引線鍵合設(shè)備壓力控制機(jī)構(gòu)的研究

郝艷鵬，趙喜清，王增琴，馬生生，郝耀武

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原，030024）

在微電子制造業(yè)中，引線鍵合作為一門復(fù)雜的組裝和制造工藝技術(shù)，利用熱、壓力、超聲波能量使金屬引線與基板焊盤緊密結(jié)合，實現(xiàn)芯片與基板間的電氣互連和芯片間的信息互通[1]。引線鍵合是提高通用微電子器件、專用集成電路、薄厚膜混合集成電路、多芯片組裝、系統(tǒng)集成電路等微電子電路性能的關(guān)鍵技術(shù)。

焊接壓力是影響引線鍵合強(qiáng)度的重要因素之一。鍵合期間，焊接壓力的施加能夠維持劈刀和引線相互接觸而不滑動，然后施加超聲振動，使引線和焊盤在接觸面產(chǎn)生耦合作用，理想控制條件下，引線和基板間會發(fā)生電子共享或原子的相互擴(kuò)散，從而使兩種金屬鍵實現(xiàn)原子量級上的鍵合[2，3]。焊接壓力過小會導(dǎo)致引線和焊盤不粘連，而過大又會導(dǎo)致引線或鍵合焊盤產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變，引起踵部的裂紋。

1 鍵合壓力機(jī)構(gòu)設(shè)計原理分析

本文提出一種彈性壓力輸出機(jī)構(gòu)，主要包括音圈電機(jī)和平行四邊形板簧，如圖1所示。音圈電機(jī)是一種特殊形式的直接驅(qū)動電機(jī)，因原理與揚(yáng)聲器類似而得名。音圈電機(jī)的工作原理如圖2所示，其工作原理為洛倫茲力原理。將通電導(dǎo)體置于磁場中，即產(chǎn)生力（F），力的大小取決于磁場強(qiáng)度（B），電流（I）和線圈匝數(shù)（N），用公式表示為F=kNBIL，其中k為常數(shù)。

圖1 彈性壓力輸出機(jī)構(gòu)示意圖

圖2 音圈電機(jī)運動原理圖

平行四邊形板簧是類似于彈簧的一種結(jié)構(gòu)，根據(jù)胡克定律可知，在其彈性形變范圍內(nèi)，受力大小與產(chǎn)生的形變量成正比，即F=k·△x，其中k為勁度系數(shù)，是彈簧的一種屬性，與彈簧的材料、結(jié)構(gòu)有關(guān)，△x為形變量。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點為當(dāng)移動端受力發(fā)生形變時，移動端始終與固定端保持平行，也就保證了劈刀在上下微動時能始終與鍵合面垂直，如圖3所示。

圖3 平行四邊形板簧結(jié)構(gòu)工作示意圖

彈性壓力輸出機(jī)構(gòu)工作原理為平行四邊形板簧的固定端與Z軸固定，移動端與換能器固定，內(nèi)部挖空安裝有音圈電機(jī)，同時配備高分辨率傳感器，實現(xiàn)測高的靈敏反饋。傳感器設(shè)置初始值為0.3 mm的間隙，然后Z軸向下壓，當(dāng)傳感器顯示板簧形變量為20μm時，設(shè)為測高力，然后施加焊接力，進(jìn)行超聲焊接。如果鍵合壓力大于測高力，則音圈電機(jī)施加向下推力；如果鍵合壓力小于測高力，則音圈電機(jī)施加向上拉力，即F=F測高+F音圈，如圖4所示。

圖4 焊接表面受力分析

2 平行四邊形板簧結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真

全自動引線鍵合設(shè)備中平行四邊形板簧材料選擇鈹青銅（QBe2），因為其具有很高的硬度、彈性極限、疲勞極限和耐磨性，廣泛用作重要的彈性元件。結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示，固定端固定在機(jī)頭架上，移動端與變幅桿固定架螺接，在受力時，a處產(chǎn)生形變，移動端帶動變幅桿固定架上下移動。因此，a處的尺寸是影響板簧勁度系數(shù)的重要因素。楔形引線鍵合主要包括金絲鍵合和鋁絲鍵合，金絲鍵合為熱超聲鍵合，在一定高溫下，金絲和焊盤形成的接觸面上發(fā)生冶金學(xué)的反應(yīng)。鋁絲鍵合是在室溫下進(jìn)行的，在引線與鍵合焊盤金屬層之間的接觸面上沒有冶金學(xué)的反應(yīng)，因此需要施加更大的焊接壓力。在一定的移動范圍內(nèi)，施加更大的焊接壓力，就需要更大的板簧勁度系數(shù)，因此，板簧勁度系數(shù)的探究尤為重要。

本文利用Solidworks軟件進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)仿真，設(shè)置板簧中不變尺寸如圖5所示，通過改變a處寬度（w）和厚度（h），將固定端固定，在移動端向下施加載荷，設(shè)置為0.01 N，交叉對比仿真，得到移動端形變量如圖6所示，根據(jù)胡克定律，可以得到對應(yīng)的板簧勁度系數(shù)，如表1所示。

表1 不同參數(shù)下板簧勁度系數(shù)

圖5 板簧靜態(tài)力學(xué)仿真示意圖

圖6 Solidworks軟件靜態(tài)力學(xué)仿真圖

通過查表，可以快速選取相應(yīng)的板簧參數(shù)來適應(yīng)不同的壓力需求。

3 實現(xiàn)效果

本文根據(jù)設(shè)備性能需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，選取勁度系數(shù)為1.50×10-2N/μm的彈性壓力輸出機(jī)構(gòu)，即其中板簧a處寬度（1.5 mm）和厚度（0.1 mm），加工后進(jìn)行裝配，音圈電機(jī)輸出力±0.8 N，進(jìn)行壓力測試，通過設(shè)備中壓力校準(zhǔn)功能界面對設(shè)備焊接壓力進(jìn)行標(biāo)定，如圖7所示，最后在界面中設(shè)置多個壓力值并讀取實際壓力測量值，與設(shè)定值偏差在0.01 N之內(nèi)。

圖7 設(shè)備壓力校準(zhǔn)功能界面

通過設(shè)備進(jìn)行引線鍵合，選取相同的的超聲功率（0.05 W）和超聲時間（100 ms），分別施加不同大小的焊接壓力，鍵合一排金絲，得到焊接效果圖如圖8所示。

圖8 不同焊接壓力下的引線鍵合效果圖

從圖8可以看出，焊接壓力是影響引線鍵合強(qiáng)度的重要因素。

4 結(jié)束語

本文從彈性壓力輸出機(jī)構(gòu)入手，利用胡克定律相關(guān)理論知識，對平行四邊形板簧進(jìn)行了靜態(tài)力學(xué)分析，得到了板簧勁度系數(shù)與板簧結(jié)構(gòu)的關(guān)系，通過引線鍵合測試，得到了±0.01 N的控制精度。為今后研制高焊接壓力控制精度的引線鍵合設(shè)備提供了很好的理論依據(jù)。