金絲球焊制作焊接凸點(diǎn)的工藝參數(shù)分析

田知玲，夏志偉，閆啟亮

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

金絲球焊機(jī)（見圖1）是一種打點(diǎn)連線的設(shè)備，應(yīng)用于芯片與外部的引線連接。利用凸點(diǎn)同時(shí)實(shí)現(xiàn)電氣和機(jī)械連接。金絲球焊機(jī)可以制作凸點(diǎn)以起到固定連線的目的，而且凸點(diǎn)的直徑大小可以調(diào)節(jié)。利用金絲球焊機(jī)生產(chǎn)的凸點(diǎn)作為倒裝焊的凸點(diǎn)，將其制作在功率型LED的基板上，既減少了傳統(tǒng)制作凸點(diǎn)方法中復(fù)雜的技術(shù)過程，又增強(qiáng)了焊接的靈活性和精度[1]。生產(chǎn)周期縮短，而質(zhì)量不會(huì)降低，增加倒裝焊的競(jìng)爭(zhēng)力，使這項(xiàng)技術(shù)更富有生命力。

1 凸點(diǎn)制作

圖1 金絲球焊機(jī)

金絲球焊可以根據(jù)焊接芯片，進(jìn)行打點(diǎn)設(shè)計(jì)，完全按照已有的模型自由靈活地制作凸點(diǎn)。可以根據(jù)具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)凸點(diǎn)制作模式，分配凸點(diǎn)的個(gè)數(shù)、密度、距離、大小，既保證器件焊接后的電學(xué)特性和機(jī)械強(qiáng)度，又節(jié)省了材料，減輕了工作量。

功率型LED采用的是6倍線徑的凸點(diǎn)，利用金絲球焊機(jī)進(jìn)行凸點(diǎn)制作（見表1，其中δ是一常量，其固定值為δ=3.14μm），將基板放在熱臺(tái)上，打開氣閥，使基板固定，在參數(shù)控制模塊選擇測(cè)試觸發(fā)，按住搖桿上的觸發(fā)鍵，移動(dòng)劈刀到要焊凸點(diǎn)部位的上方，測(cè)試劈刀高度，這一步驟是為了避免損壞劈刀。退出程序進(jìn)行打點(diǎn)，線夾開關(guān)打開，金線下送，打火桿產(chǎn)生瞬間高電壓，使金絲成球，按住觸發(fā)鍵，移到要打點(diǎn)的部位上方松開，在熱超聲的作用下，凸點(diǎn)焊接在基板上，劈刀水平移動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)橫向切力，使金線在凸點(diǎn)尾部斷開，完成打點(diǎn)（過程見圖2）。設(shè)備本身有熱臺(tái)，但是要靠超聲的幫助完成打點(diǎn)過程，在一瞬間產(chǎn)生高電壓，使金線熔化，然后加熱超聲使其粘在基板上。金絲球焊機(jī)參數(shù)設(shè)置可調(diào)，凸點(diǎn)直徑可調(diào)，滿足不同芯片的要求。

表1 金絲球焊機(jī)參數(shù)設(shè)置

圖2 金絲球焊的過程

2 工藝參數(shù)分析

金絲球焊制作凸點(diǎn)的關(guān)鍵是參數(shù)的設(shè)置，由于設(shè)備的傳動(dòng)累積誤差會(huì)造成凸點(diǎn)尾線過長(zhǎng)，甚至有拖線現(xiàn)象，即在尾線的上面仍有一段線體存在，這易造成焊接不牢固，甚至產(chǎn)生短路現(xiàn)象，使得封裝失敗，造成LED芯片損壞。所以需要反復(fù)測(cè)試具體參數(shù)[2]，從中選擇最佳焊接值完成焊接。制作凸點(diǎn)時(shí)工藝規(guī)格通常包括凸點(diǎn)高度、線尾長(zhǎng)度、超聲功率、超聲時(shí)間、焊接壓力、熱臺(tái)溫度等。

2.1 凸點(diǎn)高度

顯示在凸點(diǎn)高度參數(shù)不同時(shí)，凸點(diǎn)的大小形狀也不同，參數(shù)設(shè)置如2表所示，可見凸點(diǎn)高度的變化決定尾線的長(zhǎng)短，即凸點(diǎn)的形狀，當(dāng)達(dá)不到一定高度時(shí)（<10δ），凸點(diǎn)不出現(xiàn)尾線，呈扁平狀分布，平塌在基板上，（如圖3a所示）。當(dāng)設(shè)定的凸點(diǎn)高度超過一定值（>20δ），雖然尾線出現(xiàn)，但是有明顯的拖線情況，（如圖3c所示）。最佳選擇應(yīng)是凸點(diǎn)高度在20δ附近，這時(shí)出現(xiàn)尾線，凸點(diǎn)成規(guī)則狀，達(dá)到一定強(qiáng)度，又不至于拖線過長(zhǎng)（如圖3b所示），凸點(diǎn)高度參數(shù)改變實(shí)測(cè)凸點(diǎn)數(shù)值如表3所示。

凸點(diǎn)高度設(shè)置低，則金線送出量過少，在尾線沒有出現(xiàn)時(shí)，金線劈刀在水平移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的橫向切力就使得金線斷開，造成整個(gè)凸點(diǎn)不具有明顯的立體形狀，在焊接過程中，這種扁平的凸點(diǎn)焊接力弱，可靠性差，起不到連接作用；凸點(diǎn)高度設(shè)置過高，金線送出多，劈刀抬起慢，金線不能及時(shí)拉斷，平移時(shí)產(chǎn)生的尾線過長(zhǎng)，凸點(diǎn)有可能出現(xiàn)拖線現(xiàn)象，焊接時(shí)造成短路，降低了器件的可靠性。

表2 凸點(diǎn)高度參數(shù)選擇

表3 凸點(diǎn)高度參數(shù)實(shí)測(cè)凸點(diǎn)數(shù)值

2.2 線尾長(zhǎng)度

不同的尾線長(zhǎng)度也決定凸點(diǎn)形狀。參數(shù)設(shè)置表如4所示，當(dāng)尾線長(zhǎng)度設(shè)定過短（<20δ），則金線供給量不足，凸點(diǎn)的底座將出現(xiàn)薄厚不均，劈刀的橫向移動(dòng)使尾線受力不均，可能出現(xiàn)拖線現(xiàn)象（如圖4a所示）。尾線超過一定值（>30δ），金線長(zhǎng)劈刀抬起過晚，則出現(xiàn)嚴(yán)重拖線情況（如圖4c所示）。正常情況下，尾線長(zhǎng)度選擇25δ附近，此時(shí)凸點(diǎn)底座均勻且尾線不拖線，凸點(diǎn)成球狀，（如圖4b所示），實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表5所示。

尾線長(zhǎng)度若設(shè)置過小，劈刀送線時(shí)間短，送線量少，高電壓下凸點(diǎn)成球小且扁平，這樣凸點(diǎn)在焊接時(shí)焊接力不夠，機(jī)械強(qiáng)度低，可靠性差，焊接效果不佳，同時(shí)由于送線量少，劈刀過早抬起，尾線橫向切力不均勻，造成尾線長(zhǎng)短不一，不規(guī)則，出線拖線現(xiàn)象。拖線的出現(xiàn)，一是使封裝可能出現(xiàn)短路現(xiàn)象，封裝不可靠；二是LED芯片焊接不牢固，降低封裝強(qiáng)度。

圖3 凸點(diǎn)高度改變時(shí)凸點(diǎn)的形狀

若尾線設(shè)置過長(zhǎng)劈刀抬起慢，高電壓下金線成球大，不均勻，尾線過長(zhǎng)，甚至嚴(yán)重拖線，使封裝失敗。

表4 線尾長(zhǎng)度參數(shù)選擇

表5 線尾長(zhǎng)度參數(shù)改變實(shí)測(cè)凸點(diǎn)數(shù)值

圖4 線尾長(zhǎng)度改變時(shí)凸點(diǎn)的形狀

2.3 超聲功率

由于熱臺(tái)的溫度不可能無限升高，而一般金的熔點(diǎn)在1000℃以上，金點(diǎn)的焊接時(shí)是靠加超聲將金點(diǎn)熔化。參數(shù)設(shè)置如表6所示，超聲功率的大小也決定凸點(diǎn)形狀。超聲的功率低于一定值（<50mW），超聲作用不明顯，已經(jīng)在高電壓下成球的金點(diǎn)熔化慢，在基板上形成的凸點(diǎn)較小，粘合不牢固，不能形成較明顯的尾線，但形狀相對(duì)規(guī)則（圖5a所示）。當(dāng)功率超過一定值時(shí)（>150mW），由于功率過大，使得金點(diǎn)熔化過塊，在基板上形成的凸點(diǎn)過大，且凸點(diǎn)扁平，不凸起，呈一平面平鋪在基板上，尾線不規(guī)則，（圖5c所示）。功率恒定在100mW，此時(shí)在基板上形成的凸點(diǎn)大小適宜，成明顯立體狀，且尾線均勻，規(guī)則分布，（圖5b所示），超聲功率參數(shù)改變實(shí)測(cè)如表7所示。

超聲功率小，金點(diǎn)在焊接到基板上時(shí)熔化少，此時(shí)在基板上形成的純金凸點(diǎn)的直徑過小，焊接時(shí)焊接強(qiáng)度低，LED芯片焊接的可靠性差，使用壽命減少；設(shè)置大功率超聲波，超聲波造成金分子快速運(yùn)動(dòng)，球狀金點(diǎn)熔化速度加快，在超聲壓力作用下，金點(diǎn)成餅狀粘在基板上，這樣的凸點(diǎn)進(jìn)行倒裝焊接時(shí)，焊接機(jī)械強(qiáng)度低，可靠性差。由于金點(diǎn)熔化量增加，金線在超聲作用下，形狀和延展性發(fā)生變化，不再是均勻的線體。斷線時(shí)尾線不規(guī)則，可能出現(xiàn)拖線現(xiàn)象，這會(huì)使LED焊接時(shí)出現(xiàn)短路情況。

表6 超聲功率參數(shù)選擇

表7 超聲功率參數(shù)改變實(shí)測(cè)凸點(diǎn)數(shù)值

圖5 超聲功率改變時(shí)凸點(diǎn)的形狀

2.4 超聲時(shí)間

金線的熔點(diǎn)很高，熱臺(tái)的溫度不可能加熱到1000℃以上，在瞬間的高電壓下，金線被制成金點(diǎn)，只有同時(shí)加超聲作用，使分子運(yùn)動(dòng)加速，凸點(diǎn)才很容易焊在基板上，超聲時(shí)間的作用是使在高電壓下形成的金點(diǎn)快速熔化，最終牢固地焊接到基板上。超聲時(shí)間參數(shù)選擇表如8所示：加超聲時(shí)間過短（<20ms），金點(diǎn)熔化較少，在基板上形成的凸點(diǎn)較小，焊接力低，焊接時(shí)機(jī)械強(qiáng)度差，尾線不易斷，出現(xiàn)長(zhǎng)拖線，（圖 6a所示）。時(shí)間過長(zhǎng)（>60ms），金點(diǎn)迅速、大量熔化，基板上形成的凸點(diǎn)過平，呈扁球狀平鋪，面積大，不凸起，，不易焊接，焊接時(shí)機(jī)械強(qiáng)度低，不能體現(xiàn)出很好的電學(xué)特性（圖6c所示）。當(dāng)恒定超聲時(shí)間在30ms時(shí)，基板上形成的凸點(diǎn)為規(guī)則球狀，而且很少拖線，（圖6b所示）。超聲時(shí)間參數(shù)實(shí)測(cè)凸點(diǎn)數(shù)值如表9所示。

表8 超聲時(shí)間參數(shù)選擇

表9 超聲時(shí)間參數(shù)改變實(shí)測(cè)凸點(diǎn)數(shù)值

2.5 焊接壓力

焊接壓力是在金線形成金點(diǎn)后，焊在基板形成為純金凸點(diǎn)的過程時(shí)，外加一個(gè)向下的力，可以使純金凸點(diǎn)更牢固地粘合在基板上。焊接壓力參數(shù)選擇如表10所示：當(dāng)壓力過小（<0.2MPa），外界給力不夠，而且本身粘合力小，凸點(diǎn)不能很好地粘在基板上，但相對(duì)均勻（圖7a所示）。當(dāng)壓力過大（>0.6MPa），凸點(diǎn)被壓得扁平，完全平鋪在基板上（圖7c所示）。正常情況選擇0.4MPa壓力，這是的凸點(diǎn)大小合適，既保證了粘合力，有使凸點(diǎn)呈球狀，便于焊接（見圖7b所示）。參數(shù)實(shí)測(cè)凸點(diǎn)數(shù)值如表11所示：焊接壓力過低，純金凸點(diǎn)在基板上的粘力不夠，雖然產(chǎn)生的凸點(diǎn)形狀均勻，但焊接強(qiáng)度低，在封裝時(shí)可能造成凸點(diǎn)脫落；焊接壓力過大，金點(diǎn)將被壓平，焊接后可靠性下降。

圖6 超聲時(shí)間改變時(shí)凸點(diǎn)的形狀

表10 焊接壓力參數(shù)選擇

表11 焊接壓力參數(shù)改變實(shí)測(cè)凸點(diǎn)數(shù)值

圖7 焊接壓力改變時(shí)凸點(diǎn)的形狀

2.6 熱臺(tái)溫度

熱臺(tái)溫度和拖線情況有密切聯(lián)系（圖8，a、b、c所示）。參數(shù)設(shè)置如表12所示：當(dāng)熱臺(tái)溫度越高，拖線情況越明顯。當(dāng)熱臺(tái)溫度升高時(shí)，金線變得更軟，延展性更好，所以當(dāng)溫度升高時(shí)，由于劈刀本身精度不高，當(dāng)劈刀水平移動(dòng)時(shí)，劈刀不能很快地將延展性很好的金線割斷，造成尾線拖線嚴(yán)重。溫度過低（<100℃），劈刀上金點(diǎn)焊在基板上形成凸點(diǎn)過小，不易焊接。我們通常采用100℃左右的熱臺(tái)溫度。

表12 熱臺(tái)溫度參數(shù)選擇

表13 熱臺(tái)溫度參數(shù)改變實(shí)測(cè)凸點(diǎn)數(shù)值

圖8 熱臺(tái)溫度改變時(shí)凸點(diǎn)的形狀

凸點(diǎn)的形狀與凸點(diǎn)制作的參數(shù)有密切的關(guān)系，必須對(duì)工藝參數(shù)建立有效的控制手段，只有準(zhǔn)確地設(shè)置參數(shù)，才能在基板上制成更完美的凸點(diǎn)，保證最后的焊接質(zhì)量。如果參數(shù)設(shè)定不合適，可能使尾線過長(zhǎng)出現(xiàn)拖線情況，或者凸點(diǎn)過小不能保證焊接強(qiáng)度，使封裝失敗。只有提高凸點(diǎn)質(zhì)量，保證凸點(diǎn)大小形狀規(guī)則，才能保證封裝的可靠性，提高封裝的質(zhì)量[3]。

3 結(jié)束語

本文著重介紹了金絲球焊接技術(shù)的關(guān)鍵—凸點(diǎn)的制作工藝實(shí)驗(yàn)分析，通過固定參數(shù)的實(shí)驗(yàn)分析，得出利用這種方法制作凸點(diǎn)一系列最佳參數(shù)：凸點(diǎn)高度、線尾長(zhǎng)度、超聲功率、超聲時(shí)間、焊接壓力以及熱臺(tái)溫度等參數(shù)，利用這些參數(shù)在基板上制作出的凸點(diǎn)，完成引線鍵合，實(shí)現(xiàn)功率型LED焊接有更高的可靠性，更佳的電和熱傳導(dǎo)率，更大機(jī)械強(qiáng)度。

：

[1]張如明.凸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的倒裝焊推進(jìn)微電子封裝技術(shù)的發(fā)展.微電子，2002，11：39-41.

[2]張彩云，霍灼琴，高敏，張晨曦.采用熱壓焊工藝實(shí)現(xiàn)金凸點(diǎn)芯片的倒裝焊接.電子工藝技術(shù)，2008，29（1）：27-29.

[3]王水弟，蔡堅(jiān)，譚智敏，等.用于圓片級(jí)封裝的金凸點(diǎn)研制.半導(dǎo)體技術(shù)，2004，29（4）：27-31.