自動(dòng)金絲球焊工藝中第一鍵合點(diǎn)成球缺陷分析*

王姜伙，金家富

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088）

1 引言

目前，集成電路先進(jìn)后封裝過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)中，封裝管腳90%以上采用引線鍵合技術(shù)。所謂引線鍵合技術(shù)，是指以極細(xì)的金屬引線（通常選擇延展性好的金、鋁）的兩端分別與芯片和管腳鍵合，形成電氣連接的技術(shù)。其中金絲具有良好的導(dǎo)電性，能抗蝕抗氧化，而微波電路又多使用砷化鎵芯片，其電極表面也是金，故金絲是最理想的互連材料[1]。

2 鍵合原理

引線鍵合技術(shù)[2]分為三步：一是用外力將焊絲壓倒在焊接區(qū)的表面上；二是提供焊接能量，熱壓焊用熱能、超聲焊用超聲能量、熱超聲焊使用超聲能和熱能的組合；三是施加壓力和能量后使金屬表面產(chǎn)生塑性變形與分子擴(kuò)散，從而使兩種金屬牢固地焊接在一起。單根鍵合引線的形成過(guò)程如圖1所示[2]。

圖1 引線鍵合過(guò)程

3 缺陷描述及分析

實(shí)施自動(dòng)引線鍵合過(guò)程中發(fā)現(xiàn)第一鍵合點(diǎn)出現(xiàn)成形不良的問(wèn)題，具體為第一點(diǎn)成形不良，有時(shí)出現(xiàn)第一點(diǎn)成球不均勻，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)第一點(diǎn)線尾過(guò)長(zhǎng)，如圖2所示。調(diào)用手動(dòng)模式進(jìn)行單線鍵合時(shí)，上述現(xiàn)象沒(méi)有出現(xiàn)。

圖2 鍵合第一點(diǎn)缺陷

針對(duì)上述現(xiàn)象，結(jié)合以往批量生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，造成上述問(wèn)題的原因可能會(huì)有以下三種：

（1）鍵合工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，包括尾絲長(zhǎng)度、打火參數(shù)、超聲時(shí)間、超聲功率和鍵合力等相關(guān)鍵合工藝參數(shù)的設(shè)置；

（2）真空系統(tǒng)故障也可造成金絲沒(méi)有張緊，尾絲長(zhǎng)度不受控；

（3）線夾間距不當(dāng)，當(dāng)線夾關(guān)閉時(shí)不能夾緊金絲，第二鍵合點(diǎn)完成后（下一根金絲第一點(diǎn)鍵合時(shí)）金絲長(zhǎng)度不受控。

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)原因（1），首先認(rèn)為尾絲長(zhǎng)度、打火參數(shù)都與以往相同，由于打火桿位置固定，金絲與打火桿間隙設(shè)置沒(méi)有被修改，故排除這兩個(gè)因素。推斷超聲時(shí)間、超聲功率和鍵合力設(shè)置不當(dāng)有可能形成缺陷，決定采用正交試驗(yàn)方法開(kāi)展鍵合工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究[3]，根據(jù)現(xiàn)有鍵合工藝參數(shù)，確定如表1的三因素兩水平。

經(jīng)試驗(yàn)后確定A1B1C2D2E1F1為優(yōu)化后的工藝參數(shù)，將該參數(shù)移植到自動(dòng)鍵合程序中，再進(jìn)行自動(dòng)鍵合試驗(yàn)，成球缺陷依然出現(xiàn)。由此可排除鍵合工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)?shù)囊蛩亍?/p>

表1 正交試驗(yàn)L8（27）因素水平表

針對(duì)原因（2），根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料，真空系統(tǒng)如圖3所示，由真空管道、控制電磁閥和導(dǎo)管等幾部分組成。其工作原理如下：通過(guò)鍵合程序選擇真空系統(tǒng)工作模式來(lái)控制電磁閥的導(dǎo)通和閉合，在導(dǎo)通時(shí)由于真空的作用，導(dǎo)管內(nèi)會(huì)形成一股氣流將金絲張緊，這樣金絲就不會(huì)看上去很松弛。經(jīng)與設(shè)備技術(shù)支持工程師溝通后，初步判斷電磁閥芯可能由于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作造成其內(nèi)部堵塞，影響真空的正常工作。于是拆下該部件后用壓縮空氣吹干凈后再用酒精棉球清洗了一遍，裝上后重新試驗(yàn)，問(wèn)題沒(méi)有得到解決。此外，真空調(diào)節(jié)至稍大時(shí)還出現(xiàn)金絲被抽出導(dǎo)管的新問(wèn)題。

針對(duì)原因（3），根據(jù)設(shè)備技術(shù)支持工程師的建議，在線夾打開(kāi)的狀態(tài)下，我們選擇厚度為0.05 mm的塞尺放在中間，通過(guò)螺母調(diào)節(jié)間隙，以塞尺可輕輕用力拔出為限。在完成間隙調(diào)節(jié)后重新穿金絲進(jìn)行鍵合，通過(guò)約100只產(chǎn)品的生產(chǎn)驗(yàn)證，在約60倍放大后觀察，金絲表面沒(méi)有線夾擦傷，也沒(méi)有出現(xiàn)成球缺陷。圖4是線夾間隙調(diào)整后第一鍵合點(diǎn)的外觀。

圖3 真空送絲系統(tǒng)

圖4 第一鍵合點(diǎn)外觀

5 結(jié)論

自動(dòng)鍵合過(guò)程受多種因素的影響，本文對(duì)各種影響因素進(jìn)行了逐條分析驗(yàn)證，最終根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果找出原因，解決了第一鍵合點(diǎn)成球不良的問(wèn)題。

線夾對(duì)金絲鍵合過(guò)程影響很大，當(dāng)線夾間隙過(guò)大時(shí)，線夾不能夾持金絲會(huì)造成第一鍵合點(diǎn)成球缺陷，間隙過(guò)小又會(huì)造成送絲不暢通，最終確定線夾間隙在0.05 mm 較為合適。

[1]胡蓉，等.微波電路引線鍵合質(zhì)量的影響因素分析[J].電子工藝技術(shù)，2009，30(2): 92-95.

[2]黃玉財(cái)，等.集成電路封裝中的引線鍵合技術(shù)[J].電子與封裝，2006，6(7): 16-20.

[3]曠仁雄，等.25 μm金絲引線鍵合正交試驗(yàn)研究[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2010，35(4): 369-372.

[4]楊利業(yè).引線鍵合自動(dòng)送線系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].天津大學(xué)，2012.