[发明专利]具有多个外部台阶的焊丝接合毛细管工具

说明书

技术领域

本发明涉及用于将细焊丝接合到基板上的焊丝接合毛细管工具领域，更具体地，本发明涉及具有高阻抗值并且超声能量传递依从性被优化的焊丝接合毛细管工具。

背景技术

印刷电路板(PCB)通常用于数字装置、自动测试设备(ATE)以及许多通用电子设备的制造中。每个PCB上面安装许多电子元件。这样的电子元件的实例包括半导体芯片、集成电路(IC)、电阻、晶体管和电容器。在每个所安装的元件与PCB(也可以称为基板)之间的电连接通常是半导体封装技术的一部分并且是非常重要的。在电子元件与PCB之间不合适的或错误的电连接可能导致发生错误连接的装置或设备的功能失效。

在通常安装在PCB上的上述元件中，IC可能被认为是最重要的元件之一。在将IC安装在PCB上的过程中，制造者通常依赖三种技术，即焊丝接合、自动带载焊接(TAB)和倒焊芯片贴装技术(flip-chip mounting technology)。在安装IC的三种技术中，焊丝接合是最常用的方法。在焊丝接合中，在PCB(或基板)上以预定的图案存在多个焊盘。具有电引线的所述IC通常安装在焊盘的预定图案的中心并且然后将其电引线连接到焊盘上。在IC与PCB之间的电连接通过利用铜焊丝、金焊丝或铝焊丝来建立，取决于电路的要求和焊盘尺寸，所述铜焊丝、金焊丝或铝焊丝的直径通常为约10-约200微米。这些焊丝通常与所安装的IC的电引线的一端相连，然后拉向各个焊盘，并且最终连接到合适的焊盘，从而建立基板与其上安装的IC之间的电连接。

如上所述，在所安装的IC与其对应的基板之间的电连接的建立通过接合工具来进行。接合工具提供细焊丝并使用称为球焊的方法将IC的电引线电连接到基板的焊盘。接合工具包括毛细管，细焊丝通过该毛细管引出。这些毛细管通常用例如陶瓷材料来制造，所述陶瓷材料如氧化铝、碳化钨和铝增韧的锆石(aluminum toughened zircon)。这种传统的焊丝接合工具的实例描述于美国专利6,910,612中。该美国专利描述了一种接合工具，其具有连接到工作尖端的圆筒形轴向通道，所述工作尖端具有内部的环形斜面。所述环形斜面具有预定的角度和面长度，其在焊接过程中必须使球焊接头成形。

焊丝接合的方法涉及使焊丝通过毛细管引出并且使焊丝的自由端留在毛细管的工作尖端处。在毛细管工作尖端处的焊丝自由端是形成球焊接头的球的端部，这是一种形式的焊丝接合。作为举例说明，当使用细金焊丝时，该方法称为金球焊。在金球焊过程中，首先通过电子火焰熄灭(EFO)熔化毛细管处的焊丝端部形成金球。该金球一般称为无空气球，其直径通常为焊丝直径的1.5-2.5倍。无空气球尺寸一致性由EFO控制。然后无空气球与基板的焊盘或所安装的IC的电引线接触。当无空气球接触焊盘时，例如，然后对所述的球焊接头施加特定时间的适量的压力、热量和超声波力，从而在所述球与焊盘之间形成初始冶金焊接，并使球焊接头本身变形成其最后的形状。然后焊丝运行到与所述焊盘对应的电引线处，在焊盘与电引线之间产生梯度电弧或“回路”。将压力和超声波力施加到焊丝上，从而与电引线形成第二接合(称为楔形接合，或针脚式键合)，以便完成一个焊接循环。

关于超声波能量的应用，这样的能量的施加导致接合工具振动，特别是导致毛细管的尖端振动。因此，在球焊接头形成之后将超声波能量施加到接合工具上时，接合工具实际上对着焊盘摩擦球焊接头。这种摩擦作用从通常为铝的焊盘上清洁掉碎屑和氧化物，例如氧化铝。这种摩擦作用在所述过程中暴露焊盘的新鲜表面。在球焊接头和焊盘之间的冶金接合或焊接进一步用连续施加的超声波能量增强，导致球焊接头和焊盘相互之间产生塑性变形。除了金属彼此之间的物理接触和变形之外，还发生球焊接头和焊盘金属原子的互扩散，这进一步增强冶金接合。一般来说，接合可靠性随着发生的互扩散程度增大而增大。不充分互扩散的最常见原因是在焊盘表面上存在外来杂质或污染物，例如氧化物、未蚀刻的玻璃、硅锯屑、和工艺残渣。为了获得可靠的接合而施加足够的超声波能量的重要性也被保证焊盘无污染物的需要加强了。

目前，在半导体工业中使用具有敏感性金属化的材料例如低介电常数(低K值)的材料的趋势不断增大。具有敏感性金属化的材料还包括超薄焊盘。一般来说，具有这种敏感性金属化的材料具有较差的力学性能、低热导率并且在焊丝接合过程中容易产生金属剥离、成坑和氧化物开裂。

在该工业中的另一个不断增大的趋势是进行“越过有源电路接合(BondingOver Active Circuitry)”。这需要稳定的焊丝接合过程，特别是由于“越过有源电路接合”主要涉及越过半导体芯片中的电路用其上的金属层形成金属焊盘。