F&K 6400鍵合機在SMD封裝中的應用

臧成東

（中國電子科技集團公司第55研究所，南京 210038）

1 鍵合的基本原理

鍵合是一種以金屬細線作為介質，利用熱能、壓力或者超聲能量進行工作的一種電氣互連技術。鍵合是一個固態壓焊過程，在這個過程中，兩種金屬材料（金屬細線和焊盤表面）會形成一種緊密接觸，在接觸表面發生電子共享或者離子擴散現象，進而形成焊點。目前，鍵合仍然是實現芯片與封裝外殼多種電連接，并傳遞芯片電信號、散發芯片內產生熱量的一種重要方式。

根據鍵合過程中焊接使用的不同能量，可以把鍵合過程分為三類，如表1所示。

2 F&K 6400的工作原理

表1 鍵合工藝的分類

6400主要使用超聲作為焊接能量，將超聲發生器產生的高頻超聲波轉化為機械能，借助劈刀鍵合完成鋁絲（直徑17μm～75μm）的壓焊。與其他同類產品相比，6400的壓焊頭除了能夠在X/Y/Z軸移動外，還可借助P軸馬達的帶動旋轉任意角度，能夠滿足重復壓焊過程中球形幾何面內任意角度和寬度范圍的要求；在單個程序中，可以保存多于1 000根絲和500個器件的信息；生產過程可以通過實時的鍵合過程監視進行優化。

圖1 F&K6400外觀圖

2.1 鍵合工具

6400采用劈刀作為鍵合工具。劈刀背后靠近底部位置有一個小孔，鋁線由穿絲管穿出后從這個小孔穿出，鋁線與工件表面成30°～60°角，角度越小送絲動作越容易控制，也能夠得到一致性更好的尾絲。只有當工件管壁較高或附近有較高器件時才會使用較大的送絲角度。在這種情況下，由于送絲角度變化以及對應送絲軌跡的變化會降低焊點上尾絲的一致性。劈刀底部形狀有兩種，一種是平面，一種帶凹槽，鋁線的自動鍵合大部分采用帶凹槽的劈刀以減少鋁絲的定位錯誤。

圖2 bond head外觀圖

圖3 底部為平面的劈刀

劈刀的材料依賴于被鍵合的材料。鋁絲的鍵合一般使用碳化鎢或者陶瓷材質的劈刀，陶瓷是劈刀采用的一種較新的材料，與碳化鎢相比，陶瓷材質的劈刀鍵合質量更好，壽命更長，但價格較高。

圖4 底部帶凹槽的劈刀

2.2 鍵合的基本過程

劈刀鍵合的過程如圖5所示，通過降低劈刀到工件表面焊點上，鋁絲與工件表面接觸后，進行超聲焊接，然后劈刀抬起，按照預設的循環（loop）形狀執行動作。在第二個焊接位置，劈刀下降，進行第二點焊接。在循環（loop）過程中，劈刀送絲孔軸線的移動必須和第一個焊點的中心線對齊，以保證送絲順暢。

圖5 鍵合的基本過程

斷絲有幾種方式，對于細線（直徑小于75μm），主要有兩種方式：線夾斷絲（clamp tear）和劈刀斷絲（table tear）。在線夾斷絲方式中，鍵合壓力維持在第二焊點上，利用線夾動作斷絲；在劈刀斷絲方式中，線夾不動，利用劈刀抬起的動作斷絲。與劈刀斷絲相比，線夾斷絲在斷絲動作過程中，鍵合壓力維持在第二個焊點上，能夠提供更高的產能和可靠性。也因為線夾斷絲中，不需要像劈刀斷絲那樣做太多移動，所以在速度上優于劈刀斷絲。但是，在劈刀斷絲中，借助于送絲角度更大的劈刀和維持不動的線夾，能夠為焊接提供更大的容差，比如，當工件管壁較高或附近有較高器件時。

2.3 焊接材料

6400主要針對鋁線焊接，在生產過程中，在焊接表面主要會形成兩種不同的金屬學系統：Al-Au系統和Al-Al系統。

Al-Au這個組合是鍵合過程中最常采用的。但Au-Al金屬學系統在實際生產中也存在一些局限，容易產生有害的金屬間化合物，比如Au5Al2、Au4Al、Au2Al、AuAl、AuAl2，這些金屬間化合物晶格常數不同，機械性能和熱性能也不同，反應會產生物質遷移，從而在交接層形成可見的柯肯德爾空洞（Kirkendall Void），使鍵合處產生空腔，電阻急劇增大，致使導電性嚴重下降，容易產生裂縫，引起器件焊點脫開而失效。

在使用期限內，這種柯肯德爾空洞會隨著時間和溫度不斷增多。此外，金絲的價格較高，會造成封裝成本的增加。

Al-Al這種組合是非?？煽康模驗樗粫纬筛g和金屬間化合物。采用這種組合時最好采用超聲壓焊，雖然熱壓方式會得到更高的形變。

由于純鋁太軟，生產中采用的鋁絲通常在鋁中按照重量比例加入1%的Si或者1%的Mg，以增加鋁線的機械性能。

在室溫條件下，鋁線中1%的Si超過了Si在鋁中的溶解率50%，會造成Si在鋁中的沉淀。Si沉淀的大小和數量依賴于焊接過程中溫度由高到低的時間，制冷率的降低會導致更多的沉淀和更不均勻的Si結核。更快的制冷率能夠讓Si的沉淀變成均勻分布的小結節。Si的晶粒大小會影響鋁線的延展性，形成一個潛在的結核點，影響焊點質量，導致疲勞裂縫（fatigue crack）。

鋁中加入1%的Mg可以制成性能更好的鋁線，強度和加Si的鋁線相似，但可以得到效果更好的焊點。將它暴露于逐漸升高的溫度中，它抵抗疲勞裂縫（fatigue failure）和終極強度退化（degradation of ultimate strength）的能力都優于加1% Si的鋁線。其原因在于Mg在Al中更高的固態溶解性（按重量比例為2%），因此在Al中Mg的濃度維持在0.5%～1%的情況下，焊點質量好于加入等量Si的鋁線。

3 工藝參數的設置

3.1 bond參數

圖6 通過鍵合測試得到優化的鍵合條件

鍵合壓力、鍵合時間和超聲功率直接決定了焊接產品的質量。對于一種具體的產品，可以通過更改鍵合參數進行鍵合測試以得到優化的鍵合條件，通常通過焊點的拉力強度測試來達到這個目的。在測試中，通過更改一個變量而維持另外兩個條件不變，可以得到三組曲線：焊點的拉力強度-時間，焊點的拉力強度-功率，焊點的拉力強度-鍵合壓力。每一條曲線都和焊點的拉力強度-焊線變形寬度的曲線類似。隨著每一個參數的增加，焊點的抗拔起的能量增加了，但同時，由于焊線變形的影響，焊線成為焊點后的強度變弱了。失效模式（failure mode）也由拔起焊點變成了拉斷焊線。

如圖6所示，最大的拉力強度在兩種失效模式（拔起焊點和拉斷焊線）的交叉點。最低的重復生產能力在拔起焊點區域和變形寬度超過線直徑兩倍后的拉斷區域內，最大的重復生產能力在圖示畫斜線處，稍稍小于最大拉力強度的點。這是鍵合的優化區域，雖然沒有最大的拉力強度，但卻在保持高焊點強度的條件下保證了最大的重復生產一致性。

3.2 bond方式

在6400中有兩種bond方式可以采用，TD鍵合和piezo鍵合。

Touchdown（TD）鍵合（如圖7），在TD鍵合中，當劈刀向基片運動過程中到達設定高度（TD ramp）時降低速度，一旦設備確認劈刀與基片接觸，鍵合頭（沿Z軸）降低到程序設定的高度（TD step），鍵合開始。在生產中進行測高時，高度的搜索范圍就是以設定高度和過沖距離（TD Overdrive）的參數作為參考。

圖7 Touchdown鍵合

Piezo鍵合（如圖8），在這個焊接方式中，當鍵合頭移動到設定的高度（bond height）時，劈刀向上揚起一個角度，但速度不變。當鍵合頭到達過沖高度（TD Overdrive）時，劈刀支點下降，焊接開始。

圖8 Piezo鍵合

Piezo鍵合比TD鍵合的速度明顯要快，但piezo鍵合的鍵合高度僅僅能夠在150μm的相對小的范圍內變化，所以采用piezo鍵合時，工件的公差必須非常接近。

3.3 鋁線形變控制

在6400中有三種鋁線形變控制模式：不使用形變控制、使用形變控制和使用鍵合過程控制進行形變控制。三種方式中，以第三種方式形變控制效果最好。

鍵合過程控制是F&K 6400的特有功能，是通過調整超聲功率來控制鋁線形變的一個工具。在工作過程中測量鋁線形變，并與預先設定的曲線范圍作比較，當形變超過設定值時，超聲功率減到最小。在選定設定值時，可以先在不采用形變控制的情況下進行若干鍵合并更改鍵合參數，得到對應曲線，通過拉力及剪切力測試得到一條效果最好的形變曲線，最后根據曲線設置參數。

4 產品的檢驗

6400的產品除了通過顯微鏡進行直觀檢查外，主要采用拉力強度測試的方法。拉力強度測試的目的是檢驗焊接強度，校驗焊接機械參數。測試的結果是評價焊接質量和可靠性的重要依據，同時也便于了解焊接不良的機械原理。如圖9所示，用拉力計勾住鋁線直至拉斷，力F1、F2是力F在焊點1、焊點2上的分量，圖示角度根據勾子實際位置和高度很容易得到。在測試中可能出現五種情況:（1）第一個焊點被拔起；（2）鋁線在第一個焊點處斷；（3）鋁線在中間斷；（4）鋁線在第二個焊點處斷；（5）第二個焊點被拔起。

圖9 拉力強度測試示意圖

在正確的拉力測試中，斷點應該在（2）或（4）中出現，通過比較此時拉力計讀數與標準判定焊接質量。如果出現其他三種情況，應該檢查焊接參數及焊接工具等。

5 常見故障分析

5.1 壓絲位置偏差

在工作過程中，鍵合頭旋轉時在某些特定角度實際壓絲位置與程序設定位置之間出現偏差。

原因：電機借助皮帶帶動bond head旋轉，實現在任意方向上的壓絲動作。隨著時間及使用頻率的增加，皮帶逐漸磨損，當皮帶某些位置上的齒磨損嚴重時，鍵合頭旋轉到該位置時就會出現偏移現象。新推出的F&K鍵合機已淘汰了皮帶，改用電機直接驅動。

5.2 送絲馬達無法復位

原因：（1）送絲馬達home位置檢測傳感器故障，傳感器本身損壞或者是線性機架箱提供的電壓錯誤。傳感器信號由一根線纜傳輸，當該線纜表皮磨損嚴重時，也會導致此類故障；（2）馬達驅動板通過一根線纜傳輸信號到送絲馬達，驅動馬達動作。該線隨鍵合頭旋轉，當該線外皮磨損嚴重時，可能會造成馬達驅動芯片輸出短路，燒毀芯片，導致此類故障發生。

5.3 尾絲不一致

原因：鋁線與工件表面夾角過大；線夾壓力過大，夾持鋁線時鋁線變形，導致出絲不暢；鋁線穿線管，劈刀穿絲孔，線夾夾持面不在同一平面內的同一條直線上，導致出絲不暢。

[1] F&K Corp. F&K wire bonding instruction manual[R].