全自動(dòng)金絲球焊工藝中安全球偏移分析

1、全自動(dòng)金絲球焊工藝中安全球偏移分析摘要：鍵合工序在微組裝中屬于關(guān)鍵工序，要實(shí)現(xiàn)高效率、高一致性的批量化 生產(chǎn)，自動(dòng)化鍵合是必不可少的。在微波組件中，常用金絲鍵合來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片與基 板、基板與基板之間的互連。全自動(dòng)金絲球焊是互連方法的一種，本文主要針對(duì) 量產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的安全球偏移問(wèn)題展開(kāi)分析，即鍵合機(jī)的機(jī)械震動(dòng)、安全球參數(shù) 設(shè)置不當(dāng)、劈刀和金絲的選型、主線的線弧參數(shù)設(shè)置不當(dāng)?shù)?。本文通過(guò)在 Palomar 8000i 全自動(dòng)金絲球焊機(jī)上進(jìn)行系列試驗(yàn)驗(yàn)證，主線的線弧參數(shù)設(shè)置不當(dāng) 是造成安全球偏移的主要原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。關(guān)鍵詞： 全自動(dòng)金絲球焊；安全球偏移；線弧參數(shù)引言在微電子封裝中，常用的芯片

2、互連工藝1主要有引線鍵合（WB）、載帶自動(dòng) 焊（TAB）、倒裝微互聯(lián)（FCB）。引線鍵合技術(shù)2是一種使用細(xì)金屬線，利用 熱、壓力、超聲波能量，通過(guò)特殊的鍵合工具（劈刀或楔）將金屬線鍵合到芯片 或基板上相應(yīng)的焊區(qū)位置，以此實(shí)現(xiàn)電氣互連，具有成本低、工藝成熟、可靠性 高等優(yōu)點(diǎn)。其中，金絲球焊通常會(huì)在其第二點(diǎn)魚(yú)尾處再鍵合一個(gè)金球，即安全球， 來(lái)提高了鍵合的可靠性。若安全球發(fā)生偏移，則會(huì)降低第二點(diǎn)的可靠性，甚至?xí)?導(dǎo)致第二鍵合點(diǎn)脫落。鍵合金絲3是一種具備優(yōu)異電氣、導(dǎo)熱、機(jī)械性能以及化 學(xué)穩(wěn)定性極好的內(nèi)引線材料，通常在半導(dǎo)體器件中作為內(nèi)引線用于各種電子元器 件的封裝處理。引線鍵合原理引線鍵合是金屬與金屬

3、間的鍵合，即外力的作用下，金屬產(chǎn)生局部塑性變形 而緊密結(jié)合成為一體。最常用的引線鍵合工藝是熱壓超聲波鍵合4，在超聲波能 量的作用下，劈刀帶著金屬絲產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，破壞了焊區(qū)表面氧化膜，使其露出 潔凈的界面，同時(shí)又加熱加壓，使兩種金屬在界面處產(chǎn)生塑性變形而緊密接觸， 生成具有一定強(qiáng)度的金屬間化合物，故而形成焊點(diǎn)，使得金屬引線與焊區(qū)互連， 保證電路能可靠的工作，鍵合強(qiáng)度來(lái)源于金屬間化合物的化學(xué)鍵力和分子間作用 力。金絲球焊4是引線鍵合的一種，金絲經(jīng)過(guò)導(dǎo)線管和絲夾，進(jìn)入劈刀（空心瓷嘴） 中，并從劈刀尖伸出來(lái)適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度（即尾絲），打火桿產(chǎn)生電火花，將尾絲熔化成 球，球的大小和形狀由燒球參數(shù)（功率和時(shí)間）

4、決定，球的直徑一般是金絲直徑的 25倍，球的厚度應(yīng)大于球徑的1/6且小于球徑的1/3,且不得大于2倍線徑。 鍵合時(shí)，加熱待鍵合基板，劈刀下降并向金球施加一定壓力，同時(shí)施加超聲振動(dòng)， 將金球焊在焊區(qū)上，即完成第一點(diǎn)鍵合，然后劈刀抬起一定高度，移動(dòng)到第二焊 點(diǎn)的位置完成焊接，移動(dòng)過(guò)程中會(huì)按照設(shè)定的弧形參數(shù)拱出相應(yīng)的弧形。第二焊 點(diǎn)是魚(yú)尾形，為了提高第二焊點(diǎn)的可靠性，通常會(huì)在第二焊點(diǎn)上再鍵合一個(gè)金球， 即安全球。安全球偏移現(xiàn)象描述與分析在生產(chǎn)某型號(hào)T/R組件時(shí)，由于該組件裝配密度大，需要鍵合的金絲數(shù)有 1567根，手動(dòng)鍵合工作量太大，故采用自動(dòng)鍵合工藝，其中金絲球焊的自動(dòng)化率 達(dá)到 100%。在自動(dòng)

5、金絲球焊的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)安全球容易偏離主線，具體表現(xiàn)為安全球中心 與主線不在一條直線上，這種情況不符合內(nèi)部目檢要求，也降低了第二焊點(diǎn)的可 靠性，所以針對(duì)安全球偏移這個(gè)問(wèn)題作了如下原因分析：（1）自動(dòng)鍵合機(jī)設(shè)備的機(jī)械振動(dòng)，包括各個(gè)軸的移動(dòng)速度和加速度、鍵合時(shí) 邦頭的移動(dòng)速度等；（2）安全球參數(shù)設(shè)置不合理，包括鍵合壓力、超聲功率、超聲時(shí)間、加球模 式、加球位置 X1 值等參數(shù)的設(shè)置；（3）劈刀和金絲的選型不合理，包括劈刀孔徑大小、金絲延展率；（4）主線的線弧參數(shù)設(shè)置不合理，即線弧太松，金絲在劈刀中轉(zhuǎn)動(dòng)，造成第 二點(diǎn)魚(yú)尾缺陷，導(dǎo)致安全球偏移。試驗(yàn)設(shè)計(jì)針對(duì)原因（1），邦頭移動(dòng)過(guò)程中會(huì)明顯感受到機(jī)器震動(dòng)，故

6、認(rèn)為鍵合過(guò)程中 的震動(dòng)可能使安全球偏離設(shè)定位置，也可能使已鍵合完畢的金絲發(fā)生傾斜，于是 將各個(gè)軸的移動(dòng)速度和加速度減小，可以直觀感受到軸的移動(dòng)變得平緩，不再有 明顯的震動(dòng)，同時(shí)也將鍵合速度從 60%降低到30%，提高了鍵合的穩(wěn)定性。但對(duì) 于安全球偏移問(wèn)題沒(méi)有改善，且鍵合完好的金絲也無(wú)任何傾斜，故排除原因 （1）。針對(duì)原因（2），加球時(shí)的鍵合壓力、超聲功率和時(shí)間太小會(huì)導(dǎo)致安全球虛焊 即浮球，太大會(huì)導(dǎo)致安全球形變量太大，以致不符合目檢要求，加球模式一般選 擇先打下第二點(diǎn)再加球，目檢發(fā)現(xiàn)球形正常，故排除鍵合壓力、超聲功率和時(shí)間 的影響。加球位置應(yīng)在第二點(diǎn)的魚(yú)尾與主線交界點(diǎn)處，參數(shù)X1值越大，安全球

7、越靠近第一點(diǎn)，因此認(rèn)為安全球偏移的原因可能是X1值太大，在加球時(shí)劈刀碰 到主線，同時(shí)存在超聲振動(dòng)，導(dǎo)致金球滑移，故在原有參數(shù)上加 10 ms 超聲延遲 保證超聲穩(wěn)定性，現(xiàn)針對(duì)加球位置X1值設(shè)計(jì)試驗(yàn)，將X1值分別設(shè)置為1、1.2、 1.4、 1.6、 1.8、 2 六個(gè)不同的值，安全球偏移問(wèn)題沒(méi)有改善，因此排除原因（2）。針對(duì)原因（3），鍵合所用金絲直徑為25ym，劈刀孔徑太大會(huì)導(dǎo)致金絲在劈 刀中轉(zhuǎn)動(dòng)，鍵合時(shí)易造成焊點(diǎn)缺陷，反之，劈刀孔徑太小會(huì)導(dǎo)致送絲不暢，我們 所用劈刀孔徑為38ym，經(jīng)查閱，孔徑為38ym的劈刀建議使用直徑為23-28ym 的金絲，故劈刀選型沒(méi)有問(wèn)題。金絲延展率太大易使鍵合絲

8、扭曲，太小會(huì)增加鍵 合難度，故金絲的延展率要求在2%-7%，我們所用金絲延展率均值為4.01%，故 金絲選型也沒(méi)有問(wèn)題，所以排除原因（3）。針對(duì)原因（4），線弧模式一般選用標(biāo)準(zhǔn)模式，弧形受控于 A、 B、 C、 Max Height、 XY Pretrigger、 PZ Adjust 六個(gè)參數(shù)，其中 A、 B、 C、 Max Height 四個(gè)參數(shù) 起主要作用，A為劈刀垂直方向抬起的高度，B為反向移動(dòng)距離，Max Height間 接影響弧高， C 值越大，線弧越松，線弧松容易導(dǎo)致金絲歪斜使其在劈刀中轉(zhuǎn)動(dòng)， 金絲轉(zhuǎn)動(dòng)后鍵合的第二點(diǎn)魚(yú)尾存在缺陷，即魚(yú)尾偏離主線，而以魚(yú)尾處為中心， 移動(dòng) X1 距離

9、處的位置即為安全球位置，若魚(yú)尾處偏移則會(huì)導(dǎo)致安全球偏移。通 過(guò)優(yōu)化主線線弧參數(shù)，使弧形平滑，無(wú)松弛歪斜等現(xiàn)象，安全球偏移問(wèn)題得到明 顯改善。以某型號(hào)T/R組件為例，所有芯片和電容的Max Height、XY Pretrigger、 PZ Adjust值均在3-5之間，芯片高出基板100ym以內(nèi)，建議用A、B兩值控制弧 形，可不設(shè)置C值，芯片高出基板400ym以內(nèi)，C值設(shè)置在10-35之間為宜，針 對(duì)于與基板高度差較大的連接器一類的金絲球焊，需增大Max Height值，建議其 值為15-20之間，C值在20-35之間為宜。結(jié)論全自動(dòng)金絲鍵合過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，多種細(xì)節(jié)都會(huì)導(dǎo)致鍵合不暢，甚至 造成鍵合失效，其中，弧形參數(shù)對(duì)于鍵合絲一致性和可靠性都有影響，它的設(shè)置 要結(jié)合芯片與基板的高度差來(lái)考慮，弧形太低會(huì)使鍵合絲碰到芯片邊緣，弧形太 高或太松則鍵合絲容易歪斜、安全球容易偏移。本文針對(duì)于自動(dòng)鍵合工藝中安全 球的偏移問(wèn)題提出幾種影響因素，并通過(guò)試驗(yàn)一一驗(yàn)證，最終解決該問(wèn)題。 參考文獻(xiàn)：張滿.微電子封裝技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀J.焊接技術(shù)，2009, 38(11):1-5.宗飛，等.電子封裝中的固相焊接:引線鍵合J.電子工業(yè)專用設(shè)備，2011, 7 (19