分立半導(dǎo)體元器件焊點(diǎn)缺陷解決策略

王嘉駒

（威世（中國(guó)）投資有限公司，上海，200231）

分立半導(dǎo)體元器件焊點(diǎn)缺陷解決策略

王嘉駒

（威世（中國(guó)）投資有限公司，上海，200231）

在對(duì)半導(dǎo)體封裝測(cè)試的過(guò)程中，需要對(duì)其中的芯片加以焊接，要在半導(dǎo)體成品芯片的焊盤(pán)上植球，采用引線(xiàn)鍵合工藝，準(zhǔn)確地將焊球焊接在半導(dǎo)體芯片的焊盤(pán)中央。然而，由于存在焊點(diǎn)廢品的產(chǎn)品失效現(xiàn)象，因而，要針對(duì)半導(dǎo)體元器件焊點(diǎn)缺陷的問(wèn)題進(jìn)行分析，并探討解決對(duì)策。

半導(dǎo)體；元器件；焊點(diǎn)

0 引言

為了提升半導(dǎo)體產(chǎn)品的使用質(zhì)量，減少半導(dǎo)體產(chǎn)品的廢品率，最大程度上滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。我們要關(guān)注半導(dǎo)體產(chǎn)品的引線(xiàn)焊接工藝，針對(duì)焊接過(guò)程中出現(xiàn)的焊球偏移的焊點(diǎn)缺陷現(xiàn)象，加以全面的分析和研究，尋找焊點(diǎn)缺陷的出現(xiàn)原因，并提出解決對(duì)策，以提升半導(dǎo)體產(chǎn)品的質(zhì)量，增強(qiáng)設(shè)備的能力。

1 分立半導(dǎo)體元器件焊點(diǎn)缺陷的概念分析

在分立半導(dǎo)體元器件中的芯片焊接工藝之中，是通過(guò)熱壓超聲焊接法，借助于焊針的控制系統(tǒng)，在高壓放電的條件下，加入一定的焊接力，超聲板也同時(shí)輸出超聲波，經(jīng)過(guò)能量轉(zhuǎn)換之后作用于焊針的尖端部位。在上述焊接力、超聲波、熱度的共同作用條件下，焊球與芯片鋁焊盤(pán)產(chǎn)生共晶結(jié)合，實(shí)現(xiàn)焊接工序。

在對(duì)分立半導(dǎo)體元器件的芯片進(jìn)行焊接的過(guò)程中，會(huì)存在焊球偏移的現(xiàn)象。這主要是由于金鋁球鍵合的焊接過(guò)程之中，焊球沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)芯片焊盤(pán)，發(fā)生了偏移，這就使焊球和焊盤(pán)之間形成虛焊，導(dǎo)致分立半導(dǎo)體元器件失效。如果焊球與焊盤(pán)發(fā)生極為微小的偏差，則會(huì)造成虛焊，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)出現(xiàn)斷路或短路的現(xiàn)象，對(duì)分立半導(dǎo)體元器件產(chǎn)生不可彌補(bǔ)的損傷。

2 分立半導(dǎo)體元器件焊點(diǎn)缺陷的原因分析

2.1 分立半導(dǎo)體元器件焊接平臺(tái)影響因素

在對(duì)分立半導(dǎo)體元器件焊接的過(guò)程中，其硬件主要是X/Y自由度定位焊接平臺(tái)，它是引線(xiàn)鍵合工藝設(shè)備的重要部件。在芯片焊接加工的過(guò)程中，由于封裝速度加快，導(dǎo)致X/Y平臺(tái)自由度定位焊接平臺(tái)產(chǎn)生高速和高頻起停下的振蕩，這就使焊接過(guò)程中的平臺(tái)定位精度出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致出現(xiàn)焊點(diǎn)缺陷。

2.2 分立半導(dǎo)體元器件焊接中的人為因素

分立半導(dǎo)體元器件焊接過(guò)程中，需要人為對(duì)劈刀Offset進(jìn)行校正，尤其是在焊接加工過(guò)程中需要更換焊針，在對(duì)焊針進(jìn)行更換的操作中，需要人工對(duì)十字線(xiàn)加以校正，要進(jìn)行偏移補(bǔ)償，如果偏移補(bǔ)償軟件無(wú)法滿(mǎn)足偏移量，則需要技術(shù)人員對(duì)螺釘加以預(yù)調(diào)，確保十字光標(biāo)中心和焊接點(diǎn)中心完全重合。

2.3 分立半導(dǎo)體元器件產(chǎn)品型號(hào)差異因素

分立半導(dǎo)體產(chǎn)品的主流型號(hào)主要是SOD923、SOD323等，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加大的形勢(shì)下，分立半導(dǎo)體產(chǎn)品的芯片尺寸不斷向小型化方向傾斜，焊盤(pán)與焊球之間的距離尺寸也在不斷接近，這也是導(dǎo)致設(shè)備在小焊盤(pán)的芯片上焊接的廢品出現(xiàn)的因素之一。

2.4 換能器散熱空氣的影響因素

在對(duì)分立半導(dǎo)體元器件進(jìn)行焊接的過(guò)程中，由于外部溫度的變化狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致金屬構(gòu)件的焊接頭產(chǎn)生熱膨脹和收縮狀態(tài)，導(dǎo)致焊頭的大小及形狀發(fā)生變化，這也是導(dǎo)致分立半導(dǎo)體元器件焊點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生原因之一，極大地降低了焊接頭的定位精度。

2.5 鍵合點(diǎn)的影響因素

在對(duì)分立半導(dǎo)體元器件進(jìn)行焊接的過(guò)程中，熱超聲鍵合是關(guān)鍵性的因素，它涉及多個(gè)條件，具體包括以下幾種：一是焊針尺寸。焊針材料主要有陶瓷、鎢合金，它們具有高密度、抗磨損和抗氧化的能力，重要的尺寸主要有焊針頂端直徑H、內(nèi)錐角的開(kāi)放直徑CD、T型頂直徑、圓角半徑R、面角FA、外錐角CA等。這些尺寸參數(shù)在鍵合焊接的過(guò)程中，有重要的影響。二是換能器超聲系統(tǒng)。在引線(xiàn)鍵合工藝的超聲波焊線(xiàn)過(guò)程之中，換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波，進(jìn)行能量傳輸，采用高頻超聲粘接方式，對(duì)于焊接效果也有一定的影響。三是焊接力及焊接時(shí)間。焊接時(shí)的焊接力如果壓力過(guò)大，也會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)缺陷而失效。對(duì)于球焊的過(guò)程中出現(xiàn)的不規(guī)則劈刀，也會(huì)使粘接球產(chǎn)生與焊盤(pán)的偏移。四是芯片表面的污染對(duì)于焊點(diǎn)缺陷也有影響。如果芯片的表面有污染，導(dǎo)致金線(xiàn)或焊盤(pán)受到污染，就會(huì)對(duì)焊點(diǎn)缺陷造成一定的影響。

3 分立半導(dǎo)體元器件焊點(diǎn)缺陷的解決實(shí)驗(yàn)方案

3.1 芯片焊接

首先，我們先對(duì)分立半導(dǎo)體元器件的芯片焊接過(guò)程，加以分析，我們可以通過(guò)以下圖示，清晰地看到分立半導(dǎo)體元器件的芯片焊接工序：

圖1 圖像處理系統(tǒng)框架圖

在上述芯片定位的焊接過(guò)程中，系統(tǒng)中的攝像頭、硬件部分、換能器、劈刀都與焊接的定位精度直接相關(guān)。我們可以通過(guò)對(duì)上述舊的圖像處理系統(tǒng)中的焊球位置與新系統(tǒng)的焊球位置相比較，從而提高對(duì)分立半導(dǎo)體元器件的焊接質(zhì)量和精度。

3.2 設(shè)定焊接過(guò)程的相關(guān)參數(shù)

在新系統(tǒng)之中，采用SDW35焊線(xiàn)機(jī)實(shí)施焊線(xiàn)工序，這種設(shè)備可以在高精度的焊頭條件下，實(shí)現(xiàn)良好而穩(wěn)定的控制，在DOS系統(tǒng)的界面之下，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定并簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)操作。其中的負(fù)載傳感器可以實(shí)現(xiàn)焊接的自動(dòng)檢測(cè)，從而確保芯片焊接的質(zhì)量和精度。

在芯片焊接的過(guò)程中，具體的參數(shù)包括有：（1）保證室溫～500℃的溫度控制，從而保持在這個(gè)溫度范圍內(nèi)的熱變形，不會(huì)導(dǎo)致框架發(fā)生變化，確保了框架的穩(wěn)定性。（2）沖擊力和速度參數(shù)。在SDW35設(shè)備運(yùn)用條件下，沖擊力的參數(shù)設(shè)定為0～80gf，速度的參數(shù)設(shè)定為0～8。（3）超聲能量參數(shù)。它可以自動(dòng)精準(zhǔn)地調(diào)整和控制超聲能量，其工作頻率為65KHZ，可調(diào)節(jié)的范圍設(shè)定在0～80mW。（4）焊接力參數(shù)。在SDW35設(shè)備的運(yùn)用條件下，焊接力的參數(shù)設(shè)定范圍在0～80gf之間。（5）焊接時(shí)間參數(shù)。在中央控制板和程序的精準(zhǔn)控制之下，焊接時(shí)間參數(shù)設(shè)定為0～30ms。

3.3 測(cè)試焊球的位置

焊球位置的測(cè)試儀器可以采用OLYMPUS MMFP-TR電子顯微鏡系統(tǒng)，它對(duì)焊球位置的測(cè)試精度可以達(dá)到0.0001mm?？梢詫?shí)驗(yàn)過(guò)程中的沖擊壓力、速度焊接力、超聲等，進(jìn)行分析和測(cè)試，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行具體的分析前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊球位置的準(zhǔn)確測(cè)試，從而確保焊球的定位精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)分立半導(dǎo)體元器件進(jìn)行焊接的過(guò)程中，要注重對(duì)焊點(diǎn)缺陷部位的查找，分析導(dǎo)致焊球偏移的原因，對(duì)這種焊點(diǎn)缺陷的現(xiàn)象加以全面的研究，并采用一定的對(duì)策和實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以提升焊接的質(zhì)量和精度。

[1] 陳佳溪.基于PMAC焊線(xiàn)機(jī)控制系統(tǒng)研究及應(yīng)用[D]. 廣東工業(yè)大學(xué) 2013

[2] 胡永恒.銅線(xiàn)鍵合中金屬焊盤(pán)鍵合深度研究[D]. 電子科技大學(xué) 2012

Solving Strategy of Solder Joint Defects in Discrete Semiconductor Components

Wang Jiaju
（Vishay (China) Investment Co., Ltd. Shanghai 200231）

In the semiconductor packaging test process, the need for the chip to be welded to the chip in the semiconductor chip solder ball, the use of wire bonding process, the ball will be accurately welded to the center of the semiconductor chip pad. However, due to the existence of solder joint waste product failure phenomenon, therefore, to address the problem of solder joint defects in semiconductor components, and explore solutions.

semiconductor; component;Solder joint