專利名稱：絲線焊接絕緣絲線及其毛細管的制作方法
背景技術：
本發明涉及用于將集成電路(IC)管芯連接到引線的絲線和絲線焊接，更具體地，本發明涉及一種絲線焊接絕緣絲線的方法。
IC管芯是一種在半導體晶片例如硅晶片上形成的微小器件。這種管芯典型地從晶片上進行切割并粘接到襯底或用于互連再分布的基板載體上。管芯上的焊盤被電連接到具有通過絲線焊接的絲線的襯底之上的引線。絲線還可以用于使芯片的連接焊盤交叉或使襯底的連接引線交叉。然后，封裝管芯、絲線和襯底，從而形成封裝器件。
由于不斷需要更高密度的集成電路，然而在封裝器件的尺寸或管腳卻不能相應地增加。還需要對IC更多的輸入和輸出，導致了在IC管芯和襯底之間的高密度互連，由此就需要更細的間距(pitch)和超微細的間距絲線焊接。同樣就降低了焊接絲線的直徑。例如，63μm應用采用25μm直徑的絲線，同時52μm和44μm應用就采用20.3μm直徑的絲線。對于37μm應用，正在開發采用17μm直徑的絲線。
間距和絲線直徑的降低就會難于進行處理并進行絲線焊接。例如，絲線可以盡可能短地到達封裝器件的其他導體結構，諸如其他絲線、焊盤、引線或管芯。在IC管芯包封期間這種縮短會發生例如“回掃(sweeping)”，此處注入或轉移的液體模鑄包封劑就會排斥其他絲線結構而移動絲線。采用更小直徑絲線的部分就會趨向于具有更大的絲線回掃抑制。采用絕緣或涂覆的絲線就可以降低這種絲線回掃和縮短。然而，當采用涂覆絲線時，特別是對于第二焊接，卻難于獲得良好的焊接質量。即，絲線焊接機能夠進行芯片焊盤處的第一焊接和載體引線處的第二焊接。利用絕緣絲線，引線上的無黏附就會成為普遍的問題。克服第二焊接弱的一種努力是采用電子滅火(EFO)來去除絕緣體。然而，第二焊接處完成EFO則需要特殊的絲線焊接機器并需要額外的時間。
本發明提供一種采用標準絲線焊接機以提高第二焊接的焊接質量的絲線焊接絕緣或涂覆絲線的方法。
當結合附圖進行閱讀時，將更好地理解本發明的以上簡要概述以及以下優選實施例的詳細描述。為了說明本發明的目的，各附圖中示出了展示出的優選實施例。然而，應當理解，本發明不限于示出的精確排列和結構。在各附圖中圖1是根據本發明的電互連的放大側視圖；圖2A-2C是根據本發明的一個實施例的說明一種將絕緣絲線焊接到焊盤的方法的絲線焊接機毛細管的剖面圖；以及圖3是根據本發明的一個實施例的毛細管尖頭的放大透視圖。
具體實施例方式
以下根據附圖所進行的詳細說明希望作為本發明所展示的優選實施例的說明，且不希望代表其中實施本發明的唯一方式。應當理解，可以通過不同的實施例來實施相同或等同的功能，且相同或等同的功能將包含于本發明的精神和范圍之內。
為了易于說明，已經放大了各附圖中的某些特征，并且附圖及其實施例不必按適當比例。然而，本領域普通技術人員易于理解這些細節。在各附圖中，所有相同的數字表示相同的元件。
本發明提供一種利用絕緣絲線將第一器件電連接到第二器件的方法。該方法包括步驟通過將絕緣絲線的第一端子絲線焊接到第一器件的第一焊盤，形成第一焊接，由此電連接焊接絲線和第一器件；移動毛細管的尖頭，使焊接絲線保持在第二器件的第二焊盤之上，致使在毛細管尖頭和第二焊盤之間摩擦焊接絲線，由此磨損焊接絲線的絕緣物，以致絲線的至少一部分金屬芯接觸第二焊盤；以及通過熱壓焊接，將焊接絲線的至少暴露部分焊接到第二焊盤，由此電連接第一器件和第二器件。
本發明還提供一種用于其中毛細管具有柱狀尖頭的絲線焊接機的毛細管，通過該柱狀尖頭焊接絲線突出，其中為了磨損涂覆絲線上的絕緣涂覆物，粗糙毛細管的外表面。
現在，參照圖1，圖1是在包封之前、利用涂覆或絕緣絲線14而粘接到第二器件12的第一器件10的放大的局部側視圖。第一器件10可以是半導體器件、諸如在硅襯底上形成的集成電路。第二器件12也可以是半導體器件、諸如疊置管芯結構方式下的底管芯或下層管芯。然而，在本發明的優選實施例中，第二器件12是一種載體或襯底。更具體地，圖1示出了電連接到第二器件12的引線指18的第一器件的管芯焊盤，在此情況下，它是一種引線架。第一和第二器件10、12以及它們的焊盤16、18是本領域普通技術人員所公知的類型，并且為了完整地理解本發明也不必對它們進行詳細的描述。
本發明的絕緣焊接絲線14包括涂覆有電絕緣材料的導體芯且適合用于微細間距和超微細間距的絲線焊接。絕緣材料防止絲線與其他絲線或其他導體結構短路。通常，金和鋁最普遍用于元件以便制造焊接絲線14的導體芯。金和鋁兩者都強硬且可延伸，并且在絕大部分環境下具有相同的電阻。為了使金絲線穩定，有時用摻雜劑諸如鈹、鈣來摻雜金絲線。小直徑的鋁絲線通常用硅或者有時用鎂來摻雜，以便提高它的折斷負載和拉伸參數。除了金和鋁之外，還公知有銅、鈀合金、鉑和銀焊接絲線。本領域普通技術人員公知，各種尺寸絲線都適合于將芯片連接到襯底，絲線尺寸的選擇基于在其他方面、焊盤間距之間。盡管可以采用其他直徑的焊接絲線，焊接絲線14具有在大約15μm～大約55μm之間的直徑，并且本發明不限于具體的焊接絲線直徑。在優選的實施例中，絕緣絲線14具有小于或等于大約25μm的直徑。絕緣涂覆物優選具有大約0.5μm～大約2.0μm厚度的在無空氣球形成期間可以進行熱分解的有機絕緣涂覆物。此外，絲線14優選具有大約180°～350°的熔點溫度(Tg)。
在此，管芯焊盤16處的互連絲線14稱作為第一焊接，并且在引線指18處的互連絲線14作為第二焊接。在本優選實施例中，第一焊接是球焊，且第二焊接是鍥形焊。術語“絲線焊接”通常表示通過芯片和襯底的絲線互連。在球型焊接中，毛細管支撐絲線。焊球被形成在絲線的一端并受到毛細管表面的壓制。焊球可以利用氫氣火焰或火花來形成。毛細管將焊球推向焊盤，然后，同時相對第一焊盤支撐焊球，施加超聲波震動，將焊球粘接到管芯。一旦焊球粘接到管芯焊盤，就將仍然保持絲線的毛細管移動到第二焊盤諸如引線架指18之上，到達第二焊盤的第一焊盤就形成了電連接。相對于第二焊盤壓制絲線，再一次施加超聲波能量，直至將絲線粘接到第二焊盤。然后毛細管從絲線提起焊接、無斷裂。本領域普通技術人員公知鍥形焊和球焊。
雖然鍥形焊是公知的，但是當采用絕緣絲線時，則難于獲得良好的第二絲線焊接。有時，差的第二焊接是由于仍然存在于絲線和焊接引線之間的絲線絕緣物，從而阻止了良好的粘接性。即，在絲線和引線之間僅存在一個小的接觸區域，它是第二焊接的尾部區域。在絲線的相對側，在鍥形形成期間，絕緣體的較大部分則被去除了。在絲線剝離測試結果中，證明了粘接性差。在絲線剝離測試中，在鄰近第二焊接的絲線之下放置一個鉤叉(hook)，并施加一個提升力，由此測試粘接到引線/接線柱的第二焊接的強度。絕緣的微細絲線和絕緣的超微細絲線通常呈現出非常低的絲線剝離強度。為了克服非常低的剝離強度的問題，本發明提供一種鍥形焊接絕緣絲線的方法，該方法包括機械磨損步驟，該機械磨損步驟包含移動毛細管的尖頭、將焊接絲線保持在第二焊盤的表面之上致使在毛細管尖頭和第二焊盤之間摩擦焊接絲線、由此磨損焊接絲線的絕緣物，以致絲線的至少一部分金屬芯接觸第二焊盤。在優選實施例中，采用特定的、粗糙的毛細管尖頭來提高機械磨損。
現在，參照圖2A-2C，圖2A-2C示出了根據本發明的一個實施例的說明一種將絕緣絲線14焊接到引線指18的方法的絲線焊接機毛細管的剖面圖。絲線14通過毛細管20中的通孔22延伸。圖2A示出了通過毛細管20相對于引線指18擠壓的絲線14。根據本發明，然后在引線指18的表面之上水平地移動毛細管20，致使在毛細管20的尖頭和引線指18之間摩擦焊接絲線14。圖2B示出了在與引線指18交叉地從右至左移動了絲線14之后的絲線14。相對于引線指18的這種絲線14的運動就會導致焊接絲線絕緣物的磨損，以致絲線14的至少一部分金屬芯接觸引線指18。在焊接絲線14移動橫過引線指18之后，進行熱壓焊，以便將絲線14焊接到引線指18上，由此電連接第一器件10和第二器件12。為了獲得磨損絲線14上的絕緣涂覆物所必須的大量機械磨損，絲線14可以在引線指18之上一次或多次地來回移動。在本優選實施例中，絲線14按照這樣一種方式水平地移動兩次至三次，即在進行任何熱壓、熱超聲絲焊或超聲絲焊步驟之前、毛細管運動具有在引線指18表面之上的正偏移移動(遠離第二焊接位置)和兩個負偏移移動(朝向第二焊接位置)的組合。超聲焊接所需的能量非常低，并且大致為用于超聲焊接所采用的超聲能量的最小值。圖2C示出了在機械運動和熱壓焊接之后提升焊盤18的毛細管20。毛細管20的提升在焊接處切斷絲線14。
熱壓焊接步驟包括熱和壓的組合，以便將絲線14粘接到引線指18。可以采用其上放置有引線架的加熱毛細管或加熱底座(未示出)中的任何一種或兩種。在本發明中，溫度范圍從100℃～200℃。如下文中所述，可以采用最適合的具有按照所需僅僅對毛細管尖頭改進了的焊接機諸如ESEC 3088iP和Kulicke & Soffa 8086來進行絲焊。在可選的實施例中，為了提高如上所述的通過機械運動來磨損絕緣物的效率，可以在相對于引線指18移動絲線14之前、利用定位熱源24來加熱引線指18。
現在，參照圖3，圖3示出了毛細管20的尖頭的異常放大透視圖。如附圖中所示，毛細管20可以具有圓柱形尖頭，該圓柱形尖端有一個焊接絲線從中突出的孔。當作為典型使用時，毛細管20可以由陶瓷、鎢或紅寶石材料來制造。然而，根據本發明，此處典型的毛細管完全光滑以便制造光亮的焊接，為了在移動步驟期間提高絕緣物的磨損，粗糙毛細管20的尖頭。更具體地，使毛細管20的外表面粗糙并具有常規毛細管的表面粗糙度的大約兩倍至五倍之間的粗糙度。
已經做出了本發明，從而提供以下優點(a)當利用標準絲焊機而采用絕緣絲線時、由于在第二焊接處的非引線粘接而幾乎消除了局部障礙；(b)提高了第二焊接處的具有改進了絲線拉伸強度/絲線剝離強度的絕緣絲線的焊接性；(c)除了毛細管尖頭之外，不需要新的或改進的絲焊設備；(d)降低了模具處的絲線縮短的障礙；(e)不需要具有非常精細填充物的昂貴模具組合物；(f)利用微細涂覆絲線就能夠與焊接進行交叉；(g)焊盤/管芯設計規則不必只對外圍焊盤進行限制；以及(h)降低了電開路的障礙。
為了說明和描述的目的，已經展現了本發明的優選實施例的描述，但不希望是限制性的或者使本發明受限于所公開的形式。本領域普通技術人員應當清楚，在不脫離本發明的寬泛的發明概念之下，可以對如上所述的實施例進行修改。本發明應用于所有絲線焊接封裝類型，包括但不限于球柵陣列(BGA)、帶型球柵陣列(TBGA)、塑料球柵陣列(PBGA)、無引線方形扁平封裝(QFN)、四方扁平封裝(QFP)、小外廓集成電路(SOIC)和芯片尺寸封裝(CSP)。此外，還可以采用具有絕緣體涂覆物的絲線，以便在封裝IC中連接導電結構的其他類型。因此，應當理解，本發明不限于所公開的具體實施例，但本發明覆蓋了由附加權利要求所限定的在本發明的精神和范圍之內的各種修改。
權利要求
1.一種利用絕緣絲線將第一器件電連接到第二器件的方法，該方法包括步驟通過將該絕緣絲線的第一端子絲線焊接到該第一器件的第一焊盤、由此電連接該焊接絲線和第一器件，形成第一焊接；移動毛細管尖頭、在第二器件的第二焊盤的表面之上保持該焊接絲線，致使在該毛細管尖頭和第二焊盤之間水平地摩擦該焊接絲線，由此磨損該焊接絲線，以致該絲線的至少一部分金屬芯接觸第二焊盤；以及將該焊接絲線的至少暴露部分焊接到第二焊盤，由此電連接第一器件和第二器件。
2.根據權利要求1的電連接方法，其中該移動步驟包括移動該毛細管尖頭，以致該毛細管運動具有在第二焊盤之上的第一方向上的正偏移運動和在第二焊盤之上的第二方向上的負偏移運動的組合。
3.根據權利要求1的電連接方法，其中該焊接步驟包括熱壓焊接和非常低的超聲能量。
4.根據權利要求1的電連接方法，還包括采用具有粗糙尖頭的毛細管的步驟，其中在所說的移動步驟期間該粗糙尖頭提高了該絕緣物的磨損。
5.根據權利要求1的電連接方法，其中第一焊接包括球焊。
6.根據權利要求6的電連接方法，其中第二焊接包括自動點焊。
7.根據權利要求1的電連接方法，其中第二器件包括載體并且第二焊盤是引線指。
8.根據權利要求1的電連接方法，還包括在所說的移動步驟之前加熱第二焊盤的步驟。
9.根據權利要求1的電連接方法，其中所述絕緣絲線包括具有有機絕緣涂覆物的金、銅或鋁絲線中的一種。
10.根據權利要求9的電連接方法，其中所述絕緣絲線具有小于大約25μm的直徑。
11.根據權利要求10的電連接方法，其中所述絕緣涂覆物具有大約0.5μm～2.0μm的厚度。
12.一種將具有連接到第一焊盤的一個端子的絕緣絲線焊接到第二焊盤的改進方法，該改進方法包括步驟移動毛細管尖頭、在第二焊盤的表面之上保持該焊接絲線，致使在該毛細管尖頭和第二焊盤之間摩擦該焊接絲線，由此磨損該焊接絲線絕緣物，以致該絲線的至少一部分金屬芯接觸第二焊盤；以及通過熱壓焊接，將該焊接絲線的暴露部分焊接到第二焊盤。
13.根據權利要求12的電連接方法，其中該移動步驟包括移動該毛細管尖頭，以致該毛細管運動具有在第二焊盤之上的第一方向上的正偏移運動和在第二焊盤之上的第二方向上的負偏移運動的組合。
14.根據權利要求12的電連接方法，其中該熱壓焊接采用非常小的超聲能量。
15.根據權利要求12的電連接方法，還包括采用具有粗糙尖頭的毛細管的步驟，其中在所說的移動步驟期間該粗糙尖頭提高了該絕緣物的磨損。
16.根據權利要求12的電連接方法，其中第二焊接包括自動點焊。
17.根據權利要求16的電連接方法，其中第二焊盤包括載體指。
18.根據權利要求12的電連接方法，還包括在所說的移動步驟之前加熱第二焊盤的步驟。
19.根據權利要求12的電連接方法，其中所述絕緣絲線包括具有有機絕緣涂覆物的金、銅或鋁絲線中的一種。
20.根據權利要求19的電連接方法，其中所述絕緣絲線具有小于大約25μm的直徑，并且所述絕緣涂覆物具有大約0.5μm～2.0μm的厚度。
21.一種將具有連接到第一焊盤的一個端子的絕緣絲線焊接到第二焊盤的改進方法，該改進方法包括步驟提供用于支撐該絕緣絲線的具有粗糙尖頭的毛細管；在第二焊盤的表面之上移動毛細管尖頭，致使在該毛細管尖頭和第二焊盤之間摩擦該絲線，由此磨損該絕緣物，以致該絲線的至少一部分金屬芯接觸第二焊盤；以及通過熱壓焊接，將該絲線的暴露部分焊接到第二焊盤。
22.根據權利要求21的電連接方法，還包括在所說的移動步驟之前加熱第二焊盤的步驟。
23.根據權利要求21的電連接方法，其中該絕緣絲線包括具有有機絕緣涂覆物的金、銅或鋁絲線中的一種。
24.根據權利要求23的電連接方法，其中所述絕緣絲線具有小于大約25μm的直徑，并且所述絕緣涂覆物具有大約0.5μm～2.0μm的厚度。
25.一種用于絲焊機的改進毛細管，該改進包括使該毛細管的外表面粗糙，所說的粗糙表面用于磨損在涂覆絲線上的絕緣涂覆物。
26.一種用于絲焊機的改進毛細管，該毛細管包括具有焊接絲線從其中突出的通孔的尖頭，其中該尖頭的外表面是粗糙的，所說的粗糙表面用于磨損在涂覆絲線上的絕緣涂覆物。
全文摘要
一種焊接絕緣絲線(14)的改進方法，該絕緣絲線具有將第一焊盤(16)連接到第二焊盤(18)的一個端子，該方法包括移動毛細管(20)的尖頭、保持焊接絲線(14)位于第二焊盤(18)的表面之上，致使焊接絲線(14)在毛細管尖頭(20)和第二焊盤(18)之間產生摩擦，該方法磨損焊接絲線的絕緣物，以致絲線(14)的至少一部分金屬芯接觸第二焊盤(18)。由此采用熱壓焊接，將絲線(14)焊接到第二焊盤(18)。使毛細管(20)的尖頭粗糙，以便增加焊接絲線絕緣物的磨損。
文檔編號B23K31/02GK1842394SQ200480024637
公開日2006年10月4日 申請日期2004年7月15日 優先權日2003年8月29日
發明者福艾達·哈龍, 曾昭孟, 陳蘭珠, 劉德明, 張光美, 楊素珊 申請人:飛思卡爾半導體公司