鍵合機熱臺溫度研究

柴 亮，孫永超

(中國電子科技集團第四十五研究所，北京101601)

鍵合機是利用超聲熱壓原理將半導體芯片與管腳進行電氣連接的一種封裝設備，又稱焊線機，其中超聲波、壓力和溫度是其工作必備的條件。它是半導體后封裝過程中主要的生產設備，其焊線速度快、精度高、工藝復雜，連接芯片和管腳的金線直徑僅有15～75μm，運動最大加速度達到100 g以上，焊線精度達到±3μm。鍵合機主要模塊有：上下機架、上下料、夾持臺、xy平臺和鍵合頭，其中熱臺屬于夾持臺模塊，它的主要功能是把芯片和管腳加熱到焊線所需的溫度。圖1是鍵合機主要模塊的示意圖。

1 熱臺性能

鍵合機連接芯片和管腳時不僅要求芯片和管腳達到一定的溫度，而且要保證焊接范圍內的所有芯片和管腳的最大溫差不超過某一值，否則芯片和管腳之間不能被成功連接或者連接質量不穩定。在實際工作時首先對熱臺進行加熱，待熱臺上升到要求的溫度，使芯片和管腳與熱臺緊貼，熱量從熱臺傳到芯片和管腳，從而使芯片和管腳溫度達到一定值。這要求在對熱臺進行加熱時不僅要使其溫度達到指定值，而且要保證其最大溫差不能超過要求。根據工藝需要，熱臺的溫度在達到240℃時，其最大溫差要小于±5℃。為了使熱臺溫度達到這一要求，在設計熱臺時，我們首先采用ANSYS對其分析優化，然后用實驗進一步驗證，最終找出影響熱臺溫度及均勻性的因素。

圖1 鍵合機主要模塊

熱臺模塊如圖2所示。通過加熱棒對模塊加熱，熱電偶作為溫度的反饋，可以保證熱臺達到設定的溫度。熱量是從熱臺模塊的壓板向芯片與管腳進行傳導。即對熱臺溫度的研究轉化為對熱臺模塊中壓板的溫度研究。

圖2 熱臺模塊

2 熱臺熱穩態傳熱過程

加熱棒對加熱塊加熱使熱臺的壓板最終達到穩態熱平衡，即壓板的溫度只隨位置變化而變化，不隨時間的變化而改變。此時系統的凈熱流率為0，即流入系統的熱量加上系統生成的熱量等于流出系統的熱量,即：

q流入+q生成-q流出=0，穩態熱分析的能量平衡方程為：

式中：[K]是傳導矩陣，包括導熱系數、對流系數及輻射率；{T}是節點溫度向量；{Q}節點熱流率向量。根據傳熱機理的不同，傳熱的基本方式有熱傳導、對流和輻射3種。

2.1 熱傳導

當物體的內部或兩個直接接觸的物體之間存在著溫度差時，熱量就從溫度較高的區域向溫度較低區域傳遞，或者從溫度較高的物體向溫度較低的物體傳遞。這一過程稱為熱傳導，其基本規律為（傅里葉定律）：

2.2 對流

對流是指由于流體的宏觀運動，使流體各部分之間發生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程，對流的同時必伴隨有導熱現象。對流換熱的基本規律（牛頓冷卻公式）為：

式中：ts和tf分別為表面溫度和流體溫度；h為對流熱換系數，表示單位溫差時通過單位面積的熱流量，對流換熱系數越大，導熱越劇烈。

2.3 輻射

輻射是通過電磁波來傳遞能量，因溫度而發出輻射能量的現象稱為熱輻射。自然界的物體都在不停的向空間發出熱輻射，同時又不斷的吸收其他物體輻射的熱。輻射是一個動態過程，當物體與周圍環境溫度處于熱平衡時，輻射交換的熱量為零，但輻射和吸收過程仍在進行，只是輻射出的熱量和吸收的熱量相等。

物體輻射熱流量可根據玻爾茲曼定律求得：

其中：T為黑體的熱力學溫度；σ為玻爾茲曼常數，A為輻射表面積。其中Q為物體向外輻射的熱流量，而不是輻射換熱量；ε是物體的發射率，其大小與物體的種類及表面狀態有關[1]。

3 熱臺模塊有限元分析

為了設計出符合工藝要求的熱臺，首先用ANSYS對其進行分析。熱臺模塊由4個零件組成，在有限元分析時，要考慮以下邊界條件的設置：第一、對流散熱系數和輻射系數，這兩個參數主要與熱臺模塊的溫度和周圍環境溫度以及熱臺形狀有關。第二、加熱棒的設置溫度。第三、裝配體之間的接觸熱阻。在對裝配體進行有限元分析時，系統在零件與零件之間自動生成綁定類型的接觸對，該接觸對沒有溫度差，但實際工作中接觸面之間存在接觸熱阻，即接觸對之間存在溫度差，這一參數和兩接觸表面的平面度、接觸壓力、表面溫度以及導熱脂的使用有關[2]。

熱臺三維模型如圖3所示，首先根據熱臺的長度、體積以及需要的溫度選用合適的加熱棒和熱電偶。然后將三維模型生成有限元模型，如圖4所示。

圖3 熱臺三維模型

圖4 熱臺有限元模型

有限元分析設置條件如下：加熱棒溫度：300℃；加熱棒長度：50.8mm。分析結果如圖5所示，從溫度分布圖可知壓板最大溫差為±12℃。該溫差值超過工藝要求，同時從溫度分布結果還可看出選用加熱棒的加熱范圍在長度方向不能覆蓋熱臺，所以導致熱臺溫度均勻性達不到工藝要求。

圖5 熱臺分析結果

為了解決之一問題，應該增加加熱棒的長度，使加熱區域在長度方向可以覆蓋熱臺。選用長度為76.2 mm加熱棒，再次對加熱臺模塊進行分析，結果如圖6所示，從溫度分布結果可知最大溫差仍然超過要求，而且左端溫度高于右端，接下來需要修改熱臺結構進行優化：在溫度高的區域增加散熱孔，同時將加熱棒安裝位置靠近壓板。

圖6 長加熱棒分析結果

圖7 加長熱棒優化結果

圖7是優化后的分析結果，從溫度分布結果可知此時壓板溫度已經趨近均勻，但是要想得到準確的溫度值及最大溫差，需要通過實驗來驗證。熱臺模塊優化后達到熱穩態時輻射、對流和溫度的熱流率為：

即Q溫度＋Q輻射＋Q對流＝0，可見在達到熱穩態時系統吸收和發出的熱量相等。

4 熱臺溫度均勻性實驗分析

在有限元分析的基礎上，需要通過實驗來驗證熱臺溫度。

實驗條件：加熱棒設置溫度300℃，加熱棒長度：76.5mm。實驗結果如圖8所示：測量10個點的平均溫度為245.4℃，最大溫差為5℃，這一結果滿足工藝要求。

圖8 實驗結果

針對該熱臺選用同一規格不同的加熱棒進行多組實驗，實驗設置的條件和上述一樣，實驗結果如表1所示，從實驗結果可知：平均溫度都能達到240℃，且最大溫差都在±5℃以內，說明該熱臺模塊符合設計要求。

表1 實驗結果

5 結論

通過對熱臺有限元分析優化，以及進一步的實驗驗證，總結出影響熱臺溫度及均勻性與熱臺結構、選用的加熱棒長度及安裝位置有關，并最終使熱臺溫度滿足工藝要求。

[1]沈維道，童鈞耕.工程熱力學[M].北京：高等教育學，2009.

[2]湛麗華，李曉謙，胡仕成.界面接觸熱阻影響因素的實驗研究[J].輕合金加工技術，2002，30(9):40-43.