收之機率為β，β稱之為消費者風險，p2 稱為品質界限水準(Limiting Quality Level, LQL) 或稱為批容許不良率 (LTPD)； F： 稱為無差異品質水準(Indifference Quality Level, IQL) ，此時允收機率 Pa=0.5 ，也就是允收或拒收之機率各半。. 46.
(58) 圖4-2：Specific Points on the OC Curve 5. MIL-STD-105E 表使用程序： 本實驗根據 MIL-STD-105E 表使用程序 a. AQL值 b. 決定檢驗水準 c. 決定批量大小 d. 決定抽樣樣本大小 e. 選擇適當之抽樣計畫(單次、雙次、多次) f. 抽取樣本 g. 根據檢驗結果判定允收或拒收，並且決定對後續產品採取 正常或減量檢驗 47.
(59) 6.可靠度試驗項目目的： 半導體、構裝材料在構裝製程完成後，必須經過JEDEC 標準之環境測 試，半導體封裝可靠度測試項目可分為短期可靠度與長期可靠度，下表即 為短期可靠度與長期可靠度測試項目表。 短期可靠度測試為評估半導體封裝在浴缸曲線的早夭期時的產品可靠 度，本研究即為評估銀膠薄膜在銲線製程經過田口式品質工程實驗後所得 到的最佳參數，製造後的產品，根據 JEDEC 47D 所制定的規範，利用短期 可靠度測試評估來模擬封裝時在組裝上板前及製造過程時的環境，並據以 擬定正確的包裝、處理及儲存方式，JEDEC Precondition Stress 測試流程溫 度/濕氣處理條件分為六級，目前業界對一般 SMD 半導體封裝元件產品要 求至少須要達到第三級。 濕氣在半導體封裝元件在經過熱風式回銲爐加熱會急速膨脹，造成封 裝內部或是外部脫層(Delamination)。此失敗模式常是在後續長期可靠性測 試導致半導體元件故障之模式。 長期可靠度測試在半導體封裝元件式屬於評估半導體封裝 Precondition Stress 之後在元件壽命於正常期的可靠度，主要試驗項目有溫度循環機 (TCT)、壓力鍋(PCT)、高加速壓力鍋(HAST)、恆溫恆濕機(THB)、高溫儲 存機(HTST)，可靠度相關試驗項目、試驗條件、參考標準如表 4.1。. 48.
(60) 試驗項目 Stress-Test-Driven Qualification of Integrated Circuits. 試驗條件. 參考標準. Precondition+TCT+PCT+. JESD47-D. HAST+HTST+THT. Preconditioning of Plastic Surface Mount Prior to. Precondition MSL 3. JESD22-A113-D. Reliability Testing 溫度循環試驗. -65℃~150℃. Temp Cycling Test. 1000 Cycles. 高溫水蒸氣壓試驗. JEDEC 22-A104-B. 121℃/100%RH/168hrs JEDEC 22-A102-C. Pressure Cooker Test 恆溫恆濕試驗. 85℃/85%RH 1000hrs. Temp Humidity Test 高溫儲存試驗. JEDEC 22-A101-B. 150℃ 1000hrs. JEDEC 22-A103-C. 130℃/85%RH/96hrs. JEDEC 22-A110-D. High Temp Storage Test 溫濕加壓加速試驗 High Stress Accelerated Test 表4-1：可靠度試驗項目、試驗條件、參考標準表. 4-2 可靠度設備 1. 溫度循環機 Temperature Cycling Test (TCT) 溫度循環機測試為用以評估半導體封裝產品在溫度衝擊的環境下，產 品因而熱脹冷縮進而使機械應力對於封裝產品可靠度影響。此測試週期一 49.
(61) 般為10個週期，可是為破壞性測試項目，常見的故障模式為金線斷球頸， 晶片因應力或外力斷裂所造成的開路/短路等失敗模式。具體的測試條件和 估算結果可參考以下標準 ：JESD22-A104-B。. 圖 4-3：溫度循環機 TCT (TEMPERATURE CYCLING TESTER INSTRUCTION). 2. 壓力鍋 Pressure Cooker Test (Autoclave) 壓力鍋測試最主要是測試半導體封裝產品對抗濕氣能力，待測產品被 置於濕度(100%)、溫度(121℃)、及壓力[15PSIG（2 atm）]的條件下測試， 在測試期間濕氣會沿著膠體或膠體與導線架之介面滲入封裝體。常見之故 障方式為主動金屬化區域腐蝕造成之斷路或封裝體引腳間因污染造成之短 路等失敗模式。具體的測試條件和估算結果可參考以下標準： JESD22-A102 C、EIAJED- 4701- B123。 50.
(62) 圖 4-4：壓力鍋 PCT(Pressure cooker tester). 3. 高加速老化機 Highly Accelerated Stress Test (HAST) 高加速老化機測試評估 IC 產品在偏壓下高溫、高濕、高氣壓條件下對 濕度的抵抗能力，加速其失效過程，測試條件：溫度：130℃、溼度： 85 % RH、外加偏壓：1.1 倍壓、 Static bias、壓力：33.5 PSIG (2.3 atm) 的條件 下測試，在測試期間濕氣會沿著膠體或膠體與導線架之介面滲入封裝體。 常見之故障方式為主動金屬化區域腐蝕造成之斷路或封裝體引腳間因污染 造成之短路等失敗模式。具體的測試條件和估算結果可參考以下標準： JESD22-A110-B。. 51.
(63) 圖 4-5：高加速老化機 HAST (High Accelerated Stress Test). 4. 恆溫恆濕機 Temperature Humidity Bias Test (THT) 恆溫恆濕機測試為評估半導體封裝產品在高溫、高濕、偏壓條件下對 濕氣的抵抗能力，在測試期間濕氣會沿著膠體或膠體與導線架之介面滲入 封裝體，加速其失效進程條件為：溫度：85℃、溼度 85 %RH、外加偏壓： 1.1 倍壓，Static bias，常見之故障方式為主動金屬化區域腐蝕造成之斷路、 漏電或封裝體引腳間因污染造成之短路等失敗模式。具體的測試條件和估 算結果可參考以下標準：JESD22-A101-D、EIAJED- 4701-D122 。. 52.
(64) 圖 4-6：恆溫恆濕機 THT (Temp Humidity Test). 5. 高溫儲存測試機 High Temp Storage Test (HTST) 高溫儲存測試機測試為評估半導體封裝產品長時間在高溫環境下的可 靠度。銲線可靠度、IMC 成長的評估造成的斷路或晶片斷裂所造成的開路 ／短路。等失敗模式。具體的測試條件和估算結果可參考以下標準： JESD22-A103-C。. 圖 4.7：高溫儲存測試機 HTST (High Temp Storage Test) 53.
(65) 6. 迴銲爐 Solder Reflow 半導體構裝產品在迴焊(solder Reflow)至印刷電路板的過程中，在經 過迴焊爐內的高溫容易使得構裝體內部各種元件產生變形與破壞，其中 半導體塑膠構裝體(Plastic-package)在構裝體經過高溫硬化製程後儲存在 室溫的過程中因塑膠構裝體具有易吸收濕氣的特性，而吸收了濕氣的半 導體塑膠構裝體在回焊到印刷電路板的過程中因高溫的影響使的內部的 水氣蒸發成水蒸氣，亦會造成構裝體的變形與破壞，甚至會有爆米花 (Popcorn defect)效應的發生。. 54.
(66) 迴銲作業測試條件 ( Solder Reflow Criteria )： Test section. Condition. Peak Temperature. 260℃(+0/-5℃) 220℃~Peak. Average Ramp-up Rate 3℃/sec max. 130℃~183℃ Preheat 90~120 sec 30℃~130℃ Ramp-up Rate 1.7~2.3℃/ sec 220℃ Time Maintained Above 80~120 sec Time Within 5℃ Of Actual Peak 10~30 sec Temperature Ramp-down Rate. 6℃/sec max.. Time 25℃ to Peak Temperature. 8 minutes max.. 表4-2：迴銲作業測試條件表. 55.
(67) 圖 4-8：熱風式迴焊爐 Solder reflow equipment. 7. 開短路測試機 O/S (Open/Short) 開短路測試(Open/Short test)又叫 continuity test 或 contact test，它是一 種非常快速且簡易的發現半導體塑膠構裝體的各個引腳間的是否有短路， 及在封裝過程時是否 missing bond wires，通常開短路測試都會被放測試程 序的最前面與實驗後用以比對實驗前後的差異。. 56.
(68) 開短路檢測規格 ( O/S and Curve Tracer Parameters )： Procedure. Condition/Criteria Current: 300 μA. Open/Short Test Voltage: 0.1~3 V Current: 100 μA Curve Tracer Voltage: 200 mV. 表4-3：開短路檢測規格表. 圖 4-9：開短路測試 Open/Short tester. 8. 超音波掃描機 SAM (Scanning Acoustic Microscopy) 超音波掃瞄機為將測試樣本置於純水中，由水成為介質利用超音波由 探頭發射超音波穿過測試樣本到接收器接收將音波導入待測物體內部，檢 測材料表面或是否有內部缺陷，再轉換成可理解的圖像。屬於一種非破壞 57.
(69) 檢測(Non-destructive Testing, NDT)方法。 常見的超音波換能器是利用逆壓 電效應，將電能轉換為機械振動而產生超音波，超音波在物體內的傳遞速 率視材料而定，並有或多或少的衰減。 超音波在不連續界面會發生反射或 透射，偵測反射或透射訊號可檢測出材料瑕疵及位置所在。 超音波檢測規格 ( SAT Criteria ) ： Item. Before Precondition. After Precondition. Die Pad Top. Reject, if > 10%. Reject, if > 10%. Epoxy. Reject, if > 10%. Reject, if > 10%. 表4-4：超音波檢測規格表. 圖 4-10：超音波掃瞄機 SAM (Scanning Acoustic Microscopy). 58.
(70) 4-3 可靠度實驗流程 4-3-1 前處理實驗 利用選用加熱板作業溫度設定：230℃，依照此組溫度參數製造測試樣 品來執行可靠度測試工程實驗的前處理實驗，驗證在 230 度的熱板溫度下 所做的產品是可以被認證通過相關驗證規格。前處理實驗的目的是在模擬 電子業的下游廠商將 IC 上板的動作，測試封裝後的 IC 是否能通過表面黏 著技術中的迴銲爐。 此可靠度實驗測試樣本數：抽樣 22 顆/1 批；LTPD(最大百分缺點數) : 10，測試樣本測試數量，可確保有 90%的信賴度，一批的百分缺點如果等 於或大於所指定的百分缺點數此樣本將不被允收，表 4-5 即為可靠度前處 理實驗流程。. 59.
(71) Visual Inspection. Open/Short Test. SAT Inspection. Baking@125℃/24 hrs (Min.). Moisture Soak Level 3 30’C / 60%RH 192 hrs. Convection Reflow (JEDEC STD) 260℃(+0/-5℃)/3X. Visual Inspection. Open/Short Test. SAT Inspection. 表 4-5：前處理實驗流程表. 4-3-2 非破壞性試驗結果 取經過 230℃的加熱板溫度的產品在經過可靠度前處理實驗流程後利 用非破壞性檢測即超音波掃瞄機的反射模式與穿透模式來予以檢測測試樣. 60.
(72) 品，其結果並未看到任何失敗模式出現如圖 4-11、4-12。. 圖 4-11：經 Plasma 產品之超音波掃瞄反射模式. 61.
(73) 圖 4-12：不經 Plasma 產品之超音波掃瞄反射模式. 圖 4-13：經 Plasma 產品之超音波掃瞄穿透模式. 62.
(74) 圖 4-14：不經 Plasma 產品之超音波掃瞄穿透模式. 4-3-3 破壞性試驗結果 1.測試樣品研磨剖面作業( Cross-section process ) 任取一顆測試樣本，在使用研磨機由下研磨至樣品手指與金線打線位 置，如圖 4-15～4-17，在利用電子顯微鏡觀察手指與金線是否脫層，證明 經過前處理實驗後手指與金線打線位置並無脫層失敗模式出現。. 63.
(75) 圖 4-15：金線與釘架結合處剖面圖之一. 圖 4-16：金線與釘架結合剖面圖之二. 64.
(76) 圖 4-17：金線與釘架結合剖面圖之三. 4-3-4 前處理實驗實驗結果 選用加熱板作業溫度設定：230℃以所製作的測試樣品，在經由前處理 實驗再加以破壞性試驗利用電子顯微鏡觀察，其結果判定為“PASS＂，最 後予以進行可靠度實驗驗證來模擬產品在不同環境條件下的使用壽命。. 4-4 產品可靠度驗證實驗 基於此參數可通過前處理實驗實驗，故予以抽樣測試可靠度實驗驗證 評估此參數是否通過產品可靠度實驗測試項目驗證。 測試樣本數：抽樣 231 顆/1 批/共 3 批；LTPD(最大百分缺點數)：5， 測試樣本測試數量，可確保有 90%的信賴度，一批的百分缺點如果等於或. 65.
(77) 大於所指定的百分缺點數此樣本將不被允收，下列即為可靠度前處理實驗 流程。. 4-4-1 產品可靠度驗證實驗測試流程 Visual Inspection. Open/Short Test. SAT Inspection. Baking@125℃/24 hrs (Min.). Moisture Soak Level 3 30’C / 60%RH 192 hrs. Convection Reflow (ASE Profile) 260℃(+0/-5℃)/3X. Visual Inspection. Open/Short Test. SAT Inspection. Pressure Cooker Test. High Temperature Storage Test. Temperature Cycling Test. 表 4-6：產品可靠度驗證實驗測試流程 66.
(78) 4-4-2 產品可靠度驗證實驗檢驗結果 在可靠度前製程測試 JEDEC 22-A113-D Level 3 (MSL 3: 30℃/60% 192 hrs)之後其電性測試與超音波測試結果，這三批皆沒有任何故障模式出現， 在 後 續 可 靠 度 環 境 應 力 測 試 項 目 檢 驗 結 果 (Environmental Stress Test--Following Precondition) 皆沒有任何故障模式出現，所以與予以判定以 加熱板溫度達 230℃所作業的產品皆可通過前製程測試試驗。. 4-4-3 非破壞性試驗結果 非破壞性檢測利用超音波掃瞄機反射模式與穿透模式檢測，其結果並 未看到任何失敗模式出現，如圖 4-17、4-18。. 圖 4-18：超音波掃瞄穿透模式. 67.
(79) 圖 4-19：超音波掃瞄反射模式. 4-4-4 實驗結果 經可靠度實驗驗證來模擬產品在壓力鍋測試、高溫儲存測試、溫度循 環測試等不同環境條件下去評估產品的使用壽命，然後，在每一個測試項 目中斷讀點與實驗測試最後，皆利用開短路測試與超音波檢測在加以破壞 性實驗分析，利用電子顯微鏡觀察，利用加熱板溫度達230℃所作業的產 品，實驗後皆沒有Open/Short Fail的現象發生其他界層也沒有任何故障模式 被發現，其可靠度實驗結果予以判定為“PASS＂表示在使用加熱板溫度達 230℃所製作的產品是可以通過可靠度測試項目所驗證的。. 68.
(80) 第五章 結論 鎳鈀金預先電鍍釘架是未來的主流封裝主體，由於結構上材料的改 變，讓整體製程之中的參數都會受到影響，然而參數上的改變，甚至溫度 的影響，些微的結構影響等等，都會對整個構裝體受到一定程度的影響， 並降低元件的可靠度；然而在封裝的過程中，溫度的變化時，會讓構裝體 承受一些熱應力，且某些程度的熱溫，會讓產品產生變形，導致裂縫等情 況，而破壞了其功能。 本研究中評估銲線熱板溫度對鎳鈀金之影響，以此來驗證熱板最佳化 溫度改善銲線強度並且降低銲線不良導致 Open 失敗模式可行性，經由可靠 度實驗驗證利以及利用拉力測試以及非破壞性與破壞性檢測證明所評估最 後的 230℃熱板所產生的產品是可以讓銲線強度達到最佳化，並可導入製 造流程，這樣產品在後製程隻中遭遇的任何壓力都將不會對線路造成開路 的影響，也對未來產品的品質會有相當的貢獻，我們展望在未來可以朝向 粗糙化的鎳鈀金預先電鍍釘架(Roughness PPF Lead-frame) 設計改良，或是 在銲線方式上做不同的與釘架結合方式使其共金面結合更加穩固，甚至使 用其他更好結合力的銲線材料上做銲線的基材來讓銲線能力加強，另外在 結構上予以重新設計與安排並且配合銲線機能力及調配對應製作參數，以 促進生產效率與產品製造品質。. 69.
(81) 參考文獻 1. S. C. Park and D. C. Abbott, “Nickel-Palladium Based Component Terminal Finishes”, HDP User Group International, Inc., http://www.hdpug.org/public/4-papers/2005/finishes/component-terminal-finish-report-2005. pdf, Apr.12th,2005. 2. “Nickel Palladium Gold Preplated Frame Rev01”, Possehl Electronics, Apr. 2003. 3. Coffin, L. F. Jr. and Schenectady N.Y., “A Study of the Effects of Cyclic Thermal Stresses on a Ductile Metal,” ASME trans., Vol.76, pp.931-950, 1954. 4. Applied Reliability second edition, Tobias and Trindade. 5. Accelerated Testing Handbook, D.S. Peck and O.D. Trapp. 6. J.M. Soden and R.E. Anderson, “IC failure analysis: Techniques and tools for quality and reliabilty improvement＂, Proc. IEEE, vol.81, pp.703-715, May 1993. 7. “Palladium Pre Plated Lead-Frame”, http://www.shinko.co.jp/e_index.htm, Shinko Electric Industries Co., Ltd., July 28th, 2006. 8. Further Lee, “Study on QFN Wire Bonding Process Based on NiPdAu PPF Leadframe”, 電子工業專用設備, 5, 2005.. 9. A. Chinda, H. Akino and R Koizumi, “Environment Protecting Palladium-Plated Leadframe”, Hitachi-cable Review, No.17, Hitachi Cable, Ltd., Aug. 1998. 10. D. C. Abbott, “NiPdAu-Better than Matte Sn for Pb-Free Leaded Components”, Multidisciplinary Symposium of Electronic Design, Manufacturing, and Environment, pp. 37-41, Apr.13th, 2003 11. G.G.Harman, Wire Bonding in Microelectronics: materials, processes, reliability, and yield, McGraw-Hill, United States of America, pp.2-4, 67-73,1997. 12. P. Kühlkamp, “Lead (Pb) - Free Plating for Electronics and Avoidance of Whisker Formation”, Trans of the Metal Finishers Assoc. of India, pp. 149-159, 2003.. 70.
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