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清洗技术对引线框架封装件的影响:邦定过程中的差异化
在半导体器件加工过程中引线框架封装技术得到了广泛的应用,通常来说集成电路（IC）和金属引脚之间是通过Die Attach 和Bonding工艺进行连接,对于Die Attach工艺来说常规使用的材料是环氧树脂、胶水或锡膏,但是,在wire bonding和molding工艺之前,为了实现整体良率最优必须将焊后助焊剂残留物清除干净,对于那些生产半导体器件的公司来说,每天生产出上百万单位的元器件非常常见,因此如果在wire bond过程中能够进行优化,能够有效地提升生产效率和节省成本.
作者：ZESTRON南亚区资深工艺工程师GT YeohZESTRON北美区资深工艺工程师、化学工程硕士Ri Parthasarathy
在本案例中将要设计的某OEM制造厂在他们的引线框架封装件加工过程中采用超声波和IPA（异丙醇）对器件进行清洗,然而,wire bond整体良率才到98% ,由于后续还要对器件进行抛光和封装等工艺处理,因此还有很大空间改善工艺提升wire bond 良率.
另外,在本次案例分析中设计了一套实验方法通过引入一套清洗设备配合恰当的清洗剂对器件进行处理有效地提升了wirebonding的成功率,研究中使用了依据MIL-STD-883E method2011.7拉力测试对于工艺的可行性和有效性进行了评估,在整套DOE设计中使用了目测检验和推拉力测试对工艺进行了评估,且结合了wire bonding的整体良率对工艺表现进行了判断.
简介：
本次案例研究分析了某OEM制造商的工艺,该企业在分离半导体器件和被动电子元器件制造领域领先全球,其客户分布在所有的主要市场领域且在制造业、通讯行业、物流和运输、消费类电子、医疗行业和国防领域都有相关的应用.在消费类电子产品领域主要集中在对产品移动性能和可靠性高的应用中.
引线框架封装器件对于该OEM生产企业来说是重要的产品,具体应用在半导体二极管、整流器、分立半导体晶闸管和多种集成电路芯片（QFN、QFP、LGA）,功率场效应晶体管（DPAK,MLP,SO系列）和电源（Direct FET）,通常来说,集成线路和金属引脚之间的连接是通过die attach和Wire bonding工艺实现的,在最后阶段会将引线框架封装在塑胶键中.
案例中OEM制造厂当前所使用的邦定工艺包含了一个额外的球间粘合过程,用1.2mil（30.5μm）的金线邦定,这个过程分为两个步骤,第一个步骤是在焊点表面形成一个金球,第二个步骤则是在第一个步骤的基础上完成标准的邦定工艺.
本案例中的OEM公司每天生产上百万台的半导体设备,因此对于他们来说在产量过程中为了提升工艺质量和产量,进行反复检查是非常重要的,在实验设计中他们的关注焦点是如何提升wire bond的成功率,同时他们也希望如果有可能的话最好是能够淘汰BSOB以进一步提升工艺效率并减少成本.
背景
在本次研究之前该OEM公司使用了超声波结合IPA的一套清洗工艺,在工艺中包括4个标准浸没槽,且整体工艺时间超过15分钟,当前的wire bonding工艺成功率是98%,其后续工艺有抛光和封装等.
Wire bonding工艺中可能会出现多种情况的失败,常见的工艺失败和可能的原因如表1中所列：
通常来说,标准的金线邦定过程是在芯片上形成金球,然后将金球与引线框架连接.为了提高线弧性能消除塌线,在工艺过程中必须对参数进行严格监控.
BSOB工艺加大了金线的使用量,与原来的邦线工艺相比减缓整个工艺过程,提升了破坏裸芯片的风险,对于案例中的OEM公司来说,他们的邦定产量受到包括引线框架、金线、芯片等材料流失的影响,而这些材料又进一步地影响总体工艺成本.淘汰BSOB能够减少工艺成本、提升产品可靠性和产量（每个小时的生产单位数目）,该OEM公司认为关键步骤是要引入一套优化的能够满足他们客户要求的清洗工艺
为了提升质量且最大限度地节省成本,该OEM公司选择与电子制造和半导体行业的精密清洗专家ZESTRON进行合作,设计一套DOE实验方案来评估当前邦定工艺的有效性和效率并寻找到实现工艺优化的方法,实验设计的主要目标是：
对金线邦定前清洗工艺进行优化,提升邦定良率
如果可能的话淘汰BSOB邦线法,减少整体工艺成本并提升产量
该OEM制造商选择在现有超声波清洗设备中对另一种清洗液FA+进行评估以期替代之前使用的IPA清洗工艺,另外该OEM制造商了解到超声波能量会对焊脚和芯片表面产生不良影响,导致焊脚裂缝和脱落,因此他们想要评估在SpeedlineMicroCel离心清洗设备中的清洗工艺,在MicroCel设备中仅使用ZESTRON FA+进行了实验
实验设计
在实验当中,测试样本使用的是OEM提供的免洗高铅锡膏（ORL0）所加工的引线框架,如图2所示
对引线框架的准备工作分为以下几个步骤：
O EM生产场合—>Die attach→Clip attach→回流,寄回ZESTRON和设备供应商处进行测试
在ZESTRON和设备供应商处进行清洗并对结果进行目测检验,然后将清洗对象返回给OEM生产厂
OEM生产厂→点胶过程→进行IC贴装→ 烘烤→进行邦定→推拉力测试分析
最初,该DOE确定了三道清洗步骤
第一个清洗场景
在ZESTRON技术中心使用超声波进行清洗并通过了视觉检测
第二个清洗场景
在设备供应商处使用离心设备进行清洗
第三个清洗场景
在OEM生产厂使用超声波进行清洗
在所有的清洗场景中,使用了备选的清洗剂ZESTRON FA+进行实验,所有关于邦定可靠性的实验都在该OEM的生产处完成.
为了对清洗效率进行检验,根据以下标准使用了目检和推拉测试对结果进行检验
目检标准：MIL-STD-883 Method 2010 & 2017 [1]
确保所有的金球和楔邦都已经形成
确保所有的邦线都正确放置引线框架表面 不同的第一点上和第二点上.
推拉力测试检验标准：MIL-STD-883 Method 2011 –destructive and 2023 – non destructive [1]
检验邦线的强度,通常来说邦定的失效点在图3中的数字标注2处
破坏性推拉测试的最小的拉力根据MIL-STD-883 Method2011.7定义,如图4中数字标注1所示
邦线结果使用邦定推拉测试进行检验,失效模式如图5和表2中所列
推拉测试：EIA/JESD22-B116 [1]
分析邦定球的质量及依据推力的数据,反映金属互化物的形成情况及在邦定点上的形成情况,参见图6,球推力测试[2]
在超声波和离心设备中使用ZESTRON FA+得到的测试数据与OEM当前收集的数据（超声波+IPA）进行了比较.
测试方法
第一轮测试
该OEM制造商准备了芯片和引线框架并应用了高含铅量的免洗锡膏进行加工,然后将其送至ZESTRON进行清洗,在组装和清洗之间的间隔时间大概为7天.
在超声波当中使用ZESTRON FA+和表3中列出的工艺参数进行4次清洗
测试结果,第一种清洗场景
通过目测检验发现,在邦定表面或是焊接盘表面没有发现助焊剂残留物,在试洗1和试洗2中分别将清洗时间定义为12分钟和15分钟取得了最好的结果,参见表4和图7-10
将清洗对象送回OEM进行标准的邦定工艺处理,也就是说在每一个邦定盘上有一个邦定球,然后用邦定盘上的金线穿插连接.因为想要将其淘汰,因此在邦定过程中没有采用BSOB工艺,随后对器件进行了可靠性测试和监控,使用一块没有清洗的对象样本作为清洗了的四块的参照对象.
在推拉测试过程中,失效点的标准是4g,且倾向于发生A,a及B模式的失效（参见图5）在这些试清洗中,除了编号14和编号17（失效模式为A,超出了4g的标准）的邦线结果,其他结果无法让人满意,基于已经取得的结果,笔者对工艺进行了调整以进行第二轮测试并试图能够提升邦定的质量,因此笔者减少了超声波清洗的时间且缩短了清洗后与焊接工艺之间的间隔,同时减少了清洗后和邦定之间的时间间隔,另外,将离心清洗工艺引入并减少了清洗时间.
第二轮清洗
在设备提供商处进行了对超声波设备和离线设备的评估,在两种设备中均使用ZESTRON FA+进行清洗,超声波清洗的时间减少到5分钟,离心设备的清洗时间设置为10分钟和5分钟.图11和图12展示了MicroCel的腔体和工艺的处理过程.
结果:第二轮清洗
第二轮清洗后拉力测试的结果如表7所示
总的来说,邦线拉力测试的结果提升了,使用离心-2第二条线,超声波-1,第一条线和超声波-2第一条线取得了最好的结果,在这些例子中清洗时间均为5分钟.
但是值得注意的仅仅在短的邦线上出现了故障,因此笔者与该OEM制造厂重新审视了邦线的参数设定确保在邦线推力测试中使用了正确的工具尺寸,否则很有可能对测试结果造成不良的影响.
最后,这些结果有力地推动了在OEM生产处进行的第三轮测试,在第三轮测试中附加了一个收益,在焊接和清洗间的分期时间及清洗和邦线间的时间减到了最小.对于清洗工艺来说,由于不具备离心设备,OEM决定使用超声波清洗工艺进行试验.
第三轮清洗试验
在这轮清洗试验中OEM制造商在生产地点使用超声波清洗设备配合ZESTRON FA+进行评估,表8中展示了超声波清洗设备中的工艺参数.
结果：第三轮清洗
在引线框架中各取5个单位（每一条引线框架上有192个单位）进行邦线推拉测试,每个单位上有17条邦线,总的来说有85条邦线,对每一条邦线脚进行推拉测试.所有的失效（包含在4g标准以下的及其他故障用红色标出,每一个独立邦线脚的详细情况在表9-12中列出）
从表10中可以看出,最好的结果是邦线脚2,在所有的失效点都能满足4g的标准.但是,该OEM制造商担心在‘D’模式中的潜在失效风险,这就要求额外的邦定球以为BSOB邦准备,考虑后续会进行标准化的邦线工艺,因此如果“D”模式中能够满足最小的推拉测试要求,BSOB工艺就可以被省略掉.
在’D’模式的推拉测试中,邦线脚2再一次取得了最好的结果,如表13中所列
由于所有的shear测试的值都高于20gram且最好的结果由第二条邦定脚取得,因此确认了使用超声波清洗工艺处理三分钟是最好的解决方案.
后续步骤
基于3分钟超声波清洗测试取得的积极结果,该OEM制造商选择进一步延伸DOE试验设计,确保MicroCel设备并在他们的生产处评估结合了ZESTRON FA+的离心清洗工艺的效果
选择清洗时间为2.5分钟,5分钟和7.5分钟,所有的清洗试验都包含4个循环,清洗,剥离、漂洗及烘干,另外所有的循环在操作过程中按照顺时针和逆时针的方向进行测试.
使用离心清洗设备对于4条焊腿进行了评估,每个循环中的测试参数如表15中所列：
结果—离心清洗设备
MicroCel清洗试验的结果如表16中所列
离心清洗工艺取得了非常积极的结果,邦线的标准在4脚的测试中都得到了提升.
作为一道额外的步骤,该OEM制造商同事也对plaa清洗的必要性进行了评估,使用表8中优化后的清洗参数,并仅仅使用超声波配合FA+进行清洗,2轮清洗后如图13进行评估
结果—Plaa清洗评估.
将选中的清洗对象（MLP6x6）进行分层测试,使用C-mode声学扫描显微术进行评估,然后接下来用TC500 (-65°C+150°C)循环测试,plaa测试的结果如表17中所示.
不管是否使用Plaa进行处理,使用ZESTRON FA+清洗的邦线脚都取得了卓越的结果,该试验说明了如果使用一套合适的清洗工艺,则能够有效地避免对plaa清洗的需求,从而能够有效地节约工艺时间和成本.
基于取得的卓越的稳定的工艺结果,另外为了提升工艺有效性和减少成本及避免焊脚或芯片开裂（超声波能量有时会在焊盘表面和芯片表面造成伤害）该OEM制造商将SpeedlineMicroCel离心设备搭配ZESTRON FA+的工艺标准化为他们的清洗工艺,优化后的离心清洗工艺及操作参数如18中所列
图14展示了使用离心清洗工艺配合ZESTRONFA+进行清洗后取得的邦定结果.
结论
正如DOE中所证明的,超声波和离心清洗设备配合ZESTRONFA+进行清洗的结果都比使用IPA进行清洗的结果要好.
在本次实验研究以后,案例中提到的OEM制造商决定将应用ZESTRON FA+的MicroCel离心清洗工艺作为标准化工艺进行沿袭使用,优化该道工艺以后,该OEM制造商获得了多项收益：
大大地提升了邦线良率到99%- 超过1%改善.
确认了不需要使用plaa清洗,提升了工艺效率的同时还有效减少了工艺成本.
淘汰了BSOB工艺,将金线的损耗减少了50%,并提升了20%的产量.
该OEM制造厂意识到了与电子制造业精密清洗产品领先提供商合作带来的价值,分析现有工艺,重新定义工艺目标,开发测试计划并达成和超过在工艺质量和效率上的目标且有效减少成本.
差异化论文范文结:
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