微组装工艺流程

转自逐梦前行微组装

基板的准备

分为电路软基板（RT/DUroid5880）的准备和陶瓷基板（AL2O3）的准备。电路软基板要求操作者戴指套，将电路软基板放在干净的中性滤纸上，按图纸用手术刀切割电路板边框线和去除工艺线。要求电路软基板的图形符合图纸要求，表面平整，没有翘曲，外形尺寸比图纸小 0.1 ㎜～0.2 ㎜，切面平整。工艺线的去除切地，切口断面与代线平面垂直，手指不允许不戴指套接触镀金层，以免造成氧化。陶瓷基板的准备，要求用细金刚砂纸打磨陶瓷基板，使边缘整齐，无毛刺、无短路，然后用纯净水洗净。

基板清洗

基板的清洗，通过超声清洗进行。超声清洗是利用超声波在清洗液中的辐射，使液体震动产生数万计的微小气泡，这些气泡在超声波的纵向传播形成的负压区产生、生长，而在正压区闭合，在这种空化效应的过程中，微小气泡闭合时可以产生超过1000个大气压的瞬间高压，连续不断的瞬间高压冲击物体表面，使物体表面和微小缝隙中的污垢迅速剥落。因此，超声波清洗对物体表面具有一定损伤性，经过多次实验（此实验未记录实验数据），确定合理的超声功率、去离子水用量以及清洗液的高度和清洗时间。具体清洗流程及参数设置如下：

打开超声清洗机，功率调至100瓦，加入去离子水，液面高度为60㎜～80㎜之间。将电路软基板或陶瓷基板放入瓷盒中，倒入HT1清洗液，液面略高基板上表面3㎜～5㎜，然后将整个瓷盒放入超声清洗机的支架上（水面低于清洗液2㎜～3㎜），清洗时间为Xmin～Xmin。将95%乙醇倒入瓷盒，液面略高于基板上表面3㎜～5㎜，然后将整个瓷盒放入超声清洗机的支架上（水面低于清洗液2㎜～3㎜），清洗时间为 Xmin～Xmin。将清洗完毕的基板放入X℃±3℃的烘箱中烘0.5h后，放入氮气保护柜。通过上述多次实验后确定的清洗工序，清洗完成后的基板表面无油污、杂质等残留物。

腔体的准备和清洗

腔体的准备主要是用手术刀打净毛刺，再用洗耳球打磨毛刺形成的杂质。腔体的清洗使用超声波清洗机，具体清洗流程及参数设置如下： 

打开超声清洗机，功率调至100瓦，倒入 HT1 清洗液，液面高度为60㎜～80㎜之间，将腔体放入超声清洗机清洗液中，液面略高腔体上表面3㎜～5㎜，且液面高度不得超过80㎜，清洗时间为 Xmin～Xmin。将 95%乙醇倒入超声波清洗机中，液面高度为60㎜～80㎜之间，将腔体放入超声清洗机清洗液中，液面略高腔体上表面3㎜～5㎜，且液面高度不得超过80㎜，清洗时间为Xmin～Xmin。将清洗完毕的基板放入X℃±3℃的烘箱中烘0.5h后，放入氮气保护柜。通过上述多次实验后确定的清洗工序，清洗完成后的腔体表面无油污、杂质等残留物。

焊料/导电胶的准备

焊料，主要使用锡铅合金锡箔焊料（Pb37Sn63），用镊子将焊料展平，接着用铅笔将压块形状画上，然后用剪刀沿画痕剪成压块形状。要求锡铅合金锡箔焊料必须平展，不能有褶皱，压块大小和焊料一致，不允许未戴指套直接触摸焊料。焊料的清洗使用超声波清洗机，具体清洗流程及参数设置如下：打开超声清洗机，功率调至 100 瓦，加入去离子水，液面高度为 60 ㎜～80 ㎜之间。 将锡铅合金锡箔焊料放入瓷盒中，将 95%乙醇清洗液放入瓷盒，液面略高焊料上表面 3 ㎜～5 ㎜，然后将整个瓷盒放入超声清洗机的支架上（水面低于清洗液 2㎜～3 ㎜），清洗时间为 Xmin～Xmin。将清洗完毕的焊料放入 X±3℃的烘箱中烘 4min～10min 后，放入氮气保护柜。导电胶，主要使用 H20E 导电银胶，导电胶不用时应放入 0℃～5℃的冰箱内保存。使用时从冰箱取出后，在室温下放置 15min，恢复至室温后，用钨针拌 15min使各成份混合均匀，挑出少许搅拌好的导电胶放入小坩埚中，再搅拌 15～20min以去气（若没有适当去气，空气会陷入固化的粘接剂中，在粘接层中产生空洞，这些空洞会降低电导率和热导率甚至降低粘接强度）。

装夹

装夹的过程是将焊料/导电胶放入腔体内，并装好基片，用专用夹具固定。此步工序主要需要注意焊料/导电胶必须涂覆均匀、平整、不能有折叠角或褶皱。另外导电胶在涂覆时，厚度不能超过 0.05 ㎜。

焊料烧结/导电胶固化

用锡铅合金锡箔焊料装夹好的产品放入已达到设定温度的烧结炉上进行烘烤，温度根据焊料的融化温度设定，时间以温度降低又重新升至设定温度保持1min～5min 后结束。锡铅合金锡箔焊料温度为 183℃，烘烤温度约 200℃～220℃。用导电胶装夹好的产品放入已达到设定温度的烧结炉上进行烘烤，固化时间和温度以导电胶厂家提供数据为依据，H20E 导电胶温度为 120℃，时间 X 小时。

清理、检验

在显微镜下用手术到清理多余的焊料/导电胶。如焊料/导电胶有多余溢出造成短路而又无法清理时，需报废。清理完毕的产品按腔体的清洗工艺进行清洗并烘干。检验的标准按照工艺要求进行，不合格的报废。

芯片粘接工艺

芯片的焊接是指半导体芯片与载体（封装壳体或基片）形成牢固的、传导性或绝缘性连接的方法。焊接层除了为器件提供机械连接和电连接外，还须为器件提供良好的散热通道。芯片粘接工艺是通过环氧树脂导电胶粘接来形成焊接层。

型号：DBS-3001EU

芯片粘接工艺是采用环氧树脂导电胶（掺杂金或银的环氧树脂）在芯片和载体之间形成互连和形成电和热的良导体。环氧树脂是稳定的线性聚合物，在加入固化剂后，环氧基打开形成羟基并交链，从而由线性聚合物交链成网状结构而固化成热固性塑料。其过程由液体或粘稠液 → 凝胶化 → 固体。固化的条件主要由固化剂种类的选择来决定。而其中掺杂的金属含量决定了其导电、导热性能的好坏。

芯片共晶工艺

芯片的焊接是指半导体芯片与载体（封装壳体或基片）形成牢固的、传导性或绝缘性连接的方法。焊接层除了为器件提供机械连接和电连接外，还需为器件提供良好的散热通道。芯工共晶工艺是通过金属合金焊料来形成焊接层。共晶是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象，共晶合金直接从固态变到液态，而不经过塑性阶段。其熔化温度称共晶温度。

芯片共晶主要指金硅、金锗、金锡等共晶焊接。金的熔点为 1063℃，硅的熔点为 1414℃，但金硅合金的熔点远低于单质的金和硅。从二元系相图中可以看到，含有 31%的硅原子和 69%的金原子的 Au-Si 共熔体共晶点温度为 370℃。这个共晶点是选择合适的焊接温度和对焊接深度进行控制的主要依据。金硅共晶焊接法就是芯片在一定的压力下（附以摩擦或超声），当温度高于共晶温度时，金硅合金融化成液态的 Au-Si 共熔体。冷却后，当温度低于共晶温度时，共熔体由液相变为以晶粒形式互相结合的机械混合物—— 金硅共熔晶体而全部凝固，从而形成了牢固的欧姆接触焊接面。金属合金焊接还包括“软焊料”焊接（如 95Pb/5Sn，92.5Pb/5In/2.5Ag），由于其机械强度相对较小，在半导体器件芯片焊接中不太常用。

影响芯片共晶的关键因素

共晶焊料的特性

a)比纯组元熔点低，简化了熔化工艺。

b)共晶合金比纯金属有更好的流动性，在凝固中可防止阻碍液体流动的枝晶形成，从而改善了铸造性能。

c)恒温转变(无凝固温度范围)减少了铸造缺陷，如偏聚和缩孔。

d)共晶凝固可获得多种形态的显微组织，尤其是规则排列的层状或杆状共晶组织，可成为优异性能的原位复合材料。

共晶焊料的选用

焊料是共晶焊接非常关键的因素。有多种合金可以作为焊料，如 Au Ge、Au Sn、Au Si、Snln、Sn Ag、Sn Bi 等，各种焊料因其各自的特性适于不同的应用场合。如：含银的焊料 Ag Sn，易于与镀层含银的端面接合，含金、含铟的合金焊料易于与镀层含金的端面接合。 根据被焊件的热容量大小，一般共晶炉设定的焊接温度要高于焊料合金的共晶温度 30～50℃。芯片能耐受的温度与焊料的共晶温度也是进行共晶时应当关注的问题。如果焊料的共晶温度过高，就会影响芯片材料的物理化学性质，使芯片失效。因此焊料的选用要考虑镀层的成份与被焊件的耐受温度。此外，如焊料存放时间过长，会使其表面的氧化层过厚，因焊接过程中没有人工干预，氧化层是很难去除的，焊料熔化后留下的氧化膜会在焊后形成空洞。在焊接过程中向炉腔内充入少量氢气，可以起到还原部分氧化物的作用，但最好是使用新焊料，使氧化程度降到最低。

温度控制工艺曲线参数的确立

共晶时的热损耗，热应力，湿度，颗粒以及冲击或振动是影响焊接效果关键因素。热损伤会影响薄膜器件的性能。湿度过高可能引起粘连，磨损，附着现象。无效的热部件会影响热的传导。共晶时最常见的问题是基座的温度低于共晶温度。在这种情况下，焊料仍能熔化，但没有足够的温度来扩散芯片背面的镀金层，而操作者容易误认为焊料熔化就是共晶了。另一方面，用过长的时间来加热基座会导致电路金属的损坏，可见共晶时温度和时间的控制是十分重要的。由于以上原因，温度曲线的设置是共晶好坏的重要因素。由于共晶时需要的温度较高，特别是用 Au Ge 焊料共晶，对基板及薄膜电路的耐高温特性提出了要求。要求电路能承受 400℃的高温，在该温度下，电阻及导电性能不能有改变。因此共晶的一个关键因素是温度，它不是单纯的到达某个定值温度，而是要经过一个温度曲线变化的过程，在温度变化中，还要具备处理任何随机事件的能力，如抽真空、充气、排气等事件。这些都是共晶炉设备具备的功能。多芯片共晶的温度控制与单芯片共晶不同。多芯片共晶时会出现芯片材料不同，共晶焊料不同，因此共晶温度不同的情况。这时需要采用阶梯共晶的方法。一般先对温度高的共晶焊料共晶，再共晶温度低的。 共晶炉控制系统可以设定多条温度曲线，每条温度曲线可以设定 9 段，通过链接的方式可扩展到 81 段，在温度曲线运行过程中可增加充气、抽真空、排气等工艺步骤。

芯片载体的选择

芯片载体的导电性能，导热性能以及 CTE，是选用的参考标准。另外载体镀层厚度同样直接影响共晶焊接的强度，镀层太薄会造成焊料不能充分浸润，而导致形成空洞、焊接不牢，甚至掉片。镀层太厚成本太高。

载体粗糙度及清洗

载体表面不同的粗糙度对共晶效果有一定影响。载体镀金层表面的洁净度对焊接的质量影响也大，表面的无机物、有机污物，氧化物等都会造成共晶焊层的空洞，从而影响共晶质量。

工艺参数的设定

共晶参数除了温度控制工艺曲线以外，在不使用共晶炉，而采用共晶贴片机时，还需对温度、时间、气氛、摩擦速度、摩擦行程、摩擦时间、不同芯片大小、焊料大小、共晶台温度设置等参数通过多次实验来确定合适范围。

空洞率的控制

空洞的多少直接关系到芯片的散热、可靠性的高低，是共晶工艺首要需要解决的问题。它和焊料、温度、环境洁净度、材质、时间等多个因素都有关。只有通过实验，优化工艺参数来控制空洞率。

金丝键合工艺

金丝键合指使用金属丝（金线等），利用热压或超声能源，完成微电子器件中固电路内部互连接线的连接，即芯片与电路或引线框架之间的连接。金丝键合按照键合方式和焊点的不同分为球键合和楔键合。

金丝球键合过程

金线通过空心夹具的毛细管穿出，然后经过电弧放电使伸出部分熔化，并在表面张力作用下成球形，然后通过夹具将球压焊到芯片的电极上，压下后作为第一个焊点，为球焊点，然后从第一个焊点抽出弯曲的金线再压焊到相应的位置上，形成第二个焊点，为平焊（楔形）焊点，然后又形成另一个新球用作于下一个的第一个球焊点。

金丝楔键合过程

金丝楔键合是将两个楔形焊点压下形成连接，在这种工艺中没有球形成。楔焊过程图见图 4-5，楔焊焊点实拍图见图 4-6。

金丝球键合和金丝楔键合的区别

a)金丝球键合和金丝楔键合的键合方式不同

从两种键合方式的示意图可知，球焊的第一点为球形焊点，第二点为楔形焊点，键合过程没有方向的限制。球键合示意图和焊点示意图见图 4-7、4-8。

 楔焊的两个焊点均为楔形焊点，键合过程只能前后方向键合。楔键合示意图和焊点示意图见图 4-9、4-10。 

b)金丝球键合和金丝楔键合所用劈刀不同

球焊选用毛细管头（陶瓷或钨制成）。焊点是在热（一般为 100℃～500℃ ）、超声波、压力以及时间的综合作用下形成的。毛细管头工作示意图和管头选择示意图见图 4-11，4-12。

楔焊选用楔形头（陶瓷或钛碳合金制成）。焊点是在超声波能、压力以及时间等参数综合作用下形成的。一般在室温下进行。楔形头工作示意图和楔形头选择示意图见图 4-13，4-14。

c)金丝球键合和金丝楔键合应用范围不同 楔键合允许的焊盘的间距为 50μm ，球键合允许的焊盘的间距大于 100μm 。一般来说，球键合的第一个焊点要比第二个位置要高，受操作空间影响较小，返修较困难，而楔键合返修简单，但受制于操作空间。

金丝键合工艺原理

键合设备的磁致伸缩换能器在超高频 63.5KHz/115KHz 正弦波磁场的感应下，迅速伸缩而产生弹性振动，经变幅杆传给劈刀，劈刀在对金丝施加一定压力的情况下，带动金丝在被焊接的金表面上迅速摩擦，使金丝和金表面产生塑性形变和破坏金层界面的氧化薄膜（高熔点，不导电。在 450℃，增大压力，也不能得到较好的冶金焊接），使得两个纯净的金属面紧密接触，形成牢固的冶金焊接。表面温度和引线变形的分析表明这个过程可分成三个阶段：

a) 清洗过程

超声功率主要是用来产生热量和清洗表面和摩擦清除表面氧化层和污染层，只有很少一部分用来产生变形。在这个过程中，键合劈刀压着引线在键合表面。

b) 混合过程

超声功率用来挤压金丝和接触表面并引起键合表面温度明显上升。发生局部焊接和引线焊接到焊盘上。劈刀磨擦基本上固定了引线，焊丝的温度进一步上升。

c) 扩散过程

没有明显的变形和温度上升。键合劈刀磨擦在引线表面产生的热量使得焊点表面温度上升，进一步松弛了焊接的区域。这个回火的过程通过校正扩散接触面，稳定键合点，使它不会太脆。

影响金丝键合质量的关键因素

选择适应的键合方式和劈刀

楔键合允许的焊盘的间距为 50μm ，球键合允许的焊盘的间距大于 100μm，楔键合只能进行前后方向的键合，但更适用于深腔键合。在选择劈刀上，应根据腔体内的形状，芯片键合的位置等因素来选择适应的劈刀，从而从源头上开始控制键合的质量。楔键合劈刀和球键合毛细管头的键合配合示意图见图 4-15、4-16。

金丝的选择和储存

直径=25 微米金丝。重量=8.731～10.247（mg/m）。破坏强度>11～17（g）。直径=18 微米金丝。重量=4.127～5.188（mg/m）。破坏强度>4～8（g）。根据产品电路对金丝的要求以及金丝的特性综合考虑。金丝在不使用时，必须放入氮气柜保存，时间不超过六个月。避免因金丝氧化问题而导致键合不良。

焊盘镀金层厚度

基板上焊盘的镀金层厚度大小直接与金线键合的强度有关，镀金层越厚，键合的可焊性越好，焊点越牢固，但是镀金层越厚成本也越高。由于镀金层厚度和可焊性之间也不是简单的线性关系，所以需要通过实验寻找一个最优的值，在保证达到键合强度要求的情况下，镀金层厚度最小。

清洗

镀金层表面的洁净度对键合的质量影响也大。表面的无机杂质、有机污物、氧化物等都会影响金线键合的强度和可靠性，需要通过实验研究洁净度和键合强度之间的关系。

工艺参数的设定

键合工艺参数包括键合温度、劈刀压力、超声功率与作用时间等，键合工艺参数互相匹配，不能单独强调某个方面的作用，根据不同材料的特性和实际情况选择相应的参数形成最佳配合，也就是将这些参数优化组合到最好。

线弧高度和长度的控制

由于引线是裸露的，没有绝缘层保护，若引线接触就会导致短路失效。因此引线的线弧高度和长度要基本保持一致。需要分析影响弧度高度的原因，以保证线的弧度和高度符合要求。

金丝键合的失效模式、不良现象及解决方法

金丝键合成功的标志都是所有键合点应牢固、无虚焊、无短路、不允许有不符合键合图要求的、遗漏的、额外的键合丝，引线的高度、弧度基本一致，焊点形状符合要求，一致性好等等。在进行金丝键合工艺开发前，必须清楚键合失效、不良现象的原因以及相应解决办法。

失效模式及解决方法

焊球形成失效

a) 焊盘或金属球表面被油、手印、灰尘或前道工序留下的有机物污染。由于在高密度引线球键合中，金属熔球与焊盘的尺寸很小，因此对键合表面的清洁程度非常敏感。键合表面的轻微污染都可能导致两者之间的原子不能扩散，造成失效。对于这种情况，进行等离子清洗解决。

b)由于上一轮键合完成后，引线尾丝过短或者电火花的放电电流不稳定、放电时间过短造成形成的金属熔球过小，使其与焊盘之间的金属间化合物不能有效的形成。对于这种情况，调整尾丝长度，或者加大打球电路和打球时间进行解决。

引线键合的弹坑造成失效

焊盘不清洁或者环境洁净度未达到要求，不仅会造成焊球失效，还会造成弹坑失效。

如图 4-17所示，焊点直接弹出焊盘，造成失效。出现这种情况，应该加强所有环境的清洁控制。

引线键合的断裂造成失效

焊接根部在超声焊接期间已经过度疲劳，向前和向后的弯曲常会形成断裂。引线断裂是键合过程中的一个严重问题，根部断裂可能降低拉伸强度的50%，并且会造成过早的失效。产生断裂的原因有：

a)使用尖底的焊接工具。

b)  焊接机器在焊接工具从第一个焊点开始时振动。

c)  过度的焊接变形。

d)  引线高度上升过陡。

e)  在第一次焊接后工具运动过快。

f)  较高的引线差。

对这些情况，更换劈刀或调整键合速度，或降低超声压力来进行解决。

图4-18中箭头所指根部已经出现裂纹。

线弧互相接触短路造成失效

a)线弧摆动幅度过大或线弧强度和韧性不够，而在第一键合点上方塌陷使其与相邻线弧接触而形成短路。球键合中允许的线弧摆动量首先取决于焊盘距离，其次取决于引线的直径和线弧的长度。引线的直径减小使引线的强度和韧性降低，因而受到振动和冲击后引线摆动和塌陷情况更容易发生。对于这种情况，控制键合引线高度、弧度、长度或者重新更换金丝进行解决。

b) 由于劈刀顶端直径过大使其在键合时与相邻焊盘或引线发生干涉使已形成的线弧变形或大幅摆动。对于这种情况，更换合适的劈刀解决。

c)劈刀内孔直径不配合。劈刀内孔直径越小，线弧的形状就越接近理想形状。但如果内孔直径过小，则会增大引线与劈刀之间的摩擦导致线弧形的不稳定。对于这种情况，更换合适的劈刀进行解决。

焊球偏离焊盘造成失效

由于焊球未能完全落在焊盘中心而造成失效。出现这种情况的主要原因是由于定位不准确。对于这种情况，重新进行定位解决。

不良现象及解决方法

金丝键合出现的不良现象主要有引线尾部不一致，焊点形状不一致，焊点不规则，引线有划痕等，不良现象实拍图见图4-19。

出现这些情况的是常见问题，主要原因是引线通道不干净、错误的引线引入角度、引线夹钳不干净、错误的引线张力，不妥的操作等。对于这些情况，清洗劈刀，重新穿丝，调整线夹松紧，仔细操作来解决。

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