楔焊中使用球焊劈刀的可行性分析

2012-08-08 10:23:12夏志偉劉嚴慶紀偉高岳

電子工業專用設備 2012年11期

夏志偉，劉嚴慶，紀偉，高岳

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

引線鍵合是半導體后道封裝的關鍵工藝，而且在相當長的一段時間里，是不可被替代的。其主要的功能是利用細小的金屬線連接芯片的Pad和管殼的引腳以實現電氣可靠導通，保證芯片的功能得以正常的實現。

引線鍵合的基本形式可以分為球形焊接和楔形焊接。兩種形式采用不同的設備，兩種設備采用不同的換能器、劈刀，不能互換通用。對于芯片焊接形式豐富的今天，用戶不得不通過購買更多的設備來滿足焊接需求。而鍵合原理，兩種焊接形式區別不大，本文根據兩種焊接形式的共同特點，分析如何通過改造焊接設備（機械結構、軟件），并依據焊接試驗得出凸點的形狀，以及進行引線拉斷力的測試，總結和分析使用球焊設備、劈刀進行楔形焊接的可行性，從而使設備的通用性更強，降低用戶成本。

1 引線鍵合工藝

常見的引線鍵合工藝分可為三種，即：熱壓鍵合，超聲波鍵合，熱壓超聲波鍵合[1]。三種工藝各有優缺點，在不同條件下的酌情使用，才可保證鍵合的穩定性和一致性。

熱壓鍵合是利用高溫（＞250℃），在適當壓力、一定時間內使金屬線與焊接表面材質產生塑性變形，使兩種材質擴散融合，形成焊接。

超聲波鍵合與熱壓超聲波鍵合原理相同，利用換能器產生一個固定頻率的超聲波，這種超聲波是高頻小幅值的機械波，在焊接表面產生劇烈摩擦，使金屬原子共價鍵破壞，金屬發生塑性變形，形成焊接[2]。

對于不同金屬，破壞其共價鍵的能量不同，改變能量的方法是改變振動幅值，當幅值增大到不能滿足焊接時，可以通過加熱或加向焊接面方向的壓力來提升能量。加熱可以阻止焊接表面的能量散失，使摩擦產生的熱能更好的鍵合而不是補充周圍的溫度，加壓可以使超聲波振動在焊接面更好地摩擦而不是無效振動，保證充分產生焊接能量。

2 球焊、楔焊

球焊鍵壓時先要制作金屬球，對金屬引線的材料要求較高，球狀凸點增加鍵合面積，提高鍵合力，但焊接需要的焊盤面積較大；楔焊更具靈活性，對引線材料和焊盤面積沒有要求，但鍵合力相對低。

2.1 劈刀

球焊劈刀與楔焊劈刀無論外形、材料都有很大的區別：

球焊劈刀（見圖1）通常為陶瓷材料，空心吸管狀，前端為錐形，錐角根據型號不同會有變化，尖端是一個平面，出口處會有臺階和倒角，保證鍵壓出勻稱的凸點形狀，增加根腱處的鍵合強度。劈刀內外孔處均有適當倒角，保證焊接后凸點的完整性。尖端平面決定凸點大小。

圖1 球焊劈刀圖形[3]

楔焊劈刀（見圖2）為金屬材料，主體為圓柱狀，但正前方有定位面，保證劈刀尖端始終朝前，尖端為楔狀平面，平面后方是一個固定角度的送線孔，金屬絲通過送線孔被平面鍵合成鏟狀焊點，平面面積決定焊點的大小。

圖2 楔焊劈刀圖形[3]

2.2 換能器

球焊、楔焊換能器工作原理相似，超聲波鎖相電源提供固定電信號，利用壓電陶瓷產生一個固定高頻超聲波（＞80 Hz），使換能器變幅桿前后伸縮運動（見圖5），其運動幅值可調，幅值越大產生的超聲波能量越大。

同品牌的球焊、楔焊換能器產生超聲波頻率相同，理論上無論夾持何種劈刀都應該產生諧振，但是兩種換能器的夾持方式不同，球焊換能器（見圖3）的鎖緊頂絲在變幅桿前端的側面，因為球焊劈刀是圓柱狀，沒有安裝方向，為陶瓷材料不能直接接觸頂絲，否則在振動時會對劈刀造成損害。楔焊換能器（見圖4）的頂絲在劈刀正前方，因為楔焊劈刀有定位面，必須保證安裝方向，否則鍵合出的焊點會歪斜，影響焊接效果。換能器諧振。

圖3 球焊換能器

圖4 楔焊換能器

圖5 換能器諧振[3]

2.3 焊接流程

球焊的焊接流程如圖6所示。上一個流程中送出適當長度線尾，利用高壓放電將金屬絲熔化，在表面張力作用下，線尾變成金屬球（根據線尾長度和放電時間可調節金屬球大小），劈刀向下運動至焊盤，加力加超聲，使金屬球焊接在焊盤表面，劈刀抬起至第二焊盤，加力加超聲，第二點焊接在焊盤表面，線夾扯斷金絲，并送出適量線尾，完成一個焊接流程。

圖6 球焊過程[4]

楔焊的焊接流程如圖7所示。無需制作凸點時，移動至焊點位置直接焊接。

圖7 楔焊過程[4]

2.4 焊點形狀

球焊兩個焊點的形狀不同，首點是鍵壓金屬球，壓出饅頭形凸起，末點根據劈刀型號不同，壓出面積不同鏟狀凸起（見圖8）；楔焊焊點形狀相似，多為長條鏟狀凸起，首點因為存在線尾，前端會留出一小段金屬引線不被鍵合，末點末端是斷線處，是標準鏟狀凸起（見圖 9）。

3 楔焊中使用球焊的分析

3.1 劈刀夾持的能量

圖8 球焊首、末點形狀[4]

圖9 楔焊首、末點形狀[4]

在楔焊設備中使用球焊換能器、劈刀，應先測試其超聲波電源是否適用。將幅值調節范圍分成25等份，每100 ms疊加一等份輸出，最大值時停留500 ms，如圖10所示，其波形均勻，變化線性，最大幅值在11 V左右，表明利用楔焊設備的超聲波電源可以驅動球焊換能器，輸出正常的焊接能量。

圖10 超聲波示意圖

3.2 關鍵問題

3.2.1 線尾不可控

經過多次試驗，球焊劈刀首點是球焊接，沒有方向性，楔焊焊接時首點朝向前方，使用球焊劈刀焊接楔焊，造成焊接的線尾方向不可控。可以使用打火桿，令其擺下（見圖11），將線尾撥向前方，這樣焊接時朝向統一，且線尾長度一致性較好。

3.2.2 線弧不可控

因為首點為楔焊，鍵合強度沒有球焊大，多以對引線的機械力不夠，通常引線會在劈刀內發生扭轉，使其在劈刀下降過程中，回到劈刀內，無法成線弧。可以在劈刀運動部分加上光柵尺（見圖12），當劈刀的運動方向發生由上向下的改變時，關閉線夾，使得引線更好成弧。

圖11 打火桿確定線尾方向

圖12 光柵尺確定線夾關閉時間

3.2.3 焊點選擇

為了使焊點形狀規則飽滿，成為規則的鏟狀，如圖13，T應該越大越好，這樣的點形會更細長，更完整，縱向凸起更大，鍵合力更高，底面盡量要平，既FACE ANGLE越小越好，這樣在斷線時才易扯斷線尾，并且一致性較好。

3.3 新的焊接流程

更新運動程序，重新編寫運動流程，如圖14所示。上一個流程中送出適當長度線尾，打火桿擺下，將線尾撥向正前方，此時線夾張開，劈刀向下運動至焊盤，加力加超聲，使引線焊接在焊盤表面，劈刀抬起至第二焊盤上方，開始向下運動時，關閉線夾，劈刀運動至第二焊盤表面，加力加超聲，第二點焊接在焊盤表面，線夾扯斷金絲，并送出適量線尾，完成一個焊接流程。