F&K 6400鍵合機(jī)在SMD封裝中的應(yīng)用

臧成東

（中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京 210038）

1 鍵合的基本原理

鍵合是一種以金屬細(xì)線作為介質(zhì)，利用熱能、壓力或者超聲能量進(jìn)行工作的一種電氣互連技術(shù)。鍵合是一個固態(tài)壓焊過程，在這個過程中，兩種金屬材料（金屬細(xì)線和焊盤表面）會形成一種緊密接觸，在接觸表面發(fā)生電子共享或者離子擴(kuò)散現(xiàn)象，進(jìn)而形成焊點。目前，鍵合仍然是實現(xiàn)芯片與封裝外殼多種電連接，并傳遞芯片電信號、散發(fā)芯片內(nèi)產(chǎn)生熱量的一種重要方式。

根據(jù)鍵合過程中焊接使用的不同能量，可以把鍵合過程分為三類，如表1所示。

2 F&K 6400的工作原理

表1 鍵合工藝的分類

6400主要使用超聲作為焊接能量，將超聲發(fā)生器產(chǎn)生的高頻超聲波轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，借助劈刀鍵合完成鋁絲（直徑17μm～75μm）的壓焊。與其他同類產(chǎn)品相比，6400的壓焊頭除了能夠在X/Y/Z軸移動外，還可借助P軸馬達(dá)的帶動旋轉(zhuǎn)任意角度，能夠滿足重復(fù)壓焊過程中球形幾何面內(nèi)任意角度和寬度范圍的要求；在單個程序中，可以保存多于1 000根絲和500個器件的信息；生產(chǎn)過程可以通過實時的鍵合過程監(jiān)視進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 F&K6400外觀圖

2.1 鍵合工具

6400采用劈刀作為鍵合工具。劈刀背后靠近底部位置有一個小孔，鋁線由穿絲管穿出后從這個小孔穿出，鋁線與工件表面成30°～60°角，角度越小送絲動作越容易控制，也能夠得到一致性更好的尾絲。只有當(dāng)工件管壁較高或附近有較高器件時才會使用較大的送絲角度。在這種情況下，由于送絲角度變化以及對應(yīng)送絲軌跡的變化會降低焊點上尾絲的一致性。劈刀底部形狀有兩種，一種是平面，一種帶凹槽，鋁線的自動鍵合大部分采用帶凹槽的劈刀以減少鋁絲的定位錯誤。

圖2 bond head外觀圖

圖3 底部為平面的劈刀

劈刀的材料依賴于被鍵合的材料。鋁絲的鍵合一般使用碳化鎢或者陶瓷材質(zhì)的劈刀，陶瓷是劈刀采用的一種較新的材料，與碳化鎢相比，陶瓷材質(zhì)的劈刀鍵合質(zhì)量更好，壽命更長，但價格較高。

圖4 底部帶凹槽的劈刀

2.2 鍵合的基本過程

劈刀鍵合的過程如圖5所示，通過降低劈刀到工件表面焊點上，鋁絲與工件表面接觸后，進(jìn)行超聲焊接，然后劈刀抬起，按照預(yù)設(shè)的循環(huán)（loop）形狀執(zhí)行動作。在第二個焊接位置，劈刀下降，進(jìn)行第二點焊接。在循環(huán)（loop）過程中，劈刀送絲孔軸線的移動必須和第一個焊點的中心線對齊，以保證送絲順暢。

圖5 鍵合的基本過程

斷絲有幾種方式，對于細(xì)線（直徑小于75μm），主要有兩種方式：線夾斷絲（clamp tear）和劈刀斷絲（table tear）。在線夾斷絲方式中，鍵合壓力維持在第二焊點上，利用線夾動作斷絲；在劈刀斷絲方式中，線夾不動，利用劈刀抬起的動作斷絲。與劈刀斷絲相比，線夾斷絲在斷絲動作過程中，鍵合壓力維持在第二個焊點上，能夠提供更高的產(chǎn)能和可靠性。也因為線夾斷絲中，不需要像劈刀斷絲那樣做太多移動，所以在速度上優(yōu)于劈刀斷絲。但是，在劈刀斷絲中，借助于送絲角度更大的劈刀和維持不動的線夾，能夠為焊接提供更大的容差，比如，當(dāng)工件管壁較高或附近有較高器件時。

2.3 焊接材料

6400主要針對鋁線焊接，在生產(chǎn)過程中，在焊接表面主要會形成兩種不同的金屬學(xué)系統(tǒng)：Al-Au系統(tǒng)和Al-Al系統(tǒng)。

Al-Au這個組合是鍵合過程中最常采用的。但Au-Al金屬學(xué)系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中也存在一些局限，容易產(chǎn)生有害的金屬間化合物，比如Au5Al2、Au4Al、Au2Al、AuAl、AuAl2，這些金屬間化合物晶格常數(shù)不同，機(jī)械性能和熱性能也不同，反應(yīng)會產(chǎn)生物質(zhì)遷移，從而在交接層形成可見的柯肯德爾空洞（Kirkendall Void），使鍵合處產(chǎn)生空腔，電阻急劇增大，致使導(dǎo)電性嚴(yán)重下降，容易產(chǎn)生裂縫，引起器件焊點脫開而失效。

在使用期限內(nèi)，這種柯肯德爾空洞會隨著時間和溫度不斷增多。此外，金絲的價格較高，會造成封裝成本的增加。

Al-Al這種組合是非?？煽康?，因為它不會形成腐蝕和金屬間化合物。采用這種組合時最好采用超聲壓焊，雖然熱壓方式會得到更高的形變。

由于純鋁太軟，生產(chǎn)中采用的鋁絲通常在鋁中按照重量比例加入1%的Si或者1%的Mg，以增加鋁線的機(jī)械性能。

在室溫條件下，鋁線中1%的Si超過了Si在鋁中的溶解率50%，會造成Si在鋁中的沉淀。Si沉淀的大小和數(shù)量依賴于焊接過程中溫度由高到低的時間，制冷率的降低會導(dǎo)致更多的沉淀和更不均勻的Si結(jié)核。更快的制冷率能夠讓Si的沉淀變成均勻分布的小結(jié)節(jié)。Si的晶粒大小會影響鋁線的延展性，形成一個潛在的結(jié)核點，影響焊點質(zhì)量，導(dǎo)致疲勞裂縫（fatigue crack）。

鋁中加入1%的Mg可以制成性能更好的鋁線，強(qiáng)度和加Si的鋁線相似，但可以得到效果更好的焊點。將它暴露于逐漸升高的溫度中，它抵抗疲勞裂縫（fatigue failure）和終極強(qiáng)度退化（degradation of ultimate strength）的能力都優(yōu)于加1% Si的鋁線。其原因在于Mg在Al中更高的固態(tài)溶解性（按重量比例為2%），因此在Al中Mg的濃度維持在0.5%～1%的情況下，焊點質(zhì)量好于加入等量Si的鋁線。

3 工藝參數(shù)的設(shè)置

3.1 bond參數(shù)

圖6 通過鍵合測試得到優(yōu)化的鍵合條件

鍵合壓力、鍵合時間和超聲功率直接決定了焊接產(chǎn)品的質(zhì)量。對于一種具體的產(chǎn)品，可以通過更改鍵合參數(shù)進(jìn)行鍵合測試以得到優(yōu)化的鍵合條件，通常通過焊點的拉力強(qiáng)度測試來達(dá)到這個目的。在測試中，通過更改一個變量而維持另外兩個條件不變，可以得到三組曲線：焊點的拉力強(qiáng)度-時間，焊點的拉力強(qiáng)度-功率，焊點的拉力強(qiáng)度-鍵合壓力。每一條曲線都和焊點的拉力強(qiáng)度-焊線變形寬度的曲線類似。隨著每一個參數(shù)的增加，焊點的抗拔起的能量增加了，但同時，由于焊線變形的影響，焊線成為焊點后的強(qiáng)度變?nèi)趿恕ＪＪ剑╢ailure mode）也由拔起焊點變成了拉斷焊線。

如圖6所示，最大的拉力強(qiáng)度在兩種失效模式（拔起焊點和拉斷焊線）的交叉點。最低的重復(fù)生產(chǎn)能力在拔起焊點區(qū)域和變形寬度超過線直徑兩倍后的拉斷區(qū)域內(nèi)，最大的重復(fù)生產(chǎn)能力在圖示畫斜線處，稍稍小于最大拉力強(qiáng)度的點。這是鍵合的優(yōu)化區(qū)域，雖然沒有最大的拉力強(qiáng)度，但卻在保持高焊點強(qiáng)度的條件下保證了最大的重復(fù)生產(chǎn)一致性。

3.2 bond方式

在6400中有兩種bond方式可以采用，TD鍵合和piezo鍵合。

Touchdown（TD）鍵合（如圖7），在TD鍵合中，當(dāng)劈刀向基片運(yùn)動過程中到達(dá)設(shè)定高度（TD ramp）時降低速度，一旦設(shè)備確認(rèn)劈刀與基片接觸，鍵合頭（沿Z軸）降低到程序設(shè)定的高度（TD step），鍵合開始。在生產(chǎn)中進(jìn)行測高時，高度的搜索范圍就是以設(shè)定高度和過沖距離（TD Overdrive）的參數(shù)作為參考。

圖7 Touchdown鍵合

Piezo鍵合（如圖8），在這個焊接方式中，當(dāng)鍵合頭移動到設(shè)定的高度（bond height）時，劈刀向上揚(yáng)起一個角度，但速度不變。當(dāng)鍵合頭到達(dá)過沖高度（TD Overdrive）時，劈刀支點下降，焊接開始。

圖8 Piezo鍵合

Piezo鍵合比TD鍵合的速度明顯要快，但piezo鍵合的鍵合高度僅僅能夠在150μm的相對小的范圍內(nèi)變化，所以采用piezo鍵合時，工件的公差必須非常接近。

3.3 鋁線形變控制

在6400中有三種鋁線形變控制模式：不使用形變控制、使用形變控制和使用鍵合過程控制進(jìn)行形變控制。三種方式中，以第三種方式形變控制效果最好。

鍵合過程控制是F&K 6400的特有功能，是通過調(diào)整超聲功率來控制鋁線形變的一個工具。在工作過程中測量鋁線形變，并與預(yù)先設(shè)定的曲線范圍作比較，當(dāng)形變超過設(shè)定值時，超聲功率減到最小。在選定設(shè)定值時，可以先在不采用形變控制的情況下進(jìn)行若干鍵合并更改鍵合參數(shù)，得到對應(yīng)曲線，通過拉力及剪切力測試得到一條效果最好的形變曲線，最后根據(jù)曲線設(shè)置參數(shù)。

4 產(chǎn)品的檢驗

6400的產(chǎn)品除了通過顯微鏡進(jìn)行直觀檢查外，主要采用拉力強(qiáng)度測試的方法。拉力強(qiáng)度測試的目的是檢驗焊接強(qiáng)度，校驗焊接機(jī)械參數(shù)。測試的結(jié)果是評價焊接質(zhì)量和可靠性的重要依據(jù)，同時也便于了解焊接不良的機(jī)械原理。如圖9所示，用拉力計勾住鋁線直至拉斷，力F1、F2是力F在焊點1、焊點2上的分量，圖示角度根據(jù)勾子實際位置和高度很容易得到。在測試中可能出現(xiàn)五種情況:（1）第一個焊點被拔起；（2）鋁線在第一個焊點處斷；（3）鋁線在中間斷；（4）鋁線在第二個焊點處斷；（5）第二個焊點被拔起。

圖9 拉力強(qiáng)度測試示意圖

在正確的拉力測試中，斷點應(yīng)該在（2）或（4）中出現(xiàn)，通過比較此時拉力計讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)判定焊接質(zhì)量。如果出現(xiàn)其他三種情況，應(yīng)該檢查焊接參數(shù)及焊接工具等。

5 常見故障分析

5.1 壓絲位置偏差

在工作過程中，鍵合頭旋轉(zhuǎn)時在某些特定角度實際壓絲位置與程序設(shè)定位置之間出現(xiàn)偏差。

原因：電機(jī)借助皮帶帶動bond head旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)在任意方向上的壓絲動作。隨著時間及使用頻率的增加，皮帶逐漸磨損，當(dāng)皮帶某些位置上的齒磨損嚴(yán)重時，鍵合頭旋轉(zhuǎn)到該位置時就會出現(xiàn)偏移現(xiàn)象。新推出的F&K鍵合機(jī)已淘汰了皮帶，改用電機(jī)直接驅(qū)動。

5.2 送絲馬達(dá)無法復(fù)位

原因：（1）送絲馬達(dá)home位置檢測傳感器故障，傳感器本身損壞或者是線性機(jī)架箱提供的電壓錯誤。傳感器信號由一根線纜傳輸，當(dāng)該線纜表皮磨損嚴(yán)重時，也會導(dǎo)致此類故障；（2）馬達(dá)驅(qū)動板通過一根線纜傳輸信號到送絲馬達(dá)，驅(qū)動馬達(dá)動作。該線隨鍵合頭旋轉(zhuǎn)，當(dāng)該線外皮磨損嚴(yán)重時，可能會造成馬達(dá)驅(qū)動芯片輸出短路，燒毀芯片，導(dǎo)致此類故障發(fā)生。

5.3 尾絲不一致

原因：鋁線與工件表面夾角過大；線夾壓力過大，夾持鋁線時鋁線變形，導(dǎo)致出絲不暢；鋁線穿線管，劈刀穿絲孔，線夾夾持面不在同一平面內(nèi)的同一條直線上，導(dǎo)致出絲不暢。

[1] F&K Corp. F&K wire bonding instruction manual[R].