TANAKA的技術

Bonding Lab Bonding Wire製造工程篇-2

在本篇中、將以熱處理製程中的拉伸試驗為中心話題、講解一下Bonding Wire中最具代表性的物理性質---機械特性。

2009年7月

Au Bonding Wire的製造工程篇-2作為上回的續篇、將介紹一下熱處理製程及繞線製程。在本篇中、將以熱處理製程中的拉伸試驗為中心話題、講解一下Bonding Wire中最具代表性的物理性質---機械特性。

Mr.Aki電子Dr.Yama

①拉伸試驗特性和Wire Type

電子:
在Bonding-lab第2回中學習了「伸線」的製程。
Dr. 山:
是的。今天呢、在繼續上回說明的同時、介紹一下Au Bonding Wire的最具代表性的物理性質---機械特性。現在、有請秋老師!
秋老師:
電子、你好! 如Fig.1所示、 伸線的下一道製程是熱處理製程。 在熱處理製程中、 通過加熱Wire來調整其機械特性。

Fig.1

電子:
機械特性、、、具體是指甚麼呢?
秋老師:
它是用來顯示Au Bonding Wire的性質的、具代表性的有Breaking Load和Elonggation。這兩種特性是通過拉伸試驗來測量的。方法是將一定長度的Wire的兩端以一定的速度拉伸的同時、測量Wire斷裂時的負荷以及從開始到斷裂的延伸變量。
電子:
噢、產品目錄的B.L.就是Breaking Load、 El.就是Elongation的簡稱呀。
秋老師:
B.L.和El。在如Fig.2的IC製造工程的Bonding及樹脂封裝中、有著密切的關係、對於Bonding Wire來說、是重要的物理性質之一。Fig.3用圖線的形式對Wire的線種與抗斷強度的關係作了比較。雖然簡單地統稱為Bonding Wire、但為了對應各種半導體的設計要求、產生了許多的線種。

Fig.2

Fig.3

電子:
Wire線種的差異通過抗斷強度的比較、很通俗易懂呀!

②熱處理條件和拉伸試驗的特性

電子:
不過、B.L.和El.之間有甚麼樣的關係呢?
秋老師:
問題問得好!如Fig.4、通常通過改變熱處理的溫度來控制El. 提高熱處理的溫度、B.L. (藍線)就會下降、El.(紅線)就會上昇。

Fig.4

電子:
噢、Fig.4的紅線是El.的變化過程呀!
Dr. 山
雖然也有例外、但一般的Au Bonding Wire的El.通常在1~10%範圍內、在美國材料檢驗協會(American Society of Testing and Materials, ASTM)中有標準規格的記載。如果熱處理的條件太弱、 Bonding時Loop的形成性會變差; 反之、熱處理的條件太強、會使B.L.(抗斷強度)變得過低。
秋老師:
Fig.5是Bonding Wire的斷面的結晶組織圖。L1~L6是和 Fig.4相對應的。

Fig.5

電子:
我明白了! 熱處理的條件太強結晶粒就會變得很大.
秋老師:
在熱處理過程中、先是釋放初期(延展、伸線)加工時積蓄在結晶內部的形變能量、進而消除錯位的復原現象。接著是內部形變少的亞結晶部分吸收錯位密度高的部分、進而成長為形變少的結晶粒的再結晶現象。
電子:
噢、就是說因加熱溫度的不同、味道也會變得不一樣吧?
秋老師:
對!就像做菜一樣、不過這個食譜對Bonding Wire來說是很重要的。

③拉伸試驗的方法

秋老師:
接下來說一下拉伸試驗的方法。Fig.6是測試裝置。在以一定的速度使一定長度的Bonding Wire形變的同時、即時地測量加在負荷計上的負荷。

Fig.6

電子:
如何測量B.L.和El.呢?
秋老師:
B.L.和El.是從被稱為S-S曲線(Stress-StrainDiagram)的「應力-形變圖」中讀取的。應力是指單位斷面面積的負荷、形變和El.的意思相同、所以在Au Bonding Wire的業界中、一般將以B.L.為Y軸、以El.為X軸作成的圖稱為S-S曲線。

Fig.7 Video.1

電子:
原來如此!Fig.7中的斷裂點與x軸的交點是El.、與Y軸的交點是B.L. 吧?在Video.1中能看到斷裂的瞬間呀!

④S-S曲線的補充說明

秋老師:
從S-S曲線中、還可以了解斷裂點物理性質以外的東西。

Fig.8

電子:
的確可以從Fig.8 S-S曲線中看出Au Wire和Fe Wire的形狀完全不同呀!
秋老師:
普通的鋼材在拉伸試驗中會出現降伏點。以此降伏點為界線可以明確地區分彈性區域和塑性區域。
電子:
在Bonding-lab第2回中、提到過彈性和塑性、所以有所了解。
秋老師:
如同Au、Cu、Al等沒有降伏來明確地區分彈性區域和塑性區域的金屬還有很多。對於這些金屬、為了簡單地區分彈性區域和塑性區域、我們使用相當於降伏點的耐力點來作界線。具體地如Fig.9, 先作出S-S曲線的起點的切線L1、然後再作一條通過El. 0.2%點的L1的平行線L2、我們把L2和S-S曲線的交點P1稱為0.2%耐力點。

Fig.9

電子:
為甚麼是0.2%呢?
Dr. 山:
普通的鋼材在降伏時的延伸率大約是0.2%、所以通常用解除負荷時延伸率達到0.2%時的應力作為0.2%耐力。

[豆知識:楊氏系數的計算方法]

Young's modulus(楊氏系數)E:依據Hooke's Law(虎剋定律)分析細微形變時、在拉伸試驗中、以拉伸負荷為Y軸、延伸率為X軸、可以通過計算初期直線(L1)的傾斜度來計算楊氏系數E。普通的Au Bonding Wire(金接合線)的楊氏系數約為88GPa。
E =(拉伸應力:σ)/(拉伸翹曲:ε)=σ/ε
E =(單位面積的力量)/(單位長度的延伸)=(F / A)/(⊿L/ L0)
※F:拉伸力、A:斷面面積、⊿L:在拉伸力F作用下的延伸量、L0:測量長度

電子:
秋老師!腦袋已經裝得滿滿的嘍!

5. 今天就到這兒吧!

Dr. 山:
好吧! 今天就講到這兒吧、熱處理的下一道製程是繞線製程。
秋老師:
在繞線製程中、在如Fig.1的繞線捲軸上卷取規定長度的Bonding Wire。一般的繞線長度為100m~10,000m、可以根據顧客的要求作調整。雖然簡單地稱為繞線、但僅僅幾克的負荷就會拉斷Wire。不過繞線時不加負荷的話、運輸過程中又會使Wire 鬆動而相互纏繞、以至無法使用、所以是很精密的製程呦。

Fig.1

電子:
噢?是嗎?那下回也請講一些有趣的話題吧。秋老師! Dr.山!非常感謝!