球-楔焊一體機的設計與實現

孟慶嵩，郝立猛，徐品烈，劉丹

（北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176）

球-楔焊一體機的設計與實現

孟慶嵩，郝立猛，徐品烈，劉丹

（北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176）

傳統引線鍵合裝備，分為球焊設備和楔焊設備，兩者使用不同的換能器，不同種類劈刀，不同的焊接形式。通過對兩種設備原理以及市場需求分析，設計一種球-楔焊一體機，滿足球焊和楔焊兩種焊接形式，有利于引線鍵合技術發展。

超聲波換能器；球焊；楔焊；引線鍵合；球-楔一體機

半導體封裝內部芯片和外部管腳以及芯片之間的連接起著確立芯片和外部的電氣連接、確保芯片和外界之間的輸人/輸出暢通的重要作用，是整個后道封裝過程中的關鍵，引線鍵合（Wire Bonding）作為一種主流的芯片互連技術，是將半導體芯片與電子封裝引線框架用金屬細絲連接起來的工藝技術。在IC后封裝中，90%以上的封裝均采用引線鍵合互連技術[1]。引線鍵合是以非常細小的金屬引線的兩端分別與芯片和管腳鍵合而形成電氣連接[2]。

1 引線鍵合工藝

引線鍵合有兩種基本形式，球鍵合（球焊）和楔鍵合（楔焊）[3，4]。這兩種引線鍵合技術的基本步驟包括：形成第一焊點（通常在芯片表面），形成線弧，最后形成第二焊點 （通常在引線框架/基板上）。兩種鍵合的不同之處在于：球鍵合中在每次焊接循環的開始會形成一個焊球，然后把這個球焊接到焊盤上形成第一焊點，而楔鍵合則是將引線在加熱加壓和超聲能量下直接焊接到芯片的焊盤上。引線鍵合過程如圖1所示

圖1 鍵合工藝

2 球-楔一體機設計框架

一體機設備控制部分主要包括板卡模塊、鍵合模塊、電源模塊以及設備子系統。其中板卡模塊是系統的控制核心，鍵合模塊是設備的操作核心。板卡模塊框圖如圖2所示。

圖2 系統板卡框圖

a）主控板：控制整個機器的運行。

b）接口板：驅動螺線管和電機。

c）轉接板：用于獲取外界接口（傳感器、螺線管、觸點、電機）信息，轉接到主控板或接口板，并從主控板或接口板獲取相關指令，傳遞給相應部件。

d）超聲板：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使之達到共振點，滿足換能器和鍵合設備之間最佳匹配。

其中主控板、接口板和超聲板鑲嵌在底板之上，通過底板相互傳送和接收數據，以滿足系統之間的數據交互。

整個系統通過主控板對每個環節涉及的器件進行邏輯控制，以實現機器的合理有效穩定的運行，也是通過主控程序滿足球與楔的焊接方式。

鍵合模塊主要包括換能器、劈刀以及涉及的電機、傳感器和螺線管等，通過之間的相互配合，滿足鍵合條件，實施鍵合。

3 鍵合模塊的設計

3.1 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3），其運動幅值可調，幅值越大產生的超聲波能量越大。

圖3 換能器諧振[5]

3.2 劈刀的區別以及焊接過程分析

球焊劈刀（見圖4）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4 球焊劈刀圖形[5]

楔焊劈刀（見圖5）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5 楔焊劈刀圖形[5]

由于兩種劈刀材料和形狀不同，迎合劈刀的換能器就不相同，固定劈刀的螺釘位置就不同，為了方便使用，滿足球、楔兩種焊接技術要求，設計新型的換能器，如圖6所示，在前端和側端分別有一螺絲釘，當楔焊時，通過前端螺釘定位劈刀，側面螺釘加緊，而球焊時候不需要定位，只側面螺釘加緊即可使用，這樣就能滿足兩種劈刀的要求。

4 球-楔焊一體機軟件設計與實現

4.1 球-楔焊一體機軟件設計思路

首先開機檢測傳感器等相關信號，一切正常后進入系統，流程如圖7所示。然后焊接選擇（根據存儲模塊記憶球楔焊）

圖6 球-楔一體機換能器

楔焊：

a）焊接第一線，同時配合螺線管、觸點、電機等信號，金屬線與芯片表面接觸后施加超聲、壓力，成功后抬起；

b）同第一點焊接第二點；

c）通過設定參數斷線；

d）重復以上操作。

球焊：

a）焊接第一線，同時配合螺線管、觸點、電機等信號，金屬球與芯片表面接觸后施加超聲、壓力，成功后抬起；

b）同第一點焊接第二點；

c）通過設定參數斷線；

圖7 待焊線思路流程圖

d）抬起后打火；

e）重復以上操作。

參數修改：

進入參數修改界面可以修改焊接時候的超聲、壓力以及斷線的長度和打火相關參數。

測試：對I/O信號進行測試，檢測是否正常。

焊接完成后返回系統進入等待。

4.2 人機界面

整個系統包括界面由焊接界面、參數修改、測試界面。對于焊接界面和參數修改界面分別由球、楔兩種。

焊接界面是對焊接過程的提示界面，主要包括提示焊接第一點、焊接第二點，送線（楔焊）或者打火（球焊）。

參數修改界面是對焊接的參數進行設置。包括功率、時間、壓力、線尾、球焊的球徑或者楔焊的短線等，在這個界面就可以進行球、楔轉換，設置完畢后，按鍵退出即可進入焊接界面，準備焊接，如圖8所示。

測試界面主要是針對機器的重要IO進行自檢測試。

6 總 結

經過實驗測試，本機器可以通過選擇切換球焊-楔焊，可以實現球-楔焊一體，使單一設備滿足傳統兩種設備的功能，達到客戶要求，節約用戶成本。

：

[1]楊利業.引線鍵合自動送線系統關鍵技術研究[D].天津：天津大學，2012.

[2]晁宇晴，楊兆建，喬海靈.引線鍵合技術進展[J].電子工藝技術，2007，28（4）：205-210.

[3]邱穎霞.微波多芯片組件中的微連接[J].電子工藝技術，2005，26（11）：319-322．

[4]黃玉財.集成電路封裝中的引線鍵合技術[J].電子與封裝，2006，6（7）：16-20．

[5]美國.SPT公司劈刀樣本[Z].20112008，158:53-60.

The Design and Implementation of Ball-Wedge Bonding Machine

MENG Qingsong，HAO Limeng，XU Pinlie，LIU Dan
（Beijing Electronic Equipment Ltd，Beijing 100176，China）

Abstract:There are two different devices which using different Ultrasonic Transducers,Bonding Tools and Bonding Processes in the traditional wire bonding technology.They are ball bonding and wedge bonding equipment.In this paper，with the analyzes of the two devices and market demand,Design a ball-wedge bonding machine to meet the ball and wedge boding forms.And it is conducive to the development of Wire bonding technology.

Keywords:Ultrasonic transducer；Ball bonding；Wedge bonding；Wire bonding；Ball-wedge bonding Machine

TG439.1

B

1004-4507（2013）12-0010-04

2013-11-13